交错式挡坎在闸下辅助消能中的应用和设计优化

陈慧玲

（喀左县水利局，辽宁喀左122300）

1 工程背景

辽宁省灯塔灌区始建于1974 年，建成后成为辽宁省中部地区重要的商品粮生产基地[1]。灌区的总干渠长43.5 km，控制流域面积约为420 km2，水资源总量为3.13 亿m3，可以使10 个乡镇近26.4万人受益。由于灌区建成运行时间较长且始建标准不高，因此灌区的基本设施损毁比较严重，对灌区功能的发挥造成明显制约[2]。因此，辽宁省及当地政府积极筹措资金进行灌区的节水改造工程。其中，进水闸的重建工程设计为开敞式7 孔平底闸，由闸前铺盖、闸室段以及泄洪道段组成，全长158.62 m。闸门净宽为8.00 m，总长60.00 m，高14.50 m。由于水闸建在土质河床上，受到主流束窄作用的影响，往往会造成泄流宽度小于河道的底宽，如果水闸的结构设计不合理，极易造成下游的水流流态较差，进而造成渠道段的严重冲刷[3]。因此，需要在消力池中设置辅助消能工保证水闸泄流水流的安全[4]。针对平原灌区的多孔水闸在运行过程中往往存在三元突扩水跃问题，给水闸的安全运行造成显著影响，同时也是水闸发生失事事故的主要诱因，鉴于常用的栅格、拱网等辅助消能工存在工程量大，费用高的不足，本文提出一种交错式挡坎，并通过模型试验的方式进行设计方案的优化，提高其实用价值。

2 交错式挡坎的设计

2.1 设计原理

交错式挡坎与栅格、拱网等辅助消能工具有类似的工作原理，也就是通过挡坎对水流的反击作用，改变下泻水流的方向，同时将其扩散为多股水流，通过相互之间的激荡和摩擦，以达到消能目的，最终实现水跃长度的减小和能量损失的增大。

2.2 设计参数

交错式挡坎为长方体结构，宽度和高度较小，长度较大。第1排设置1个挡坎，第2排设置2个挡坎，第3 排设置3 个挡坎，以此类推，相邻两排之间呈交错式分布的特征，其平面示意图如图1 所示。为了研究交错式挡坎的实际作用，先简化为两排挡坎，在后续研究中再增加排数并对其余参数进行优化。通过查阅和梳理该领域的相关研究文献，确定交错式挡坎的主要设计参数：挡坎的坎长i，也就是与闸门平行方向的长度，一般为闸门宽度的1/10至1/2；挡坎的位置s，也就是第1 排挡坎与闸门的水平距离，一般不超过消力池长度的1/2；挡坎的排间距a，也就是相邻两排挡坎之间的水平距离，一般为消力池长度的1/15至1/3；挡坎的净宽n，也就是每排挡坎中相邻两个挡坎之间的水平距离，一般为闸门宽度的1/10至1/2；挡坎的高度h，一般在消力池深度的1/5至1倍之间。

图1 交错式挡坎示意图

2.3 设计方案

研究中利用开泰和王元两位数学家提出的均匀设计法进行试验方案的设计，设计中以灯塔灌区的新建水闸参数为基础[5]。根据相关设计资料，水闸的闸门宽度为8.00 m，消力池的长度和深度分别为19.00 m 和1.20 m。具体的方案参数如表1所示。

表1 基于均匀设计法的试验方案参数表 m

3 模型试验优化

3.1 试验模型制作

水闸的模型使用有机玻璃制作，比尺为1∶100[6]。为了方便流场的观测，在模型的下游渠道设置马克笔标记刻度，模型的平面布置示意图如图2 所示。模型的水流通过模型进入海漫末端的蓄水池，然后用水泵通过管道输送至上游的水箱，通过水箱的消能缓冲后进入上游段，进而实现循环供水，在上游水箱的底部设置节流阀控制水位高度。试验过程中，利用钢尺测量急流段的长度、宽度以及闸门前的水深；利用秒表计算水流实践；利用GS-5 光栅水位仪实现水位的多点同步测量和记录[7]。

图2 试验模型平面布置示意图

3.2 交错式挡坎方案的比选

为了验证交错式挡坎的消能效果，首先对无坎工况进行试验，发现模型中水流流态较差，主要表现为消力池内部的两侧部位产生回流现象，且水位较高，因此产生了比较明显的主流挤压，形成高速水流，在消力池尾坎的作用下产生一次水跃，然后与下游的水流相互作用发生二次水跃。按照表1 中的方案参数，在制作的模型消力池对应部位设置好挡坎，对10 种不同方案进行模型试验。结果显示，在设置交错式挡坎的情况下，水流流态相比无坎工况均有明显改善，主要表现为急流段长度减小，二次水跃的长度和宽度均有不同程度的减小。这说明，本文提出的交错式挡坎具有比较显著的辅助消能作用。10 种不同设计方案相比，方案3 的出池急流段长度最短，宽度较宽，在海漫的末端可以充分扩散，消能效果较好。因此，方案3 为表1 所列的10 种方案的最佳方案。

3.3 进一步优化

鉴于交错式挡坎的布置方式多样，进行全面试验并不现实，因此研究中以方案3 为基础进行进一步改进和优化，并获得方案11 至方案14。方案11—13 是在方案3 的基础上增设第3 排同体型挡坎，个数分别为 1，2，3 个；方案 14 是保持方案 3的设计不变，将消力池末端出口加高20 cm。

对优化后的方案进行模型试验，统计出如表2所示的流量均值数据。由表2 的数据可知，在增设交错式挡坎之后，平均流量均有不同程度减小，但是各方案相比，其流量均值极为接近，且占比均在99.7%以上。由此可见，由于交错式挡坎的体型较小，对水闸下泻流量的影响极为有限，可以忽略不计。

表2 各工况的流量均值

根据试验数据，统计出如表3 所示的消力池出流段急流特征参数。由表3 的结果可知，交错式挡坎设置对出流急流段的长度影响比较明显，但是对宽度的影响并不明显。从急流段长度的减小值来看，方案11和方案14减小幅度最大；从水跃水深来看，方案11 和方案14 的一次和二次水跃的跃后水深最小。因此，较优方案为方案11 和方案14。

表3 出流段急流特征 cm

流速也是影响下游冲刷的重要参数，表层流速较大是容易冲刷河岸，近底流速较大时容易冲刷河床[8]。因此对不同方案下的表层和底层流速进行测试，结果如表4 所示。由表4 的数据可知，不设置交错式挡坎的情况下，表层和底层流速均较大，表层流速为6.64 m/s，底层流速为5.79 m/s，因此冲刷强度也较大，设置交错式挡坎之后，表层和底层流速明显减小。其中，表层流速的最大值为5.34 m/s，相较于不设置交错式挡坎工况，减小了约7.77%，最小值为4.96 m/s，减小了约25.30%；底层流速的最大值为4.78 m/s，相较于不设置交错式挡坎工况，减小了约17.44%，最小值为4.63 m/s，减小了约20.03%。由此可见，说明设置交错式挡坎对降低表层和底层流速，减轻下游冲刷具有重要作用。各工况相比，工况3 和工况11 最佳。

表4 各工况的表层和底层流速 m/s

综上，从流量角度来看，各设计方案与不设置交错式挡坎工况比较接近；从出池急流段的长度和宽度来看，方案11和方案14冲刷的范围最小；从水跃水深来看，方案11 和方案14 的一次和二次水跃的跃后水深最小；从流速角度来看，工况3 和工况11最佳。此外，鉴于方案14的工程量较大，因此方案11为最佳设计方案，推荐用于工程设计。

4 结语

平原灌区的多孔水闸在运行过程中往往存在三元突扩水跃问题，给水闸的安全运行造成显著影响，同时也是水闸发生失事事故的主要诱因。文章基于相关研究成果，提出了交错式挡坎辅助消能工，同时以灯塔灌区新建水闸为工程背景，通过试验研究的方法验证了这一辅助消能工的有效性，同时通过优化设计研究，给出了最佳设计方案，推荐在工程设计中应用。当然，此次试验研究仅针对固定水位、单孔、小开度条件下进行试验，后续应进一步展开不同水位条件、不同闸门开启方式下的试验研究，以获取更为精准和全面的研究成果。