甌飛一期圍墾工程北1#閘消能試驗(yàn)研究

韓曉維，包中進(jìn)，陳益彬，呂有暢

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.溫州市甌飛開發(fā)建設(shè)管理委員會(huì)，浙江 溫州 325000)

1 問題的提出

濱海水閘的運(yùn)行條件較為復(fù)雜，其上、下游水位變化較大，閘門開啟度變化頻繁，水閘泄流由孔口出流到堰流、由射流到淹沒射流，流態(tài)較為復(fù)雜，且濱海水閘基礎(chǔ)一般為軟土地基或淤泥質(zhì)海涂，河床質(zhì)的起動(dòng)流速一般都很低，為0.8m/s甚至更低，極易被沖刷，需設(shè)置消力池、護(hù)坦、海漫、防沖槽等消能防沖設(shè)施進(jìn)行閘下防護(hù)。但從已建的感潮閘運(yùn)行情況看，大部分水閘閘下沖刷問題仍較嚴(yán)重，如消力池底板末端淘空、海漫段形成沖坑倒坡等，嚴(yán)重的甚至危及工程自身安全。

消能工的優(yōu)劣直接影響水閘的使用效益。常規(guī)水閘消能工的設(shè)計(jì)常通過水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［1］進(jìn)行計(jì)算。該規(guī)范通過設(shè)計(jì)單寬流量以及上下游水位條件便可以初步計(jì)算出所需消力池的長度及深度。但是由于種種原因，直接套用規(guī)范公式進(jìn)行消力池的計(jì)算往往存在一定的問題［2-4］，對(duì)于比較重要的水閘工程，仍需通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。周玉香等［5］認(rèn)為低佛氏數(shù)情況下，水躍消能主要發(fā)生在躍后段，若采用底流消能，則需采用多級(jí)消力池或加長海漫長度等措施進(jìn)行防護(hù)。陸芳春［6］等從水力學(xué)、底板水流脈動(dòng)、運(yùn)行沖淤及工程量等方面綜合分析比較，認(rèn)為曹娥江大閘一級(jí)消力池方案優(yōu)于二級(jí)消力池方案。馬孟華等［7］通過對(duì)平原進(jìn)洪閘的試驗(yàn)研究，認(rèn)為無坎的一級(jí)消力池可以改善閘下水流銜接的問題。梁躍平［8］認(rèn)為當(dāng)入流佛氏數(shù)在1.5～4.5范圍內(nèi)，水躍漩滾尚未充分發(fā)展，消能效率較低，能量較為集中，對(duì)下游沖刷嚴(yán)重，在消力池中加設(shè)輔助消能工，可使消力池的性能得到很大改善。當(dāng)前技術(shù)成熟并被廣泛應(yīng)用的綜合消力池主要有美國墾務(wù)局推薦的USBR-Ⅲ型、USBR-Ⅳ型，美國SAF型及BEHAVANI型消力池 (T形墩消力池)等，但這些技術(shù)成熟的消力池應(yīng)用在超低弗勞德數(shù)、低水頭、低尾水的情況下也很難達(dá)到令人滿意的消能效果［8］。

本文提出的無翼墻二級(jí)消力池方案可以有效地起到減小閘下單寬流量、增大海漫末端水深、均化海漫段流速分布的效果，對(duì)于類似工程具有一定的參考價(jià)值。

2 工程概況與模型設(shè)計(jì)

北1#閘為甌飛一期圍墾工程6座排澇閘之一，位于北堤上，外海側(cè)為甌江。水閘為1級(jí)建筑物，主要建筑物按50a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。閘室采用與海堤堤頂對(duì)齊的胸墻式結(jié)構(gòu)。閘室順?biāo)鞣较蜷L22m，凈寬80m(10孔×8m)，閘室下游設(shè)二級(jí)消力池，第一級(jí)消力池長25m，池深為1.50m，池底高程為-3.50m;第二級(jí)消力池長25m，池深為1.50m，池底高程為-3.50m，底板厚1.00m。消力池下游設(shè)海漫，長25m，海漫坡度為1∶8，海漫末端高程為-5.00m，海漫后接防沖槽。消力池兩側(cè)無翼墻，左右各設(shè)置頂高程-2.00m的坎。消力池左岸直接與北堤拋石圓錐護(hù)坡相接，-2.00～-1.50m范圍表面采用1.00m厚的合金籠網(wǎng)石兜，右岸與閘下中間防護(hù)區(qū)域相接。北1#閘閘上河道正常蓄水位為2.50m，外海側(cè)平均潮位為0.29m，平均低潮位為-1.87m。工程平面剖面布置見圖1。

整體模型按重力相似準(zhǔn)則建立，幾何比尺Lr=50，采用天然沙對(duì)閘下海床進(jìn)行模擬。消能工況采用上游正常蓄水位2.50m和閘下平均低潮位-1.87m。

圖1 北1#閘工程布置圖 單位:m

3 消能方案的比選試驗(yàn)

3.1 方案布置

本文在二級(jí)消力池方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，比選方案見表1。

表1 消能比選方案布置一覽表

3.2 閘下流態(tài)及沖刷形態(tài)

當(dāng)下游潮位較低時(shí)，消力坎頂?shù)乃羁傻韧趯掜斞哌^相同流量時(shí)的水深，此時(shí)外海潮位的高低對(duì)消力池內(nèi)的消能形態(tài)理論上沒有影響，消力池坎頂水深完全取決于單寬流量［4］。由于消力池兩側(cè)無翼墻，水流進(jìn)入消力池內(nèi)旋滾后有部分水流從兩側(cè)翻出，單寬流量沿程減小，坎頂水深也隨之降低。各方案單寬流量由出池時(shí)的12.9m2/s降低至海漫末端的8.6～9.7m2/s，降低了25% ～33%，效果明顯。當(dāng)海漫末端在相同水深條件下，海漫末端單寬流量的減少會(huì)減弱閘下沖刷［1］，故無翼墻消力池方案對(duì)閘下沖刷有利。

由于單寬流量均沿程減小，各方案閘下消能效果主要在垂向上比較考慮水流流態(tài)與沖刷形態(tài)。圖2為4種方案閘下消能工況流態(tài)及沖刷形態(tài)示意圖。

圖2 各方案閘下水流流態(tài)及沖刷形態(tài)圖 單位:m

方案1:一級(jí)消力池內(nèi)能形成穩(wěn)定的摻氣水躍，躍首平均流速為7.5m/s，F(xiàn)r=1.80，為弱水躍，躍尾位于0+030m處，一級(jí)消力池坎頂平均流速為5.2m/s，F(xiàn)r=1.05。水流翻過一級(jí)消力坎后跌落進(jìn)入二級(jí)消力池，由于二級(jí)坎頂高程較高，池內(nèi)躍首位置偏上游，未能充分利用消力池深度，池深偏深。經(jīng)二級(jí)池消能后，二級(jí)消力池坎頂0+059.8m斷面平均流速為4.7m/s，F(xiàn)r=1.05。水流出二級(jí)池后在海漫上跌落，并在海漫末端附近形成弱水躍，但是由于躍后水深較下游潮位高，水流在躍后跌落，沖擊防沖槽及下游海床，防沖槽收到砸擊后高程降低，沖深約為1.20m，防沖槽下游為普遍沖刷，最大沖深約為4.30m。

方案2:與方案1相比，將二級(jí)消力坎高程降低0.50m。二級(jí)坎高程降低后，二級(jí)池內(nèi)水躍躍首位置明顯下移，消力池池深合適。外海潮位較低，二級(jí)坎高程降低后潮位仍然無法影響到消力坎出流，此時(shí)二級(jí)消力坎頂流速約為4.6m/s，F(xiàn)r=1.01，與方案1相近。出池后水流跌落，同樣在海漫上形成弱水躍，躍首位置較方案1下移，水流在躍后跌落，沖擊防沖槽及下游海床，防沖槽沖深1.00m，防沖槽下游海床普遍沖刷，最大沖深約為4.90m。

方案3:將方案2的海漫末端高程抬高至-4.50m，其一、二兩級(jí)消力池內(nèi)流態(tài)與方案2相似，但是由于海漫末端高程抬高，下游尾水不足，海漫末端水躍為波狀水躍。波狀水躍躍前動(dòng)能中有較大部分轉(zhuǎn)化為波動(dòng)能，水面躥升跌落將淘刷拋石防沖槽及海床，此時(shí)防沖槽末端被沖毀，下游海床沖深可達(dá)7.10m，不利于閘下安全防護(hù)。

方案4:在方案3的基礎(chǔ)上將海漫末端高程降低至-6.00m，其一、二兩級(jí)消力池內(nèi)流態(tài)同樣與方案2相似，但是由于海漫末端高程降低，下游尾水較深，海漫上存在穩(wěn)定的摻氣水躍，水躍形態(tài)為弱水躍。經(jīng)海漫段水躍調(diào)整后，海漫末端出流均為緩流，最大流速約為3.8m/s，F(xiàn)r=0.60。完整水躍均發(fā)生在海漫段，水躍后水面與潮位銜接較好，雖仍存在一定范圍的波動(dòng)，但至防沖槽末端后波動(dòng)基本消失，對(duì)下游影響較小。此時(shí)防沖槽基本完好，下游海床沖深較淺，約為2.20m。

3.3 消能率

在消能工況時(shí)，閘下出流共存在三級(jí)水躍，分別是一級(jí)池水躍、二級(jí)池水躍及海漫段水躍。消力池內(nèi)各方案水躍均為弱水躍，消能率接近，主要區(qū)別在海漫段水躍的消能率。

消能率η可采用下式計(jì)算:

式中:E1為一級(jí)池躍首總能量，m，E2為計(jì)算斷面的水流總能量，m。消力池消能率計(jì)算基準(zhǔn)高程Z0取消力池底板頂高程-3.5m，海漫段消能率計(jì)算基準(zhǔn)取海漫末端高程。

表2給出了北1#閘不同消能方案的消能率對(duì)比，采用方案4的閘下綜合消能率最大達(dá)到47%，說明該方案的消能效果非常顯著。由于消力池兩側(cè)無翼墻，當(dāng)下游潮位較低時(shí)，池內(nèi)水流翻出，使得沿程單寬逐漸減小，各級(jí)水躍消能率也逐漸提高。

表2 各方案消能工況消能率比較表 %

3.4 方案推薦

針對(duì)外海潮位較低情況下，選取閘下平均低潮位作為設(shè)計(jì)下游水位是合理的。需要解決的主要問題為消力池的消能率及水流與外海銜接的問題。方案4消力池內(nèi)水流條件較好，且與外海潮位銜接順利，無明顯不利流態(tài)，閘下沖刷也較淺，故推薦方案4作為優(yōu)化方案。

4 海漫末端高程的確定

由前述可知，當(dāng)消能工況確定后，海漫末端水流流態(tài)將直接影響閘下沖刷形態(tài)，故改善其水流與外海的銜接流態(tài)成為此類水閘消能設(shè)計(jì)的重要參考。海漫末端高程的確定可通過水躍共軛水深初步確定，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

平底矩形斷面水躍共軛水深公式為:

若需要下游水流銜接良好，則海漫末端高程Z1需滿足下式:

h″為躍后斷面的水深，m;h'為躍前斷面的水深，m;Fr1為躍前斷面水流的佛氏數(shù);Z1為海漫末端高程，m;Z0為消能設(shè)計(jì)的外海潮位，m。

本工程中試驗(yàn)測(cè)得海漫急流段Fr1=2.8，h'=1.10m，計(jì)算得到h″=3.80m，海漫末端高程Z1≤Z0-h″=-1.87-3.80=-5.70m。本工程取海漫末端高程為-6.00m＜-5.70m，海漫末端水深能夠滿足要求。

5 結(jié)語

甌飛一期圍墾工程北1#閘為濱海水閘，其外海側(cè)直接排入甌江口。平面布置采用無翼墻式消力池方案，可在閘下潮位較低時(shí)使閘下水流沿程擴(kuò)散，減小單寬流量，減輕閘下沖刷。在消力池剖面設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)使消力池內(nèi)流態(tài)保持穩(wěn)定，并注意海漫末端水流與外海潮位的銜接。北1#閘共試驗(yàn)了4種消力池?cái)嗝嫘褪剑挥挟?dāng)海漫末端高程降低至-6.00m后，海漫處水躍能與外海潮位順利銜接，流態(tài)較好，沖深較淺。海漫末端高程可通過共軛水深公式進(jìn)行初步估算。本工程消能工形式可供類似工程參考。

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