泄水閘胸墻布置型式對(duì)寬頂堰泄流能力影響的研究

胡順志，唐振華，姜 軍

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

珠江流域紅水河上某樞紐工程泄水低孔采用胸墻式泄水閘，閘孔凈寬9m，共24孔，采用寬頂堰，堰頂高程22.00m，孔高18m，上游設(shè)雙胸墻，胸墻最低點(diǎn)高程為40.00m；寬頂堰為了與消力池水流平順銜接，堰體與消力池護(hù)坦采用拋物線銜接。在泄水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)胸墻體型經(jīng)過(guò)了多種方案的優(yōu)化比較，推薦泄水閘典型剖面圖，如圖1所示。

泄水閘的特征水位分別為汛限水位47.60m、正常蓄水位61.00m，設(shè)計(jì)洪水位61.00m、校核洪水位61.10m。在運(yùn)行調(diào)度過(guò)程中，泄水閘存在明、滿流交替的過(guò)程，要求快速調(diào)整其他閘門(mén)開(kāi)度，使泄水閘在盡量短的時(shí)間明滿流泄洪。

通過(guò)斷面試驗(yàn)對(duì)比單胸墻和雙胸墻的泄流情況，同時(shí)對(duì)不同體型單胸墻泄水閘的泄流能力進(jìn)行對(duì)比，在整體模型試驗(yàn)上進(jìn)一步驗(yàn)證了泄流能力，對(duì)胸墻在不同水位下脈動(dòng)壓力進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)減壓試驗(yàn)研究了胸墻是否出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

1 胸墻布置型式研究

本工程在早期設(shè)計(jì)時(shí)，主要研究采用單胸墻方案，共研究布置了4個(gè)方案，如圖2所示。

單胸墻布置方案，堰型和堰上水頭一定時(shí)，影響泄水閘孔泄流能力和胸墻底緣負(fù)壓情況主要因素是胸墻厚度、壓坡布置和曲線型式。原設(shè)計(jì)方案提出胸墻底緣采用1/4橢圓胸墻布置型式，此方案泄流能力最大，但胸墻底緣曲線中偏后負(fù)壓較大，如圖3所示，最大負(fù)壓為-5.76m水柱，試驗(yàn)時(shí)也進(jìn)一步研究了加楔形摻氣坎，未能有效降低負(fù)壓，分析原因主要是設(shè)計(jì)胸墻曲線不能較好的與水流收縮曲線擬合，使胸墻下部水流脫離胸墻，造成局部負(fù)壓區(qū)。

修改方案1為1/4圓弧胸墻布置型式，經(jīng)分析，與更早布置方案相似，分析更早斷面試驗(yàn)成果，負(fù)壓可能會(huì)更大，因此未做進(jìn)行一步研究。

修改方案2主要參考《HYDROSYNAMIC FORCES Hydraulic Design Considerations》介紹的德國(guó)學(xué)者研究的胸墻體型進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，胸墻底部負(fù)壓全部消除，但對(duì)泄流能力造成了較大影響，較原設(shè)計(jì)方案減小了4.5%。

修改方案3基于薄壁堰過(guò)流收縮曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮最大運(yùn)行水頭的95%確定水流收縮曲線，即橢圓曲線的一段，使設(shè)計(jì)胸墻曲線能在各級(jí)流量下較好的與水流收縮曲線相吻合。泄流能力較原設(shè)計(jì)方案減小1.9%，胸墻底部負(fù)壓較原設(shè)計(jì)方案均減小，負(fù)壓最大值為-1.49m水柱，此方案相對(duì)較優(yōu)，推薦為前期單胸墻的布置方案。

在后期對(duì)泄水閘進(jìn)行重新設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好地解決泄流能力和胸墻底部負(fù)壓?jiǎn)栴}，參考進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范、重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)內(nèi)容和水力設(shè)計(jì)手冊(cè)有壓短洞進(jìn)水口體型，雙胸墻布置方案如圖4所示。同時(shí)研究了單胸墻布置方案，如圖5所示，布置為圓弧段加壓坡直線段。

圖1 泄水閘剖面圖

圖2 單胸墻布置方案

圖3 單胸墻布置方案時(shí)均壓力分布

圖4 泄水閘雙胸墻布置方案

圖5 泄水閘后期單胸墻布置方案

后期單胸墻布置方案在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)胸墻底部最大負(fù)壓達(dá)-6.0m水柱，水流脫空比較嚴(yán)重，需改進(jìn)單胸墻布置，參考前期試驗(yàn)成果，布置為橢圓曲線一段的胸墻，橢圓參數(shù)略有不同，為后期單胸墻修改方案，調(diào)整后最大負(fù)壓為-2.16m水柱。

雙胸墻布置方案，胸墻底緣未出現(xiàn)脫空和負(fù)壓值，胸墻底部時(shí)均壓力具有進(jìn)口最大，向下游逐漸減小，在橢圓曲線中點(diǎn)達(dá)到最小值，再向下逐漸增大的特點(diǎn)，時(shí)均壓力均方根最小值為0.055×9.81kPa。

對(duì)比雙胸墻與后期單胸墻修改方案的泄流能力如圖6所示，二者在低水位基本相當(dāng)，孔流時(shí)雙胸墻略大，且隨著庫(kù)水位升高逐漸增加的趨勢(shì)。

圖6 雙胸墻與后期單胸墻修改方案泄流能力對(duì)比

2 胸墻布置型式對(duì)泄流能力的影響

泄水閘布置胸墻的目的是在低水位泄流時(shí)，泄水閘是堰流，泄流能力較大，同時(shí)要考慮閘門(mén)擋水推力過(guò)大，因此在某高程以上采用胸墻擋水。

判斷寬頂堰是堰流還是孔流，一般采用下式：

(1)

(2)

式中,e—孔口高度；H—堰上水頭。

雙胸墻模型共進(jìn)行了兩次斷面模型試驗(yàn)，在幾何比尺1:65斷面模型上閘門(mén)開(kāi)度為0.68～0.69出現(xiàn)孔堰流過(guò)渡區(qū)；在幾何比尺1∶30斷面模型上閘門(mén)開(kāi)度為0.68～0.72出現(xiàn)孔堰流過(guò)渡區(qū)。主要區(qū)別在1∶30模型上上游水位較低時(shí)出現(xiàn)明滿流交替，原因是模型比尺大小的影響，斷面試驗(yàn)?zāi)M的孔數(shù)影響；在觀察試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，剛出現(xiàn)明、滿流交替時(shí)主要是閘墩側(cè)收縮激起的水流撞向胸墻下緣造成的明、滿流交替，主流距離胸墻底緣還有一定空隙，斷面試驗(yàn)無(wú)法模擬真實(shí)的上游進(jìn)流條件，不同模型會(huì)存在一定差異；在試驗(yàn)時(shí)，下游水位超過(guò)一定高度也影響明、滿流交替出現(xiàn)位置，下游水位越高，越早出現(xiàn)明滿流交替。在閘門(mén)流激震動(dòng)試驗(yàn)幾何比尺1∶25斷面模型上驗(yàn)證了閘門(mén)開(kāi)度在0.70、0.689兩個(gè)點(diǎn)是明滿流交替(未做連續(xù)觀測(cè))。

2.1 寬頂堰堰流情況泄流能力分析

對(duì)寬頂堰堰流時(shí)一般采用下式計(jì)算泄流能力。

(3)

式中,m—堰流流量系數(shù)；B0—閘孔總凈寬；Q—過(guò)閘流量；H0—計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水深；g—重力加速度；ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ—堰流淹沒(méi)系數(shù)。

本工程泄水低孔較多，在堰流計(jì)算泄流能力時(shí)，下游水位較高，淹沒(méi)系數(shù)對(duì)堰流流量影響很大，設(shè)計(jì)工程時(shí)計(jì)算堰流泄流能力采用SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算公式和參數(shù)。通過(guò)多個(gè)斷面模型試驗(yàn)和整體模型試驗(yàn)對(duì)比，模型試驗(yàn)值比計(jì)算值大；在斷面試驗(yàn)中，同樣條件下，在庫(kù)水位44.00m時(shí)試驗(yàn)值比計(jì)算值大2.6%，在庫(kù)水位47.00m時(shí)試驗(yàn)值比計(jì)算值大1.6%；在整體模型試驗(yàn)中，堰流的泄流曲線試驗(yàn)值比計(jì)算值大1.7%～3.0%。分析原因主要是下游水位和側(cè)收縮影響，本工程堰流泄流能力對(duì)下游水位的變化特別敏感，計(jì)算值和模型試驗(yàn)值存在差異，模型之間存在差異是正常情況，但整體趨勢(shì)是吻合的。

2.2 寬頂堰閘孔孔流泄流能力分析

對(duì)寬頂堰閘孔孔流時(shí)一般采用下式計(jì)算泄流能力。

(4)

式中,he—孔口高度；μ—孔流流量系數(shù)；σ′—孔流淹沒(méi)系數(shù)，其他同式(3)。

設(shè)計(jì)工程時(shí)，計(jì)算孔流泄流能力采用SL 265—2016中的計(jì)算參數(shù)，在斷面試驗(yàn)中，同樣參數(shù)條件下(考慮下游最高水位)，模型試驗(yàn)值比計(jì)算值大；庫(kù)水位51.80m時(shí)，試驗(yàn)值為2115m3/s，設(shè)計(jì)計(jì)算值為1896m3/s，大11.6%；庫(kù)水位56.72m時(shí)，試驗(yàn)值為2426m3/s，設(shè)計(jì)計(jì)算值為2364m3/s，大2.6%；庫(kù)水位61.10m時(shí)，試驗(yàn)值為2575m3/s，設(shè)計(jì)計(jì)算值為2571m3/s，基本相同。

在閘門(mén)流激震動(dòng)試驗(yàn)中，對(duì)庫(kù)水位61.10m、下游49.20m和庫(kù)水位61.0m、下游46.41m兩種運(yùn)行工況進(jìn)行了不同閘門(mén)開(kāi)度的泄流能力試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1—3。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反計(jì)算出流量系數(shù)μ(含淹沒(méi)影響)，μ隨閘門(mén)開(kāi)度先減小后增大，其變化趨勢(shì)接近為線性變化關(guān)系。在表1和表2中流量系數(shù)μ均值約0.76；在閘門(mén)全開(kāi)運(yùn)行時(shí)，表1庫(kù)水位61.10m流量系數(shù)達(dá)1.08，是下泄水流將水躍推出閘室形成閘后水面降低，發(fā)生超泄；表2庫(kù)水位61.0m流量系數(shù)亦達(dá)0.98，水流下泄能力極強(qiáng)。在庫(kù)水位為61.0m時(shí)，下游為臨界出流時(shí)，工作閘門(mén)局部開(kāi)啟流量系數(shù)均值μ約為0.83。

表1 庫(kù)水位H上=61.10m、下游水位H下=49.20m工作門(mén)局部開(kāi)啟流量試驗(yàn)結(jié)果

表2 庫(kù)水位H上=61.00m、下游水位H下=46.41m工作門(mén)局部開(kāi)啟流量試驗(yàn)結(jié)果

表3 庫(kù)水位H上=61.00m、下游水位控制為臨界出流時(shí)工作門(mén)局部開(kāi)啟流量試驗(yàn)結(jié)果

3 閘孔孔流時(shí)雙胸墻底緣壓力試驗(yàn)情況

在幾何比尺1∶30斷面模型上，不同運(yùn)行水位下，對(duì)胸墻底部壓強(qiáng)水頭進(jìn)行了觀測(cè)，庫(kù)水位61.0m，下游水位46.41m時(shí)胸墻壓強(qiáng)特性如圖7所示。其他工況和運(yùn)行水位基本與此工況相同，只是壓強(qiáng)數(shù)值大小有所區(qū)別。

圖7 庫(kù)水位61.0m，下游水位46.41m時(shí)胸墻壓強(qiáng)特性圖

對(duì)雙胸墻布置方案也進(jìn)行了減壓試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)研究測(cè)定了胸墻的空化特性，在相似真空度下，庫(kù)水位由汛前限制水位47.60m升至校核水位61.10m時(shí)，胸墻底部沒(méi)有出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

由上述分析可知，選用帶胸墻布置的泄水閘，當(dāng)胸墻擋水較高時(shí)，單胸墻難以避免胸墻底緣脫空和負(fù)壓存在，泄流能力對(duì)胸墻體型也比較敏感；雙胸墻對(duì)進(jìn)閘水流有較長(zhǎng)距離的導(dǎo)流作用，水流和胸墻底緣貼合較好，很好地解決了底緣脫空和負(fù)壓存在的問(wèn)題，泄流能力相對(duì)單胸墻略微增大，上游水頭越高增大越明顯。通過(guò)常壓模型試驗(yàn)和減壓試驗(yàn)驗(yàn)證了本工程胸墻底部不存在空化現(xiàn)象。