灌區(qū)擋水閘門的過閘水流水力模型試驗(yàn)研究

張 兵

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

閘門作為一種水工擋水建筑，其運(yùn)營可靠性與水流特征與自身體型參數(shù)有關(guān)，探討過閘水流水力特征受閘門結(jié)構(gòu)影響特性[1-2]，有助于推動閘門等水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。劉忠干[3]、張龍[4]為研究閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)營可靠性，基于閘門運(yùn)營期靜、動力工況下應(yīng)力、應(yīng)變等宏觀參數(shù)，分析了閘門設(shè)計(jì)優(yōu)化與靜、動力安全的關(guān)聯(lián)性。閘門對過閘水流影響，包括了流態(tài)特征與滲流特征等，韋曄[5]、欽立峰[6]借助Fluent等三維滲流平臺，通過分析不同體型設(shè)計(jì)下閘門滲流特征，對過閘水流的流速、壓強(qiáng)以及閘室內(nèi)流態(tài)特征開展了仿真分析，對評價(jià)閘門防滲與滲流安全有效結(jié)合設(shè)計(jì)提供參考。閘門底緣構(gòu)造關(guān)乎著過閘水流的水動力特性，楊健[7]、王蓓[8]通過物理模型與數(shù)值計(jì)算的方法，對不同傾角或體型的底緣構(gòu)造閘門開展了水動力特性分析，對優(yōu)化閘門體型及提高閘門運(yùn)營效率具有理論依據(jù)。本文為研究三屯河灌區(qū)干渠泵閘樞紐擋水閘門的底緣構(gòu)造設(shè)計(jì)，對四種典型底緣體型構(gòu)造設(shè)計(jì)依次開展了水深、流速以及時(shí)均壓強(qiáng)對比，為實(shí)際工程的加固設(shè)計(jì)等提供參考。

1 工程概況

三屯河灌區(qū)是天山北部、昌吉地區(qū)重要農(nóng)業(yè)水利樞紐，依托于三屯河水庫供水中樞，構(gòu)建起了東、西干渠工程，年灌溉面積為4.8萬hm2，且灌溉面和以每年10%左右的速率增長，惠及昌吉乃至天山北部眾多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，有力支撐了地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。作為三屯河灌區(qū)重要水源工程，三屯河水庫距離昌吉32 km，設(shè)計(jì)庫容為2600萬m3，最大庫容為3500萬m3，面向農(nóng)業(yè)灌溉、防洪調(diào)度等水利職能，配置有溢洪道、引水渠首、泄洪閘以及沉沙池等水工設(shè)施，根據(jù)水工設(shè)計(jì)資料調(diào)研得知，三屯河水庫溢洪道泄槽為主、副拱型式，主拱跨度為15 m，共有3個(gè)小副拱，最小跨度為1.8 m，溢洪道消能池與下游引水干渠渠首構(gòu)建起了泄流、調(diào)度以及引水的運(yùn)營體系，不論是主拱或是副拱，結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力未超過允許值，靜、動力設(shè)計(jì)效果較優(yōu)。三屯河灌區(qū)南、北側(cè)干渠典型剖面如圖1所示，兩側(cè)渠坡坡度為1∶1.5，襯砌板厚度為0.1 m，渠深為1.8 m，渠底鋪設(shè)有干砌卵石，防滲效果較優(yōu)，渠底無顯著渦旋等非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象，南、北側(cè)干渠建設(shè)有10余座中小型水工設(shè)施，如節(jié)制閘、引水泵閘樞紐等，大多閘室均依托干渠或河道建設(shè)，最大過閘流量為45 m3/s，配置有弧形鋼閘門，凈寬為4.6 m。根據(jù)三屯河灌區(qū)智慧水利系統(tǒng)監(jiān)測，南、北兩干渠為新建工程，運(yùn)營年限未超過10 a，與三屯河水庫溢洪道以及泄流閘匹配性較高，沿線泵閘設(shè)施運(yùn)營狀況較優(yōu)，但目前三屯河還存在有東、西干渠工程，東干渠為三屯河水庫下游5.0 km，運(yùn)營年限超過50 a，部分渠道防滲效果與抗凍脹能力較弱，西干渠在長達(dá)50 a運(yùn)營期內(nèi)，沿線各渠段分布的差異性渠面(梯形渠面、U形渠面、弧形坡腳梯形渠面)，渠道凍脹危害以及多變渠面與泵閘設(shè)施過閘水流間的不一致性，常在原有東、西干渠工程中出現(xiàn)漩渦面，輸水量以及含沙量等參數(shù)均表明輸水可靠性降低。為此，東、西干渠除險(xiǎn)加固工程中一個(gè)重要內(nèi)容則是水閘設(shè)施的過流安全。

圖1 三屯河灌區(qū)干渠典型剖面

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)對三屯河灌區(qū)東、西干渠調(diào)研得知，沿線不僅存在不同形式的輸水渠面，且在各渠段分布的節(jié)制閘或泵閘樞紐存在有不同形式的閘門構(gòu)造，過閘水流狀態(tài)受之差異性影響較顯著。因而，本試驗(yàn)選取東、西干渠典型渠段泵閘設(shè)施開展過閘水流分析，以提高水工閘門與過閘水流適配性，從而為三屯河灌區(qū)除險(xiǎn)加固提供參照。以東干渠5+125處阿爾什泵閘工程為分析對象，該樞紐工程位于三屯河水庫下游14 km，為三屯河水庫引水干渠下游重要支線工程，根據(jù)該閘站工程現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了水工模型試驗(yàn)。

模型試驗(yàn)全長為9.0 m，寬度為0.4 m，高度為0.4 m，各部分模擬設(shè)施高度參照阿爾什泵閘工程標(biāo)高相對設(shè)定，進(jìn)水渠、尾水渠各為5.0 m、1.5 m，采用剛性材料制作各水工設(shè)施接觸面，擋水閘門為0.4 m×0.4 m，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，其為弧形閘門，弧度為55°，幾何比尺設(shè)置為50，模型試驗(yàn)流量比尺為8000[9-10]，按照阿爾什泵閘設(shè)計(jì)流量換算成試驗(yàn)流量100 m3/h、125 m3/h、150 m3/h、175 m3/h、200 m3/h進(jìn)行工況設(shè)定。在所建立的水工模型中，按照不同監(jiān)測點(diǎn)或斷面分別設(shè)置有測點(diǎn)裝置，如圖2(a)所示為水位測量斷面示意，A、B、C三個(gè)測點(diǎn)面分別對應(yīng)中軸線、1/4線以及底邊線處，過閘水流斷面上共有12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，間距為0.5 m，面向閘門斷面分別設(shè)置壓強(qiáng)測點(diǎn)，如圖2(b)所示，共有8個(gè)測點(diǎn)，其中閘門底緣處設(shè)置有3個(gè)測點(diǎn)，各測點(diǎn)距離底緣的距離為斷面衡量參數(shù)，梯次高度為0.5 m，底緣處也設(shè)置有A、B、C三個(gè)過閘水流流速特征，所有監(jiān)測設(shè)備在試驗(yàn)前均進(jìn)行了誤差標(biāo)定，最大誤差控制在0.1%，該物理模型所有模塊底面均為光滑，試驗(yàn)前測試表明過流無不對稱等現(xiàn)象。

試驗(yàn)中另一重要變量因素則是閘門底緣形式，在閘門材料、面板設(shè)計(jì)參數(shù)為一致的前提下，閘門開度統(tǒng)一設(shè)定為8 cm，對閘門底緣構(gòu)造特征開展試驗(yàn)對比，本試驗(yàn)中按照4種底緣構(gòu)造形式(底緣前傾45°、底緣后傾45°、圓弧底緣90°、橢圓底緣90°)分別開展相應(yīng)的水力模型試驗(yàn)，由水力參數(shù)反映閘門底緣與過閘水流的適配性。

3 不同底緣構(gòu)造下過閘流態(tài)特征

基于不同流量工況下水力模型試驗(yàn)，對不同底緣構(gòu)造形式的過閘水流水力特征監(jiān)測，獲得了過閘水流上、下游軸長6 m閘段上水位變化特征，如圖3。依據(jù)圖3可看出，不同的過閘流量下，閘門上、下游水位變化特征基本類似，呈現(xiàn)“Z”形曲線特征。具體分析可知，閘門上游-3～0 m區(qū)段內(nèi)，在部分底緣構(gòu)造方案內(nèi)存在水位波動現(xiàn)象，如流量150 m3/h工況中底緣前傾、圓弧底緣兩方案內(nèi)分別在斷面-3.0～-0.6 m、-2.1～-0.6 m存在水位波動現(xiàn)象，且兩方案在閘門上游水位為最大，同時(shí)此兩方案在下游水位為最低，過閘急流較顯著，水位變幅最大，該流量工況中水位變幅分別為85.8%、83.7%。當(dāng)流量為100 m3/h、2000 m3/h時(shí)，仍然是底緣前傾與圓弧底緣兩方案下，具有較顯著的水位變幅，而相對應(yīng)的水位變幅最緩的為底緣后傾方案，其在流量100 m3/h工況內(nèi)，閘門上、下游平均水位分別為21.0 cm、12.4 cm，降幅為38.7%，雖然隨過閘流量升高，在流量150 m3/h、200 m3/h工況中，該方案下水位降幅分別達(dá)39.9%、40.2%?？傮w上對比其他三種方案，底緣后傾構(gòu)造下，水位變化較緩，水力勢能緩沖更大[5，11]。在橢圓底緣構(gòu)造方案內(nèi)，其上游水位較為平穩(wěn)，但在閘門下游出現(xiàn)水位的一定波動，流量100 m3/h、150 m3/h工況中最大波幅段位于下游1.3 m、1.6 m，分別為26.5%、25.8%，此與閘門出流段勢能釋放以及底緣處水流射出有關(guān)，不利于下游閘室穩(wěn)定滲流。

4 不同底緣構(gòu)造下過閘水力特征

4.1 流速特征

基于不同底緣構(gòu)造方案下過閘水力特征監(jiān)測，對底緣處A、B、C三個(gè)測點(diǎn)流速監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，圖4為A、C兩個(gè)測點(diǎn)在不同過閘流量工況中流速特征變化。從圖4可知，A、C測點(diǎn)流速變化具有一致性，不論過閘流量增長為何值，同一種底緣構(gòu)造方案內(nèi)流速變化恒定，即底緣不同測點(diǎn)斷面乃至全斷面，流速受過閘流量以及底緣型式影響為一致。在底緣測點(diǎn)A處，四種底緣方案內(nèi)流速水平最高為前傾方案，在流量100～200 m3/h工況中，流速分布為2.20～2.63 m/s，而后傾方案下流速水平為最低，分布為1.3～1.5 m/s，其中圓弧底緣、橢圓底緣兩種方案下流速水平實(shí)質(zhì)上也處于較大發(fā)展期，在流量175 m3/h、200 m3/h等工況內(nèi)，流速水平逐步逼近前傾方案。從流速量值水平對比可知，前傾方案下過閘水流勢能以及動水急流較大，對下游消能降沖效能要求較高。對比四個(gè)方案下流速水平與過閘流量關(guān)系可知，只有底緣后傾、圓弧底緣兩方案下，流速隨過閘流量呈穩(wěn)定線性變化，測點(diǎn)A下，隨過閘流量每遞增25 m3/h，流速值分別平均提高了0.09 m/s、0.05 m/s，增幅為4.4%、3.4%；而底緣前傾方案內(nèi)，出現(xiàn)了較顯著陡增段，前傾方案內(nèi)流量100～150 m3/h，測點(diǎn)A下流速分布為2.20～2.24 m/s，平均提高了1.3%，而在流量150～200 m3/h工況，流速平均增幅可達(dá)8.9%，同樣的現(xiàn)象在橢圓底緣中亦是如此，只是該方案在流量175 m3/h后才出現(xiàn)了較顯著流速增長段。綜合分析可知，過閘水體流速的穩(wěn)定變化，表征了閘內(nèi)勢能穩(wěn)定、無顯著渦旋等非穩(wěn)定流能量的傳遞，而在不同過閘流量工況中，流速過大增幅，又不利于控制閘內(nèi)紊流、急流[12-13]，因而遴選一個(gè)合理底緣構(gòu)造方案，有助于提升閘室內(nèi)過流安全。

圖4 不同過閘流量工況中流速特征

4.2 壓強(qiáng)特征

在試驗(yàn)過程中不僅能得到流速參數(shù)，也能對閘門運(yùn)營時(shí)均壓強(qiáng)特征進(jìn)行監(jiān)測，圖5為閘門面板斷面上時(shí)均壓強(qiáng)變化特征。由圖中壓強(qiáng)參數(shù)變化可知，不同底緣型式方案下閘門面板壓強(qiáng)變化具有類似性，峰值壓強(qiáng)均位于測點(diǎn)2#，但不同底緣方案下，測點(diǎn)2#～8#區(qū)間，壓強(qiáng)降幅有一定區(qū)別，流量125 m3/h工況中，底緣前傾方案下流速從1.90 m/s降低至0.26 m/s，降幅為86.5%，而橢圓底緣方案下降幅為88.8%，相比之下底緣后傾、圓弧底緣兩方案下壓強(qiáng)降幅較穩(wěn)定，在測點(diǎn)6#、7#分別達(dá)到了零壓強(qiáng)。總體上看，測點(diǎn)1#～2#為時(shí)均壓強(qiáng)的漲幅期，面板被水流淹沒面較廣[7，14]，而在測點(diǎn)2#～零壓強(qiáng)，面板滲流區(qū)逐步減小，而底緣前傾、橢圓底緣兩方案下無法較好控制底部射流，在面板較大區(qū)域內(nèi)仍具有一定流速。當(dāng)流量增大至200 m3/h后，整體上時(shí)均壓強(qiáng)水平均有提高，底緣前傾1#～8#測點(diǎn)分別增大至-0.46～2.60 kPa，增幅為33.3%～35.5%，而底緣后傾、圓弧底緣兩方案下時(shí)均壓強(qiáng)增幅分別為11.4%～14.5%、17.5%～22.3%，此兩方案時(shí)均壓強(qiáng)受過閘流量影響敏感度最低，可較好應(yīng)對不同過閘水流工況；特別的，在底緣后傾、圓弧底緣兩方案內(nèi)，在測點(diǎn)7#、8#處仍具有零壓強(qiáng)特征，且不出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，面板防滲可靠性較強(qiáng)?；谒姆N不同底緣型式方案的水力模型試驗(yàn)，在流態(tài)、流速及時(shí)均壓強(qiáng)等水力參數(shù)演變過程中，底緣后傾方案下閘門防滲、滲流安全以及控流降能效果最優(yōu)。

圖5 閘門面板時(shí)均壓強(qiáng)變化特征

5 結(jié) 論

(1)改變過閘流量，閘門上、下游水位特征仍一致；底緣前傾、圓弧底緣兩方案在閘門上游水位波動顯著，且過閘后水位變幅最大，流量150 m3/h工況下水位變幅分別達(dá)85.8%、83.7%；底緣后傾方案下過閘上、下游水位變幅最緩，橢圓底緣方案閘門下游具有一定水位波動段。

(2)底緣不同測點(diǎn)處流速特征在過閘流量、底緣型式影響下，保持一致性變化；底緣前傾、后傾兩方案下流速水平分別為最高、最低；底緣后傾、圓弧底緣兩方案下流速隨過閘流量具有穩(wěn)定增長特征，而底緣前傾、橢圓底緣方案下流速在一定過閘流量后具有陡增段，控流降能較差。

(3)各方案下閘門面板時(shí)均壓強(qiáng)峰值均位于測點(diǎn)2#，但底緣前傾、橢圓底緣兩方案在峰值壓強(qiáng)后具有較大降幅段，底緣后傾、圓弧底緣兩方案在流量125 m3/h、200 m3/h工況中均具有零壓強(qiáng)特征。

(4)綜合水力模型試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為底緣后傾方案下閘門運(yùn)營安全、防滲效果、降能等最佳。