沿海(江)水閘二級消力池消能特性研究

邢超鋒

(上海上咨工程設(shè)計有限公司，上海 200000)

0 引言

沿海(江)水閘閘下潮位變幅較大，使出閘水流從自由流到淹沒流，從急流到緩流均有可能發(fā)生，導(dǎo)致水流流態(tài)更加復(fù)雜，在整個排水過程中過閘水流很難保證持續(xù)性合理銜接，易產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍或水面跌落，從而產(chǎn)生高流速，引起局部沖刷，造成下游消能防沖設(shè)施的破壞，一旦出現(xiàn)問題維修困難，影響區(qū)域行洪除澇安全，且造價高昂，動輒千萬元。保證過閘水流與閘下水體間的合理銜接，是解決沿海(江)水閘沖刷問題的關(guān)鍵。相關(guān)研究表明，通過設(shè)置二級消力池，加大下游水深，控制淹沒水躍發(fā)生，在解決單級消力池出池水面發(fā)生較大波動問題的同時，可提高消力池對下游尾水位的適應(yīng)性，對于解決海潮影響尾水位變動較大的低弗勞德數(shù)(Fr)水閘消能問題具有很大優(yōu)勢。

相關(guān)學(xué)者已對二級或多級消力池開展過大量研究工作，包括消力池的水力特性、布置、體型參數(shù)、水力計算等方面。譚高文等[1-2]采用物理模型試驗方法，分別研究了低弗勞德數(shù)水流單級和二級消力池的水力特性和消能結(jié)構(gòu)特性[1]，采用理論分析和物理模型試驗相結(jié)合的方法，研究了低弗勞德數(shù)水流二級消力池體型參數(shù)及其敏感性[2]；黃智敏等基于廣東省3座攔河閘除險改造和重建工程的水力模型試驗研究成果，對低水頭攔河閘下游二級消力池的布置進(jìn)行研究[3]；對攔河閘下游二級消力池池底作用總水頭的計算方法進(jìn)行分析，提出了二級消力池的水力計算和體形布置方法[4]；吳子榮等[5]通過實際工程的水工模型試驗研究，歸納出了低弗勞德數(shù)水流多級消力池的一些水力特性；黃朝煊[6]針對消能計算過程中需多次反復(fù)試算查表的問題，基于水力學(xué)理論、數(shù)學(xué)推導(dǎo)及Matlab軟件數(shù)值分析，對多級消能分別進(jìn)行了總結(jié)分析；廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)軟基水閘消能防沖設(shè)計規(guī)程中，提供了二級消力池的計算方法[7]。前人的研究成果為二級消力池進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供了依據(jù)，但目前專門針對沿海(江)地區(qū)水閘二級消力池消能的相關(guān)研究較少，與其他地區(qū)不同，沿海(江)水閘上下游水位差通常較小，弗勞德數(shù)更低，且下游潮(水)位變幅頻繁，水力特性更為復(fù)雜。為此，本文章以某沿海水閘工程為例，采用三維數(shù)值模擬分析與物理模型試驗相結(jié)合的方法，進(jìn)行沿海(江)水閘二級與單級消力池的水力特性對比分析及消能影響因素研究。

1 研究方法

三維數(shù)值模擬分析采用Flow-3d軟件，F(xiàn)low-3d計算的核心采用真正的三步流體體積法(TruVOF)，在求解流場時，能夠?qū)ψ杂杀砻孢_(dá)到更精確的模擬。采用tecplot360軟件對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，依次選取不同位置的水流流場剖面圖進(jìn)行分析。

物理模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，幾何比尺為40，模型長度約25m，寬度約3m，上游河道按圖紙模擬，下游河道概化為梯形斷面。模型過閘流量由調(diào)節(jié)閥控制，電磁流量計量測，測量精度為0.5級；模型下游末端設(shè)置調(diào)節(jié)尾門，控制水位，用水位測針量測，測針讀數(shù)精度0.1mm；典型斷面部分測點(diǎn)，采取超聲多普勒三維流速儀(ADV)進(jìn)行流速大小和流向量測；流態(tài)通過在流場中施放示蹤劑，利用高性能攝像機(jī)記錄流場圖像，進(jìn)行對比分析。試驗平面布置如圖1所示。

圖1 物理模型試驗平面布置

2 單級與二級消力池水力特性研究

以上海某出海閘為例，內(nèi)河設(shè)計高水位3.75m，外河平均低潮位0.16m。采用控制變量法，分別研究不同下游水位條件下消能特性(工況1、2、3)，與不同過閘流量條件下的消能特性(工況3、4、5)，模擬工況見表1。

表1 主要模擬工況

以工況3為例，數(shù)值模擬分析流場分布如圖2—3所示，物理模型試驗流態(tài)照片如圖4所示。

圖2 單級與二級消力池數(shù)值模擬縱向剖面流場—以工況3為例

圖3 單級與二級消力池數(shù)值模擬水平向剖面流場—以工況3為例

圖4 單級與二級消力池物理模型試驗閘下流態(tài)照片—以工況3為例

典型工況3，數(shù)值模擬及物理模型定量流速分布，分別如圖5—6所示。

圖5 單級與二級消力池平面平均流速分布(數(shù)值模擬成果)—以工況3為例

圖6 單級與二級消力池平面平均流速分布(物理模型成果)—以工況3為例

消能率的計算公式為：

η=(E1-E2)/E1

(1)

式中，E1—閘前總能量；E2—消力池末端總能量，包含了水流過閘能量損失。

流速分布均勻度的計算公式為：

(2)

各工況單級與二級消力池消能防沖定量分析見表2。

表2 各工況單級與二級消力池消能防沖定量分析

數(shù)值模擬分析及物理模型試驗在水流流態(tài)、流速分布、消能率、流速均勻度等方面的變化規(guī)律基本一致，由于物理模型試驗的數(shù)據(jù)采集密度與數(shù)值模擬存在差異，兩者的定量計算結(jié)果呈現(xiàn)一定差異，具體如下。

由圖2—4可知，水流流態(tài)分布為：①相同上游水位及過閘流量條件下，上下游水位差越大，閘下水流越急、流態(tài)越紊亂。②單級消力池水躍的躍首位于消力池斜坡中下段，池中存在回流區(qū)和局部水流集中現(xiàn)象，坎后形成較大的水面跌落區(qū)；二級消力池的一、二級池內(nèi)均有發(fā)生水躍，一級池躍首出現(xiàn)在消力池斜坡中下段，躍尾在一級池末端，二級池在前2/3范圍內(nèi)形成弱水躍，水流得到了明顯的均化，與下游水面銜接較為平順。③單級消力池水流漩渦主要發(fā)生在閘墩后側(cè)區(qū)域，二級消力池與其相比，在二級消力池首段的底部也出現(xiàn)大量漩渦，更有利于能量的消散。④單級消力池的水流流態(tài)紊亂，出池水流及海漫段水流流線的橫向波動幅度較大，且自表層至底層水流橫向波動逐漸增強(qiáng)；二級消力池出池水流及海漫段水流流線較為平順，橫向波動幅度明顯減小。水流流態(tài)分析表明，二級消力池更利于水流能量消散，出池水流與下游水面銜接更為平順，對下游水位變動的適應(yīng)性更強(qiáng)，適應(yīng)區(qū)間也更大。

由圖5—6可知，總體流速分布為：①單級消力池末端的流速分布呈大鋸齒狀，變幅較大，均勻性差；二級消力池末端的流速分布呈微波浪狀，變幅小，流速更為均勻。②上下游水位差越大，閘下流速橫向波動越強(qiáng)，流速梯度越大，但二級消力池整體流速梯度要小于單級。

由圖5—6及表2可知，立面流速分布為：①單級消力池末端流速呈表層小、底層大分布規(guī)律；二級消力池末端流速呈表層大、底層小分布，與天然河道水流垂向流速分布規(guī)律相似。②二級消力池可有效降低進(jìn)入海漫段水流的底層流速，數(shù)值模擬計算的底流速較單級消力池減小28%～40%，物理模型試驗計算的底流速較單級消力池減小42%～58%，可有效降低海漫段的沖刷風(fēng)險。立面流速分布表明，二級消力池對閘下水流垂向流態(tài)具有顯著改善效果。

由表2可知，消能率為：①沿海(江)水閘的弗勞德數(shù)較小，無論是單級消力池，還是二級消力池，消能率均整體偏低。②上下游水位差越大，消能率越高。③二級消力池較單級對消能率有一定提升作用，但提升效果有限，本研究數(shù)值模似計算結(jié)果提升幅度基本在10%以內(nèi)，物理模型試驗計算結(jié)果提升幅度在16%以內(nèi)。

由表2可知，流速均勻度為：①二級消力池末端的流速分布更為均勻，數(shù)值模似計算結(jié)果流速均勻度較單級提升6%～34%，物理模型試驗計算結(jié)果較單級提升3%～21%。②上下游水位差越大，消力池末端流速均勻度越差，二級消力池對流速均勻度的提升效果也越顯著。

三維數(shù)值模擬及物理模型試驗均表明，采用二級消力池可使內(nèi)外河水位由高到低較平順銜接，可改善水流流態(tài)，減小底層流速，降低閘下沖刷的風(fēng)險。

3 二級消力池消能影響因素研究

根據(jù)前節(jié)研究成果，雖然二級消力池對消能率有一定的提升效果，但作用更體現(xiàn)在對閘下水流流態(tài)的改善效果上，為進(jìn)一步研究二級消力池消能效果的影響因素，增加表3中7種研究工況。

表3 二級消力池影響因素分析計算工況

考慮到部分工況躍前斷面不典型，躍前水深、流速等在實際工程中也不易準(zhǔn)確計算，因此采用閘孔弗勞德數(shù)Fr進(jìn)行分析，以方便運(yùn)用。各工況下二級消力池消能率、消力池末端流速均勻度計算結(jié)果見表4。

表4 各工況二級消力池消能率及消力池末端流速均勻度計算匯總

根據(jù)表4計算結(jié)果，消能率與閘孔Fr及下游海漫末端Fr關(guān)系如圖7所示，消能率隨著閘孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。

圖7 消能率與閘孔Fr及海漫末端Fr關(guān)系

根據(jù)表4計算結(jié)果，消力池末端流速均勻度與閘孔Fr及下游海漫末端Fr關(guān)系如圖8所示，消力池末端流速均勻度隨閘孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 流速均勻度與閘孔Fr及海漫末端Fr關(guān)系(數(shù)值模擬成果)

4 結(jié)語

沿海(江)水閘閘下出現(xiàn)沖刷問題的現(xiàn)象比較普遍，設(shè)置二級消力池在應(yīng)對閘下尾水位變化的低Fr水閘消能問題中具有顯著優(yōu)勢。數(shù)值模擬及物理模型試驗成果均表明，二級消力池布置型式較單級消力池更加適合沿海(江)閘下水位變幅較大的水閘運(yùn)行條件，可使內(nèi)外河水位較平順銜接，提升消力池末端及海漫段的流速均勻度，降低底層流速，可有效降低下游沖刷的風(fēng)險。上下游水位差越大，二級消力池對水流流態(tài)的改善效果越顯著。二級消力池消能率與閘孔Fr及下游海漫末端Fr呈正相關(guān)關(guān)系，消力池末端流速均勻度與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究成果對沿海(江)水閘消能防沖設(shè)計及工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義，但對二級消力池的體型參數(shù)確定及消能率進(jìn)一步提升還需深化研究。