王繼東，顧 峰，謝政廷

（1.無錫市水利設(shè)計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023；2.新吳區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000；3.無錫市太湖新城置業(yè)有限公司，江蘇 無錫 214121）

1 引言

水是生活中不可缺少的物質(zhì)，也是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，我國是一個水資源總量豐富但人均總量稀缺的國家。近幾十年來，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了飛速發(fā)展，水利水電工程也度過了建設(shè)高峰期，水閘作為水利工程中重要的控制水流的水工建筑物，在水工建設(shè)和后期維護(hù)研究中起著不可忽視的作用。在我國，常用的輸水方式為渠道和管道輸水，水閘在渠道輸水中起著控制上下游水位、調(diào)節(jié)流量等關(guān)鍵性作用，水閘閘門啟閉組合和啟閉方式對渠道水流下游形態(tài)影響作用顯著[1]。閘門一般在外部電力設(shè)備作用下勻速開啟，但實(shí)際閘門啟閉過程經(jīng)常面對宣泄流量、季節(jié)性流量變化大等因素，通常采取水閘少數(shù)孔小度啟閉和對稱啟閉等方式，在這種啟閉方式下，渠道中的下泄水流在閘門后形成典型的三元水躍[2]。由于閘門孔的啟閉過程持續(xù)進(jìn)行，伴隨著閘門啟閉，宣泄水流量會持續(xù)增加或減少，由此造成閘門宣泄水流流態(tài)更為復(fù)雜[3]。流態(tài)復(fù)雜水流內(nèi)部水顆粒呈現(xiàn)雜亂無章的運(yùn)動流態(tài)，此時，閘后渠道極易在閘門啟閉過程中受到嚴(yán)重的沖刷，導(dǎo)致渠道受到侵蝕，進(jìn)而出現(xiàn)滲漏量加劇、渠道利用率降低等水資源問題，降低水工建筑物的使用年限[4]。消力池作為降低水流能量、削弱水流對渠道沖刷的重要水工建筑物被廣泛地應(yīng)用在各種泄水建筑物下游[5]。我國現(xiàn)行規(guī)范和水閘專著一般都是推薦按照二元問題進(jìn)行消力池設(shè)計，主要考慮水流在消力池內(nèi)的運(yùn)動流態(tài)為二元水躍和均勻運(yùn)動的三元水躍，由此確定下泄水流的躍后深度，對比躍后水深和渠道下游水深確定消力池的深度[6]。為了盡可能使閘后下泄水流特征滿足消力池設(shè)計原理，通常在消力池內(nèi)部修建導(dǎo)流墻保證下泄水流流態(tài)的均勻性，以達(dá)到最優(yōu)的消能效果，降低水流對渠道沖刷，延長渠道有效使用年限。

2 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

2.1.1 模型相似原理

選定江蘇某攔河閘為原型，利用相似原理，采取重力相似準(zhǔn)則建立幾何尺寸為1∶100的正態(tài)模型。其相關(guān)物理量參數(shù)比尺關(guān)系，詳見表1。

表1 相似模型物理量比尺關(guān)系

由此確定水力試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷l門寬度為8 cm，消力池長度Ls=19 cm、高度h=1 cm、下降段坡度為1∶4，模型具體尺寸如圖1所示。模型選用硬度較高的有機(jī)玻璃板材料，共有7個閘門，由蓄水池、閘門、消力池和下游渠道組成。

圖1 消力池模型立面圖和平面圖

2.1.2 水流參數(shù)計算

基于相似原理，可以直接測量出水力模型中不同部位對應(yīng)的水流。由于相似模型是在確定的水力條件下進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)，因此有利于水力模型確定水力條件計算出不同工況下水流深度，為水流流態(tài)評價提供依據(jù)。

水流水躍深度計算依據(jù)水流發(fā)生水躍前后2個斷面的水力特征進(jìn)行。基于恒定總流的動量方程，得到水躍前后斷面動量方程：

式中：ρ為水的密度（g/cm3）；Q為水流流量（m3/s）；β1，β2分別為水躍前后動量校正系數(shù)；v1，v2分別為水躍前后斷面水流流速（m/s）；P1，P2分別為水躍前后斷面動水壓力（Pa）；T為摩擦阻力（N）。

其中：

式中：A1，A2分別為水躍前后斷面面積別為水躍前后斷面形心水深（m）；γ為水的容重（N/m3）；其余變量含義同上。

將水流壓強(qiáng)參數(shù)代入式（1），可以得到明渠水躍方程：

式中：g為重力加速度（m/s2）；其余變量含義同上。

2.2 試驗(yàn)方案

為探究閘門啟閉過程中導(dǎo)流墻對宣泄水流流態(tài)特征的影響效果，特開展2組試驗(yàn)進(jìn)行研究，第一組試驗(yàn)為閘門在不同啟閉過程下閘后宣泄水流流態(tài)特征研究，具體試驗(yàn)方案詳見表2。

表2 閘門啟閉歷時

對水力模型中水位監(jiān)測主要從閘門前水位、閘門后水位和下游段水位分別進(jìn)行，閘門前監(jiān)測點(diǎn)選定在閘門前30 cm處（對應(yīng)于原型為閘門前30 m處），閘門后選定在閘門后20 cm處(位于消力池內(nèi)，對應(yīng)于原型為閘門后20 m處），下游段選定在閘門后85 cm處（位于海漫端部，對應(yīng)于原型為閘門后85 m處）。

第二組試驗(yàn)為在閘門后宣泄水流對消力池沖刷作用下導(dǎo)流墻對閘后水流流態(tài)特征的影響研究。試驗(yàn)時，確定上下游水流深度，調(diào)整導(dǎo)流墻長度，具體試驗(yàn)方案詳見表3。

表3 不同導(dǎo)流墻長度

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流態(tài)特征

依據(jù)水力模型，選定下游水位監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，下游水位變化如圖2所示。

圖2 不同啟閉條件下下游水位變化

從圖2可以看出，隨著水閘開啟時間逐漸延長，下游水位上升趨勢整體呈現(xiàn)先迅速上升、后緩慢上升、最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。對比不同啟閉歷時下下游水位變化趨勢發(fā)現(xiàn)，閘門開啟時間越短，下游水位開始上升時間節(jié)點(diǎn)越短，當(dāng)閘門開啟時間分別為30、180和300 s時，下游水位開始上升的時間節(jié)點(diǎn)分別為3、4.5、6 s，這一現(xiàn)象說明閘門開啟時間越短，上游水流宣泄過閘速度越快；隨著閘門開啟時間逐漸延長，下游水位上升速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢且上升時間也逐漸延長。當(dāng)閘門開啟時間由30 s延長至300 s時，下游水位迅速上升的時間節(jié)點(diǎn)由12.5 s延長至43.8 s，說明閘門提升歷時不同，水流過閘速率不同、流量不同，流態(tài)也存在較大的差異。閘門啟閉過程直接導(dǎo)致了過閘水流的復(fù)雜性。盡管閘門在不同開啟歷時下水流特征較為復(fù)雜，但是當(dāng)下游水位趨于穩(wěn)定時，渠道水位穩(wěn)定在特定深度，這一現(xiàn)象也體現(xiàn)了水流宣泄的歸一性，即水流過閘的過程雖然復(fù)雜，但是結(jié)果具有明顯的一致性。

3.2 導(dǎo)流墻影響

3.2.1 對三元恒定流的影響

第二組試驗(yàn)中，在不同導(dǎo)流墻長度條件下，利用前文水躍高度計算公式和水力模型試驗(yàn)對宣泄水流測量深度進(jìn)行對比分析，探討導(dǎo)流墻長度對水流流態(tài)特征的影響。第二組試驗(yàn)結(jié)果，詳見表4。

表4 躍后水深計算與試驗(yàn)值對比

將表4計算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，宣泄水流躍后水深在3.33～3.58 m，且計算值與實(shí)際值相差不大，這說明誤差非常小，驗(yàn)證了水力模型的合理性。

觀察流態(tài)特征發(fā)現(xiàn)，未設(shè)置導(dǎo)流墻時，過閘水流宣泄集中，主流主要集中在三孔水閘中部，水流下泄過程中，主流容易受到兩側(cè)水流擠壓，導(dǎo)致主流單寬流量增大，當(dāng)下泄水流到達(dá)消力池時，易在消力池兩側(cè)產(chǎn)生回流，回流會進(jìn)一步加劇對主流的擠壓作用，導(dǎo)致臨界水深進(jìn)一步增大。

設(shè)置導(dǎo)流墻之后，不同長度導(dǎo)流墻作用下水躍寬度如圖3所示。由圖3可以看出，增設(shè)導(dǎo)流墻之后，宣泄水流水躍寬度變大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)閷?dǎo)流墻增強(qiáng)了對水流的引導(dǎo)作用，減緩了兩側(cè)靜水壓對主流擠壓作用，降低了對應(yīng)的臨界深度。對比圖3中水躍寬度的增加與表4中躍后水深試驗(yàn)值隨著導(dǎo)流墻長度的增大而逐漸減小，說明導(dǎo)流墻的設(shè)置增加了下泄水流的水躍寬度，改變了下泄水流的表面流態(tài)，減弱了下泄水流對消力池的沖刷作用，且導(dǎo)流墻長度越大效果越明顯。

圖3 不同長度導(dǎo)流墻作用下水躍寬度

3.2.2 對三元非恒定流的影響

針對水閘啟閉過程中下泄水流的三元非恒定流問題，以第一組試驗(yàn)中閘門開啟時間為180 s、導(dǎo)流墻設(shè)置長度為0.5Ls為例探討閘門啟閉過程中導(dǎo)流墻對下泄水流的影響特征。由于三元非恒定流流態(tài)的復(fù)雜性及其在消力池內(nèi)部的擠壓，三元非恒定流對消力池的沖刷作用明顯大于三元恒定流的沖刷效果，特別是三元非恒定流的非穩(wěn)態(tài)作用，導(dǎo)致下泄水流易發(fā)生二次水躍，直接加深其對海漫部分的沖刷作用，因此選定閘門后60 m處斷面進(jìn)行分析，該斷面測試結(jié)果詳見表5。

表5 閘門開啟時間150 s內(nèi)水流流態(tài)特征

由表5可以看出，導(dǎo)流墻的設(shè)置可以有效避免下泄水流對主流的擠壓作用，降低下泄水流主流流速，且將下泄水流二次水躍位置提前。本次水力試驗(yàn)研究表明，未設(shè)置導(dǎo)流墻時，開閘第30 s，此時下泄水流處于加速階段，下游水位還未達(dá)到指定深度，對應(yīng)斷面水流流速為4.6 m/s，主流寬度約27 m；開閘第75 s時，此時下泄水流明顯處于受擠壓狀態(tài)，主流寬度被擠壓至24 m左右，對應(yīng)斷面水流流速為7.7 m/s，二次水躍距離消力池約72 m，對海漫段產(chǎn)生明顯沖刷作用；開閘第150 s時，此時主流被擠壓現(xiàn)象加劇，主流寬度約21 m，對應(yīng)斷面水流流速持續(xù)緩慢增大至8.1 m/s左右，二次水躍向消力池靠攏，距離消力池約68 m。設(shè)置導(dǎo)流墻后，在閘門開啟的整個過程中，主流被擠壓現(xiàn)象消失，此時主流寬度基本維持在26.8 m左右，且在閘門提起的過程中主流流速降低，二次水躍發(fā)生位置向消力池靠攏。選取開閘150 s的情況分析得出，主流最大流速降低至7.5 m/s左右，整體降低7.5%；二次水躍進(jìn)一步向消力池靠攏至63 m，整體降低7.4%。由此可見，導(dǎo)流墻的設(shè)計可以改變?nèi)呛愣鞯牧鲬B(tài)特征，降低其對消力池和海漫的沖刷作用，增加渠道的有效使用年限。

4 結(jié)論

筆者以相似原理為基礎(chǔ)，利用水力模型試驗(yàn)對江蘇某水閘不同啟閉歷時狀態(tài)下宣泄水流的流態(tài)特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了導(dǎo)流墻對閘后水流流態(tài)特征的影響，得到如下結(jié)論。

（1）閘門開啟放水過程中閘后水流是一個復(fù)雜的三元流形態(tài)，不同開啟歷時條件下，下游水深隨著閘門開啟時間增加呈現(xiàn)先快速上升、后緩慢上升、最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)；閘門開啟時間越短，閘后水流迅速上升越快；當(dāng)閘門開啟時間由30 s延長至300 s時，渠后水流迅速增加時間節(jié)點(diǎn)分別為12.5和43.8 s。

（2）三元恒定流水躍發(fā)生在消力池范圍內(nèi)，導(dǎo)流墻的設(shè)置降低了兩側(cè)水流對中間主流的擠壓作用，保證了水流的單寬流量，加大了水躍寬度，降低了躍后水深，降低了水躍對消力池的沖刷作用；導(dǎo)流墻越長，控制水流效果越明顯。

（3）三元非恒定流二次水躍發(fā)生在海漫段，導(dǎo)流墻的設(shè)置增加了對下泄水流的引導(dǎo)作用，降低了下泄水流流速，提前了二次水躍發(fā)生位置，降低了二次水躍對海漫段的沖刷作用。