某攔河工程泄洪閘設(shè)計方案對比分析

◎ 馬國文 新疆水利水電勘測設(shè)計研究院

1.工程概況

某輸水工程位于新疆烏魯木齊市以東，為Ⅰ等大（1）型工程，設(shè)計引水流量達(dá)到58m3/s，設(shè)計洪峰流量2250m3/s，洪水標(biāo)準(zhǔn)按照50年一遇設(shè)計。結(jié)合工程實際地形、地質(zhì)條件，攔河閘工程總體采用“正面泄洪、側(cè)面引水”布置形式。

2.泄洪閘兩種設(shè)計方案介紹

本文所述攔河工程項目中泄洪閘的設(shè)計參照其他工程經(jīng)驗，共設(shè)計出兩個方案，其具體參數(shù)見下表1所示。由此可知：方案二相對于方案一，泄洪閘工程量增大明顯，在此對比分析兩個方案在重要指標(biāo)上的不同。

3.兩種設(shè)計方案主要指標(biāo)對比分析

3.1 兩方案泄流能力對比分析

泄流能力是泄洪閘最核心的指標(biāo)之一，泄流能力不足可能會給整個樞紐工程帶來安全隱患，尤其是夏季洪水爆發(fā)期。計算泄洪閘泄流能力Q，按照閘門全開計算，此時可將其看作寬頂堰，計算公式見（3-1）。

式中：m—綜合流量系數(shù)；

n—閘門個數(shù)；

b—單個閘門寬度，m；

H—過水高度，m。

表1 泄洪閘兩種設(shè)計方案參數(shù)對比分析

表2 上游水位與泄流量、綜合流量系數(shù)對比表

其中m值越大，說明泄洪閘泄洪能力越強，在此分別按照上游水位四種不同工況來計算兩種方案的泄流量和m值，具體結(jié)果見表3所示。

由表2可知：①隨著上游水位逐漸增加，兩種方案的泄洪量、流量系數(shù)m也在逐漸增大；②在相同水位下，兩種方案的流量系數(shù)m差別很小，泄洪量方案二略大于方案一；③從水位-流量關(guān)系曲線可知隨著水位增大，兩方案的泄洪量差距越來越大，表明方案二更有利于整個樞紐的安全穩(wěn)定，不過方案一在50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下也是完全滿足安全要求的。

3.2 兩方案水流流態(tài)對比分析

本項目采用“數(shù)值模擬（Ansys CFD）+試驗?zāi)Ｐ汀狈椒▉頊y定兩種方案下的水流流態(tài)，共設(shè)置了9處測點，上游3個、閘門處3個、下游3個。限于篇幅，在此只對工況一、工況四的水流流態(tài)進(jìn)行分析。

（1）工況一（上游水位698.945m）水流流態(tài)對比。當(dāng)上游水位為698.945m時（上游水頭1.74m），生態(tài)閘和引水閘均處于關(guān)閉狀態(tài)，溢流堰也不過流，泄洪閘全部打開進(jìn)行泄洪。

兩方案各測點數(shù)據(jù)見表3所示，由此可知：①兩方案泄洪閘下游的水流均處于較平穩(wěn)狀態(tài)，無較大波動；②兩方案的區(qū)別在于6#、7#、8#三處探測點，其中方案一在6#測點處有一個較明顯水躍，而方案二水躍點推遲到了7#點處，位于消力池中部位置。這樣更有利于保護閘門系統(tǒng)不受水流流態(tài)影響；③同一個測點處，方案二相對于方案一流速一般較小，尤其是6#、7#點明顯，可知方案二的消力效果更好。

（2）工況四（上游水位701.901m）水流流態(tài)對比。當(dāng)上游水位為701.901m時（上游水頭4.71m），生態(tài)閘和引水閘均處于關(guān)閉狀態(tài)，溢流堰也不過流，泄洪閘全部打開進(jìn)行泄洪。

兩方案各測點數(shù)據(jù)分別見表4所示，由此可知：①兩方案均出現(xiàn)水流波動問題，其中方案一出現(xiàn)在消力池尾部，方案二出現(xiàn)在消力池中部；②前4處測點，方案一波動相對于方案二更大，不利于泄洪閘穩(wěn)定；③總體來看，兩方案的最大區(qū)別點依然是5#、6#、7#三處測點，方案二在這三點處水深、速度都較大，說明把消力工作大部分都交給了下游消力池，而方案一在未到達(dá)消力池時便形成較多絮流，雖然也可消能，但對底板沖蝕較嚴(yán)重。

3.3 兩方案泄洪閘水躍消能率對比分析

利用水躍來消除水能，降低對下游設(shè)施的沖擊，也是水力消能的重要組成部分。為了簡便計算，本項目把泄洪閘全斷面水流看作均質(zhì)。在此引入消能率λ來對兩方案躍水消能效果，計算公式見（3-2）。

式中：E1—上游1-1斷面總能量（統(tǒng)一換算成長度單位），m；

表3 工況一9個探測點所得數(shù)據(jù)結(jié)果對比

表4 工況四9個探測點所得數(shù)據(jù)結(jié)果對比

表5 四種不同工況下兩方案水躍消能參數(shù)

E2—下游2-2斷面總能量，m；

P—上、下游底面高差，m；

H1、H2—上、下游水面高差，m；

a1、a2—上、下游水流斷面面積，m；

v1、v2—上、下游水流速度，m/s。

本項目泄洪閘在四種不同工況下，兩方案水躍消能參數(shù)見下表5所示。由表6數(shù)據(jù)可知：①隨著上游水位增加，兩方案水躍消能系數(shù)λ均在逐漸增大，表明消能效率不斷提高；②在不同工況下，方案二的水躍消能系數(shù)始終大于方案一，表明方案二更有優(yōu)勢。

4.結(jié)語

通過對比兩個泄洪閘設(shè)計方案在泄洪能力、水流流態(tài)、水躍消能等方面的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)方案二的各項參數(shù)表現(xiàn)均好于方案一，不過方案一也能夠滿足設(shè)計要求，在此建議在成本預(yù)算允許的前提下，本項目泄洪閘工程采用方案二設(shè)計。此外，由于主要依據(jù)為理論公式和模型試驗，與實際情況可能會存在一定差異，在實際施工時還需要考慮實際地形、地質(zhì)條件，兼顧泄洪閘設(shè)計的科學(xué)性和經(jīng)濟性。