瓯飞一期围垦工程北1#闸消能试验研究

韩晓维，包中进，陈益彬，吕有畅

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.温州市瓯飞开发建设管理委员会，浙江 温州 325000)

1 问题的提出

滨海水闸的运行条件较为复杂，其上、下游水位变化较大，闸门开启度变化频繁，水闸泄流由孔口出流到堰流、由射流到淹没射流，流态较为复杂，且滨海水闸基础一般为软土地基或淤泥质海涂，河床质的起动流速一般都很低，为0.8m/s甚至更低，极易被冲刷，需设置消力池、护坦、海漫、防冲槽等消能防冲设施进行闸下防护。但从已建的感潮闸运行情况看，大部分水闸闸下冲刷问题仍较严重，如消力池底板末端淘空、海漫段形成冲坑倒坡等，严重的甚至危及工程自身安全。

消能工的优劣直接影响水闸的使用效益。常规水闸消能工的设计常通过水闸设计规范［1］进行计算。该规范通过设计单宽流量以及上下游水位条件便可以初步计算出所需消力池的长度及深度。但是由于种种原因，直接套用规范公式进行消力池的计算往往存在一定的问题［2-4］，对于比较重要的水闸工程，仍需通过水工模型试验进行验证。周玉香等［5］认为低佛氏数情况下，水跃消能主要发生在跃后段，若采用底流消能，则需采用多级消力池或加长海漫长度等措施进行防护。陆芳春［6］等从水力学、底板水流脉动、运行冲淤及工程量等方面综合分析比较，认为曹娥江大闸一级消力池方案优于二级消力池方案。马孟华等［7］通过对平原进洪闸的试验研究，认为无坎的一级消力池可以改善闸下水流衔接的问题。梁跃平［8］认为当入流佛氏数在1.5～4.5范围内，水跃漩滚尚未充分发展，消能效率较低，能量较为集中，对下游冲刷严重，在消力池中加设辅助消能工，可使消力池的性能得到很大改善。当前技术成熟并被广泛应用的综合消力池主要有美国垦务局推荐的USBR-Ⅲ型、USBR-Ⅳ型，美国SAF型及BEHAVANI型消力池 (T形墩消力池)等，但这些技术成熟的消力池应用在超低弗劳德数、低水头、低尾水的情况下也很难达到令人满意的消能效果［8］。

本文提出的无翼墙二级消力池方案可以有效地起到减小闸下单宽流量、增大海漫末端水深、均化海漫段流速分布的效果，对于类似工程具有一定的参考价值。

2 工程概况与模型设计

北1#闸为瓯飞一期围垦工程6座排涝闸之一，位于北堤上，外海侧为瓯江。水闸为1级建筑物，主要建筑物按50a一遇洪水标准设计。闸室采用与海堤堤顶对齐的胸墙式结构。闸室顺水流方向长22m，净宽80m(10孔×8m)，闸室下游设二级消力池，第一级消力池长25m，池深为1.50m，池底高程为-3.50m;第二级消力池长25m，池深为1.50m，池底高程为-3.50m，底板厚1.00m。消力池下游设海漫，长25m，海漫坡度为1∶8，海漫末端高程为-5.00m，海漫后接防冲槽。消力池两侧无翼墙，左右各设置顶高程-2.00m的坎。消力池左岸直接与北堤抛石圆锥护坡相接，-2.00～-1.50m范围表面采用1.00m厚的合金笼网石兜，右岸与闸下中间防护区域相接。北1#闸闸上河道正常蓄水位为2.50m，外海侧平均潮位为0.29m，平均低潮位为-1.87m。工程平面剖面布置见图1。

整体模型按重力相似准则建立，几何比尺Lr=50，采用天然沙对闸下海床进行模拟。消能工况采用上游正常蓄水位2.50m和闸下平均低潮位-1.87m。

图1 北1#闸工程布置图 单位:m

3 消能方案的比选试验

3.1 方案布置

本文在二级消力池方案的基础上进行优化，比选方案见表1。

表1 消能比选方案布置一览表

3.2 闸下流态及冲刷形态

当下游潮位较低时，消力坎顶的水深可等同于宽顶堰过相同流量时的水深，此时外海潮位的高低对消力池内的消能形态理论上没有影响，消力池坎顶水深完全取决于单宽流量［4］。由于消力池两侧无翼墙，水流进入消力池内旋滚后有部分水流从两侧翻出，单宽流量沿程减小，坎顶水深也随之降低。各方案单宽流量由出池时的12.9m2/s降低至海漫末端的8.6～9.7m2/s，降低了25% ～33%，效果明显。当海漫末端在相同水深条件下，海漫末端单宽流量的减少会减弱闸下冲刷［1］，故无翼墙消力池方案对闸下冲刷有利。

由于单宽流量均沿程减小，各方案闸下消能效果主要在垂向上比较考虑水流流态与冲刷形态。图2为4种方案闸下消能工况流态及冲刷形态示意图。

图2 各方案闸下水流流态及冲刷形态图 单位:m

方案1:一级消力池内能形成稳定的掺气水跃，跃首平均流速为7.5m/s，Fr=1.80，为弱水跃，跃尾位于0+030m处，一级消力池坎顶平均流速为5.2m/s，Fr=1.05。水流翻过一级消力坎后跌落进入二级消力池，由于二级坎顶高程较高，池内跃首位置偏上游，未能充分利用消力池深度，池深偏深。经二级池消能后，二级消力池坎顶0+059.8m断面平均流速为4.7m/s，Fr=1.05。水流出二级池后在海漫上跌落，并在海漫末端附近形成弱水跃，但是由于跃后水深较下游潮位高，水流在跃后跌落，冲击防冲槽及下游海床，防冲槽收到砸击后高程降低，冲深约为1.20m，防冲槽下游为普遍冲刷，最大冲深约为4.30m。

方案2:与方案1相比，将二级消力坎高程降低0.50m。二级坎高程降低后，二级池内水跃跃首位置明显下移，消力池池深合适。外海潮位较低，二级坎高程降低后潮位仍然无法影响到消力坎出流，此时二级消力坎顶流速约为4.6m/s，Fr=1.01，与方案1相近。出池后水流跌落，同样在海漫上形成弱水跃，跃首位置较方案1下移，水流在跃后跌落，冲击防冲槽及下游海床，防冲槽冲深1.00m，防冲槽下游海床普遍冲刷，最大冲深约为4.90m。

方案3:将方案2的海漫末端高程抬高至-4.50m，其一、二两级消力池内流态与方案2相似，但是由于海漫末端高程抬高，下游尾水不足，海漫末端水跃为波状水跃。波状水跃跃前动能中有较大部分转化为波动能，水面蹿升跌落将淘刷抛石防冲槽及海床，此时防冲槽末端被冲毁，下游海床冲深可达7.10m，不利于闸下安全防护。

方案4:在方案3的基础上将海漫末端高程降低至-6.00m，其一、二两级消力池内流态同样与方案2相似，但是由于海漫末端高程降低，下游尾水较深，海漫上存在稳定的掺气水跃，水跃形态为弱水跃。经海漫段水跃调整后，海漫末端出流均为缓流，最大流速约为3.8m/s，Fr=0.60。完整水跃均发生在海漫段，水跃后水面与潮位衔接较好，虽仍存在一定范围的波动，但至防冲槽末端后波动基本消失，对下游影响较小。此时防冲槽基本完好，下游海床冲深较浅，约为2.20m。

3.3 消能率

在消能工况时，闸下出流共存在三级水跃，分别是一级池水跃、二级池水跃及海漫段水跃。消力池内各方案水跃均为弱水跃，消能率接近，主要区别在海漫段水跃的消能率。

消能率η可采用下式计算:

式中:E1为一级池跃首总能量，m，E2为计算断面的水流总能量，m。消力池消能率计算基准高程Z0取消力池底板顶高程-3.5m，海漫段消能率计算基准取海漫末端高程。

表2给出了北1#闸不同消能方案的消能率对比，采用方案4的闸下综合消能率最大达到47%，说明该方案的消能效果非常显著。由于消力池两侧无翼墙，当下游潮位较低时，池内水流翻出，使得沿程单宽逐渐减小，各级水跃消能率也逐渐提高。

表2 各方案消能工况消能率比较表 %

3.4 方案推荐

针对外海潮位较低情况下，选取闸下平均低潮位作为设计下游水位是合理的。需要解决的主要问题为消力池的消能率及水流与外海衔接的问题。方案4消力池内水流条件较好，且与外海潮位衔接顺利，无明显不利流态，闸下冲刷也较浅，故推荐方案4作为优化方案。

4 海漫末端高程的确定

由前述可知，当消能工况确定后，海漫末端水流流态将直接影响闸下冲刷形态，故改善其水流与外海的衔接流态成为此类水闸消能设计的重要参考。海漫末端高程的确定可通过水跃共轭水深初步确定，并通过模型试验验证。

平底矩形断面水跃共轭水深公式为:

若需要下游水流衔接良好，则海漫末端高程Z1需满足下式:

h″为跃后断面的水深，m;h'为跃前断面的水深，m;Fr1为跃前断面水流的佛氏数;Z1为海漫末端高程，m;Z0为消能设计的外海潮位，m。

本工程中试验测得海漫急流段Fr1=2.8，h'=1.10m，计算得到h″=3.80m，海漫末端高程Z1≤Z0-h″=-1.87-3.80=-5.70m。本工程取海漫末端高程为-6.00m＜-5.70m，海漫末端水深能够满足要求。

5 结语

瓯飞一期围垦工程北1#闸为滨海水闸，其外海侧直接排入瓯江口。平面布置采用无翼墙式消力池方案，可在闸下潮位较低时使闸下水流沿程扩散，减小单宽流量，减轻闸下冲刷。在消力池剖面设计中，主要应使消力池内流态保持稳定，并注意海漫末端水流与外海潮位的衔接。北1#闸共试验了4种消力池断面型式，只有当海漫末端高程降低至-6.00m后，海漫处水跃能与外海潮位顺利衔接，流态较好，冲深较浅。海漫末端高程可通过共轭水深公式进行初步估算。本工程消能工形式可供类似工程参考。

［1］中华人民共和国水利部.SL 256—2001水闸设计规范 ［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

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