基于有限元法的闸后折坡水跃数值研究

贾洪涛

(凌源市鑫盛水利建筑工程有限公司，辽宁 朝阳 122500)

基于有限元法的闸后折坡水跃数值研究

贾洪涛

(凌源市鑫盛水利建筑工程有限公司，辽宁 朝阳 122500)

水闸是水利工程中重要的基础设施，对水资源调度起着重要作用。一批建设于上世纪80年代的水闸频繁出现险情，多数事故是闸后消能结构不合理导致的。以大凌河流域十二官水闸消力池斜坡连接段为研究对象，利用有限元法对闸后折坡进行数值研究，得出了不同水位时的水跃参数。并分析消力池长度、斜坡连接段坡度对水跃的影响。研究结果可作为同等水闸消力池设计参考。

水闸;消力池;有限元法;水跃

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.014

水跃是河道水流中特有的水力现象，水跃伴随着大量气泡产生，气液两相流不断翻转运动，而下部的单液相则是快速流动，中间必然涉及到边界层问题［1］。水跃发生后，流速从高速流向低速流过渡，河流内水深从临界水深以下向临界水深以上过渡。

水跃过程伴随着能量转化，河流的动能向内能转化，并伴随着放热，因此这个过程存在较大的能量损失［2-3］。但并不是所有的损失都是有害的，利用水跃的特性可以降低水流对下游河床的冲击，因此水闸、水坝等水利基础设施都会修建消力池、陡坡等消能结构引起水跃。水跃越剧烈，证明该消能结构的效果越好。

水跃强度取决于弗劳德数Fr和消能系数Kj，根据这两个参数的大小，将水跃分为5种［4-6］。当消能系数很小且弗劳德数在1～1.7时，水面无翻滚，此时为波状水跃;当消能系数较小且弗劳德数在1.7～2.5时，水面有轻微翻滚，此时为弱水跃;当消能系数小于0.44且弗劳德数在2.5～4.5时，水面开始出现明显翻滚，此时为摆动水跃;当消能系数小于0.7且弗劳德数在4.5～9时，此时为稳定水跃;当消能系数大于0.7且弗劳德数大于9时，水面剧烈翻滚，此时为强水跃。

以大凌河流域十二官水闸消力池斜坡连接段为研究对象，利用有限元法对闸后折坡进行数值研究，得出了不同水位时的水跃参数。并分析消力池长度、斜坡连接段坡度对水跃的影响。

1 消能结构现状分析

1.1 工程概况

十二官水力自动翻板闸的闸底为梯形宽顶堰，堰高0.4m，堰宽2.0m，消力池长3.0m，基础深2.0m，堰体下部用浆砌石砌筑，上部用混凝土，混凝土浇筑厚度300mm。下游消力池及海漫基本冲毁，现阶段下游段部分被淤泥覆盖，消力坎部分缺失，剩余部分混凝土层剥落。下游石笼防冲槽已基本冲毁，石块错乱的堆放在一起。

由于闸室渗透稳定不满足要求，消能防冲设施全部冲毁;闸前淤积严重，几乎与闸门顶齐平，使闸门在洪水情况失去翻转功能，另有闸门支撐轴锈蚀等原因，导致闸门不能自动翻转，失去闸门应有的功能;又因消能设施全部被冲毁及河道淤积抬高河床高度，造成护坡受到严重冲刷破坏。

1.2 消力池水力计算

消力池深度:

其中跃后水深为:

出池落差为:

式中:σ0为水跃的淹没系数，一般取1.05～1.10;hc为水跃收缩水深;α为动能修正系数;q为过闸流量;b1为消力池首端的宽度;b2为消力池末端的宽度;T0为消力池总势能;h′s为出口水深;φ为流速系数，取0.95～1.0。

以上公式计算的前提条件是产生完全水跃。每一种运行工况，首先应判断是否产生完全水跃，水跃采用弗劳德数来判断，采用以下公式计算。

泄水建筑物上游总能头为:

流速系数为:

收缩断面弗劳德数为:

式中:E为上游水位至坝址的铅直距离;hc为收缩水深。

由于运行工况较多，需满足各种条件下的运行［7］。通过计算，消力池池深较小，考虑下游河道清滩后，将改善河道过流能力，下游水垫变薄，防止不对称开启闸门时局部破坏，并结合已建工程消力池经验，确定消力池池深为0.6m。

消力池长度为:

式中:Lsj为消力池的长度;β为水跃长度的修正系数，一般取0.7～0.8。

随后计算消力池始端底板的厚度:

式中:q为单宽流量;ΔH′为上游、下游间的水位差;k1为修正系数，一般取0.15～0.20。

2 闸后折坡水跃数值模拟

2.1 水位对水跃参数影响

在水闸的运行过程中，上下游水位会对水跃产生影响。为了便于分析，将上游水位设置为固定值，由此算不同下游水位时的水跃参数。假设水闸的开度为0.68m，上游水位为24.58m，下游水位分别 为 18.73m、19.23m、19.73m、20.23m、20.73m、21.23m、21.73m。

通过建立模型，并基于ANSYS有限元软件对其进行计算，得出不同下游水位下的水跃水头沿程变化曲线，见图1。

图1 不同水位下水跃水头沿程变化曲线

由图1可以看出，当下游水位为18.73m和19.23m时并未出现水跃，说明下游水位低于19.23m时不能出现水跃。

2.2 消力池长度对水跃影响

消力池斜坡连接段是消能结构中的重要部分，其用于引导水流产生较大水跃从而降低河流对下游河床的冲刷。假设水闸的开度为0.68m，上游水位为24.58m，下游水位为21.73m，将五种工况的消力池长度分别设置为:10m、12m、14m、16m，由此计算得出不同消力池长度下的水跃水头沿程变化情况，见图2。

图2 不同长度下水跃水头沿程变化曲线

由图2可知，4条沿程曲线在共有段基本是重合的，这就表明消力池长度不会对水跃形态产生影响。对于本工况，即使消力池长为10m，也满足要求。

2.3 斜坡连接段坡度对水跃影响

考虑到辽宁省内大多数水闸斜坡连接段坡度较小，因此本节研究坡度对水跃参数的影响。假设水闸的开度为0.68m，上游水位为24.58m，下游水位为21.73m，消力池的长度定为15m，6种工况的消力池坡度分别为7.69°、8.09°、8.53°、9.03°、13.21°、30°。根据设计规范要求，水闸斜坡坡度不应该大于0.25，可见只有工况1到工况4是满足要求的，工况5为临界值，工况6超标。

由此计算得出不同坡度下的水跃水头沿程变化情况，见图3。

由图3可知，工况5和工况6的水跃波动十分剧烈。对于工况1到工况4，随着坡度的增加水跃断面不断往前移动。

TV66

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1672-2469(2016)08-0040-02

2015-03-07

贾洪涛(1981年—)，男，工程师。