多孔拦河闸的水力特性研究

唐 帅，刘亚坤

(大连理工大学 建工学部 水利工程学院， 辽宁 大连 116024)

多孔拦河闸的水力特性研究

唐 帅，刘亚坤

(大连理工大学 建工学部 水利工程学院， 辽宁 大连 116024)

为了研究拦河闸的水力特性，针对某拦污工程，通过1∶70整体水工模型试验，对各工况下拦河闸的流态、流速、流量和冲刷等水力学参数进行对比分析，得出流量系数、冲坑范围和深度及上游水位壅水高度，对多孔拦河闸的泄洪能力、消能防冲和上游淹没进行验证，进而对原方案运行方式、电站船闸处导墙长度进行优化设计并提出合理的建议。优化结果表明：拦河闸进水平顺，水面光滑衔接，流速分布合理，流量满足要求；下游流态良好，冲坑深度和冲坑下游坡度满足要求；上游淹没范围满足要求。该研究可对类似工程理论分析及设计提供参考价值。

模型试验；多孔拦河闸；水力特性；泄流能力；消能防冲；淹没

低水头拦河闸水利枢纽通常包括：泄洪闸、电站和船闸，一般都具有行洪、通航、发电的功能，三者的布置问题影响泄流能力[1]。低水头拦河闸初始泄流时，闸下水深较大，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，由于拦河闸的束水和壅水作用，水流形态比较复杂，下游容易产生冲刷，当下游水位升高时，产生淹没溢流，影响过闸流量，引起上游水位壅高，造成土地淹没[2]。拦河闸的泄流能力、消能防冲和上游淹没问题是实际工程中值得思考的问题[3-6]。

1 工程概况

本工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。永久性主要建筑物拦河闸、船闸、电站、左右岸连接段级别为2级；次要建筑物码头、清漂工作平台及道路物级为3级，船闸导航墙级别3级。

本工程类别为综合利用的水利工程，拦河闸为宽顶堰，根据河道宽度，共布设18孔拦河闸和1孔溢流闸，拦河闸单孔净宽12.0 m，闸墩厚3.0 m，门高14.0 m，闸底板高程287.50 m。溢流闸单孔净宽12.0 m，闸墩厚3.0 m，门高14.0 m(分7节)。船闸位于拦河闸左侧，净宽12.0 m，总宽24.0 m。电站位于拦河闸右侧，总宽60.4 m。左右岸岸坡采用挡水坝段与船闸坝段及电站坝段连接，工程的立面图和整体平面图见图1和图2。

图1 某拦污工程立面图

图2 某拦污工程整体布置图

2 模型设计及试验方案

2.1 模型设计

试验使用一套自循环供水系统(地下水库、水泵、水箱、供水管路)组成。

该多孔拦河闸模型试验设计[7]按弗劳德重力相似准则，并考虑阻力相似，模型比尺为1∶70。溢流闸、电站、船闸结构段均采用有机玻璃制作。下游设置闸板控制下游水位，采用矩形薄壁堰测量流量，用南京水科院LGY-Ⅱ型智能流速仪测量流速。

上下游河道采用水泥抹面，按工程坝址处地质剖面图及各岩土层分布，分层铺设模型砂料进行动床整体模型试验研究。国内外对基岩挑流冲刷现象的物理模型都曾做过不少研究，但至今为止,对基本模型律和模拟方法仍无公认的结论。大多数认为,基岩总能由节理裂隙分割成块,岩块在不平衡动水压力特别是缝隙脉动压力作用下丧失稳定而失稳,是冲刷破坏的主要原因。散粒体模拟法是应用最早、最广泛采用的一种基岩冲刷模拟方法。采用此法的可冲动床用沙、砾、卵石或碎石等散粒体铺成，并与原型河床地形宏观几何相似,而水流条件则按重力相似准则设计[8]。本模型试验也以散粒体模拟岩基。按伊兹巴伸公式V=(5～7)D0.5来选取模型动床石料粒径，强风化层抗冲流速3.5 m/s，故在高程273.1 m～280.0 m范围内铺设厚度为100 mm、粒径为5 mm的石料；弱风化层抗冲流速6.0 m/s，故在高程260.0 m～273.1 m范围内铺设厚度为187 mm、粒径为14 mm的石料。

2.2 试验方案

本试验进行10组方案研究，对应实际工程中的常见的正常蓄水位下各运行工况，在原工况及优化方案(电站处导墙加长，19#闸墩加长，1#与18#闸墩之间加宽尾墩)下观察工程的过流流态，分析流速、流量、流量系数、下游冲刷和上游淹没对工程的影响，确定工程最佳运行方案。

3 试验结果及分析

3.1 流态与流速

宽顶堰自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃，消能率较低，但利于泄洪，泄流能力比较稳定，结构简单；挑坎处连续式消能时，水舌比较集中，对下游河床冲刷不利，但不易空化空蚀、施工简单[9-10]。本工程采用宽顶堰泄流，连续式鼻坎挑流消能。泄流时，观察到水流通过拦河闸时有明显的侧收缩，水面进口形成水跌，闸门槽处形成漩涡，在下泄段，反弧切点附近的水流飞出边墙，在闸墩下测形成雍高，在反弧段，水流流速大，水较浅，水面低，水流稳定抛出。经过观察，各工况下，水流流态比较平顺，流态较好。

正常库水位时，19孔闸门全开时，纵向流速最大值为10.13 m/s，横向流速最大值为5.94 m/s；19孔关闭，纵向流速最大值减小为5.41 m/s，横向流速最大值减小为1.50 m/s，下游船闸附近纵向、横向流速会大幅度减小。

正常库水位时，上游船闸导墙附近的流速都很小，纵向流速在0.11 m/s～1.43 m/s之间，横向流速在0.12 m/s～0.86 m/s之间；下游船闸横向流速也不大，在0.00 m/s～0.31 m/s之间。因此上下游船闸导墙可适当缩短。

电站上游拦沙池中流速都很小，最大为0.64 m/s，最小为0.20 m/s，可以忽略其影响。

3.2 泄流能力及流量系数

泄流能力关系到能否充分发挥水闸的兴利作用,并保证枢纽安全运行，特别是淹没度较大的情况下，确定好泄流能力，可减少上游建筑物及庄稼的淹没，同时能够节省工程投资，减小泄洪建筑物的规模[11-12]。

泄流能力是通过泄流量的大小来衡量的，而决定泄流量大小的主要因素是流量系数的大小，要根据闸坝泄流的边界条件寻求一个适应的流量系数，以便调整闸门满足渲泄流量，在确定下游消能设施的布置时也要知道准确的渲泄流量。对于低堰，除了流量系数以外，控制下游水位与流量、测试上游水位与设计值的差别进行判断比较常用。本节主要确定流量系数对泄流能力的影响，下游水位按照闸下200 m水位流量关系进行确定。拦河闸进口为宽顶堰，多孔宽顶堰流公式一般为：

(1)

其中：m为综合流量系数；H为堰上水头；n为开孔数。

将工程中实测的流量及流量系数列于表1，从表1中可以得出：

(1) 每孔单独泄流的流量系数为0.381最大(工况3)；19孔联合泄流时，由于各闸孔相互影响流量系数变小为0.316(工况1)；导墙延长使得第18孔出口水深增大淹没度增加因此流量系数稍有减小(工况2)。

表1 各工况下的流量和流量系数

(2) 6个奇数孔泄流(工况4)，由于相互影响减小，因此流量系数也增大。

(3) 关闭19孔(工况5)，流量系数增加，说明此孔流量没有达到平均值，即比其它单孔流量小，主要是上游船闸导墙阻水的影响，使该孔泄流能力减小。

(4) 由于加设宽尾墩，流量系数也有所减小(工况6、7、8、9、10)，此工程河道比较开阔，孔数较多，共19孔，宽尾墩只加了两孔，对泄流能力的减小影响不大，故建议在1孔和18孔之间加宽尾墩

(5) 19#闸墩加长，流量没有变化，故19#闸墩加长没有作用，保持原先设计；电站处导墙长度影响过流流量，导墙越长，过流流量越小，但是导墙越短，电站下游冲坑越大。经过比较选择导墙加长50 m。

3.3 下游冲刷

由河流建筑物、渠道几何边界对水流的干扰或动力输沙的不利影响在非加固河底引起的局部刷深称之为冲刷坑[13]。水利枢纽的建筑改变了原有的水流形态，大量的泥沙由于上游水库蓄水淤积在上游河床，使下泄水流夹带大量下游河床上的泥沙流动，引起下游河床冲刷下切，局部冲刷坑的范围对水工建筑物本身的运行安全和效益有重大影响[14]。

低水头、大流量泄洪闸[15]泄洪时下游冲刷受下游水位影响很大，原始工况下发现1#、19#处下泄水流波动大，下游冲刷严重，危机电站、船闸运行，考虑到减少电站尾水处的淤积和对船闸下游的冲刷，建议在1孔和18孔加设宽尾墩；同时由于19孔对于船闸下游的冲刷影响较大，建议不开启19孔。

泄流单宽流量对下游的冲刷深度也有影响。选取上游水位297.94 m、301.14 m、303.14 m、305.58 m，对应的流量分别为558.18 m3/s、848.83 m3/s、1 033.04 m3/s、1 273.26 m3/s。流量与冲坑的关系见图3与图4。

图3 下泄单宽流量与冲刷坑底高程关系图

图4 下泄单宽流量与冲刷坑距坝前距离关系图

冲刷位置影响大坝的运行及安全，各个运行工况下的下游冲坑的位置、深度及下游坡度见表2，表中位置为距离坝前(0+032.80)的距离。地形云图见图5。

表2 各工况下冲坑位置、深度及下游坡度

(1) 从图3和图4中可以看出随着单宽流量的增加，冲刷坑的底部高程减小，冲刷坑距坝前的距离增加。

(2) 电站导墙不加长，冲坑坑距为47.9 m，冲坑最低高程变为265.4 m(工况1)，电站导墙增加至10 m，冲坑坑距为50 m，冲坑最低高程变为269.2 m(工况5)，电站导墙增加至50 m，冲坑坑距为53 m，冲坑最低高程变为270 m(工况10)，而电站处导墙增加至80 m，电站附近冲坑的坑距变为62.86 m，冲坑最低高程为273.14 m(工况6)，从中可以看出电站导墙越长，最大冲坑位置离大坝根基越远，对大坝安全越有利。

(3) 19孔全部运行，船闸冲坑坑距为47.14 m，最低高程269.79 m(工况9)，关闭19孔时，船闸冲坑坑距为64.89 m，最低高程272.89 m(工况7)，考虑到19孔流量系数较小，故运行时关闭19孔。

图5 各工况地形云图

(4) 前三个工况由于电站处导墙较短导致冲坑过大，19#闸墩延长导致船闸附近冲坑过大(工况6)，其余都满足冲刷坑下游坡度小于(0.2～0.4)的要求。

(5) 单孔泄流，因泄流在中孔，因此上游河床及下游抛石处均未见明显冲刷，船闸、电站导墙附近未见冲刷。最大冲刷深度发生在溢流闸下游48.57 m处，冲坑底高程为272.75 m(工况3)。

(6) 正常库水位下，中孔附近的冲刷底高程都在271 m以上，冲刷坑后坡都小于0.4，满足规范要求，故中孔附近冲刷不会危及大坝安全。

(7) 冲刷较小时，2种石料混合较少；冲刷较大时，冲刷坑周围石料相互混合，下游由于流速较小，石料基本没有混合。

3.4 上游淹没

在河中建造拦河闸，河道束窄，必然会引起上游库水位的升高，造成一定范围的淹没。在回水范围内，耕地淹没，工厂、公路设施需要拆迁，城镇需要迁建，居民需要迁移。估算淹没范围的大小能减小工程造价，是解决库区移民的重要举措。

本工程实测了洪水频率5 a、20 a、100 a、1000 a工况下流量和下游尾水位一定时上游库水位的壅高值，见表3。

表3 不同频率洪水的上、下游水位关系

从表3可以看出，5年一遇洪水下，上游水位壅水最高为0.19 m，涨幅较小，满足工程需要。

4 结 论

(1) 本文采用弗劳德相似准则对某拦污工程进行整体水工模型试验研究。研究结果表明各泄流工况下，拦河闸的水流比较平顺，流态较好，流速分布合理，流量满足要求。

(2) 正常库水位，关闭19孔，船闸下游附近纵向、横向流速会大幅度减小，冲刷变小。在1#与18#加宽尾墩，虽然流量系数减小，但下游流态变好，冲坑减小。电站处导墙长度影响电站附近冲刷，导墙越长，冲坑越小，但电站导墙加长不要超过50 m。故经过对比，建议关闭19孔，在1#与18#加宽尾墩，电站处导墙加长50 m。

(3) 由于船闸上游处纵向与横向流速较小，可以减小上游船闸导墙的长度。随着单宽流量的增加，冲刷坑的底部高程减小，冲刷坑坑距越远；上游淹没在要求范围内。

[1] 邱 静,杜 涓,黄本胜,等.低水头拦河水利枢纽布置的探讨[C]//周连第，邵维文.第十七届全国水动力学研讨会暨第六届全国水动力学学术会议文集.北京：海洋出版社，2003.

[2] 林继镛.水工建筑物[M].5版.北京:中国水利水电出版社,2009.

[3] 梁汉华,王振宇,刘西军,等.温头口电站整体水工模型试验研究[J].中国农村水利水电,2004(2):70-72.

[4] 张绪进,樊卫平,张厚强.低闸枢纽泄流能力研究[J].水利学报,2005，36(10):1246-1251.

[5] 张海光.多孔拦河闸坝泄洪方案水力特性研究[J].水利科技,2007(3):37-39.

[6] 王丽雯,刘 达,邱 静.赤吟水闸枢纽工程水工模型试验研究[J].广东水利水电, 2013(6):16-18.

[7] 赵燕华，张金明，黄志文.北河桥闸工程水工整体模型试验研究[J].水利与建筑工程学报,2013，11(4):165-169.

[8] 郑慧洋，王英伟，安 伟.低水头消能防冲试验研究[J].水利水电工程设计,2006,25(2):2-4.

[9] 袁 伟.低佛氏数消能工的水力特性研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[10] 刘亚坤.水力学[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[11] 田 艳,胡智超.浅析泄水建筑物的泄流能力[J].科技信息,2008(18):485-486.

[12] 张厚强.中低水头闸坝枢纽泄流能力及综合消能措施研究[D].重庆：重庆交通大学,2004.

[13] 迪 茨，常克强.冲刷模型试验[J].水利水运工程学报，1977(3):70-90.

[14] 刘向宇.当卡水电站下游局部冲刷坑深度试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2014.

[15] 潘旭东,郭 宇.山口水电站泄流能力及消能方式研究[J].水利与建筑工程学报,2012，10(2):46-49.

Hydraulic Characteristics of Porous Sluice

TANG Shuai, LIU Yakun

(CollegeofHydraulicEngineering,FacultyofConstructionEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

This paper studied the hydraulic characteristics for a certain sluice by a 1∶70 overall hydraulic model test in which the sluice flow, flow velocity, flow and erosion characteristics are compared and analyzed, it also derived the flow coefficient, scour range and depth and upstream water level rising height size. We include the validation of the porous sluice discharge capacity, energy dissipation and erosion control and upstream flood scope. According to the results of the experiment, it was carried out on the original design scheme optimization design, and reasonable suggestions were proposed. Results show that the river sluice inlet flow pattern is good and the water flow is smooth, the velocity distribution is reasonable and the flow meets the requirement; the downstream flow pattern is good, the depth of the scour pit and the back slope also meet the requirements; the upstream flood scope meets the requirement. The research can provide reference for similar engineering.

model experiment; porous block penstock; hydraulic characteristics; discharge capacity; energy dissipation and erosion control; flooding

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.016

2017-02-03

2017-03-03

国家自然科学基金项目(51479022)；国家自然科学基金项目(51179021)

唐 帅(1991—)，男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向为工程水力学。E-mail:18340864040@163.com

刘亚坤(1968—)，女，黑龙江讷河人，博士，教授，博导，主要从事工程水力学教学与科研工作。E-mail: liuyakun@dlut.edu.cn

TV698

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1672—1144(2017)03—0081—06