某水闸结构导流墙对水流状态的影响研究

戴正才,胡 明,吴玉洁

(江苏省响水灌河地涵管理所，江苏 响水 224600)

在中小河流上，水闸是一种常见的水工建筑物，其用于对水流进行控制[1]。水闸在运行过程中，要控制下泄水流状态在合理的范围内，而消力池是水闸泄流中一种有效的消能方式，同时在消力池下游一般还设有消力坎，以提高消能效果[2]。如果经消力池未能进行有效的消能，一般在消力池下游还设置有海漫，海漫用于对水流进行后续消能，但不是主要的消能方式[3]。在研究水闸下泄水流的过程中，研究水流的流动状态是一项重要工作[4]，通过研究流动状态，为消力池、海漫、下游护岸的设计提供科学依据。为了改善水闸下泄水流的状态，导流墙常设置在一些水闸结构中。一般情况下，导流墙都设置在水闸下游的消力池中，而导流墙的结构需要满足实际水闸结构的要求。由于导流墙对下泄水流状态有重要影响，如果导流墙设计的合理，其不仅可以保证消力池具有良好的消能效果，而且可以保证下游海漫的水流流速在允许不冲流速的范围内。关于导流墙方面的研究中，牛云峰[5]从设计优化的角度对水闸导流墙进行了研究；李博杰[6]对溢洪道中设置导流墙改善水流状态的作用进行了分析，结果表明，如果导流墙设计的合理，对于提高消能效果，降低水流冲刷具有显著的作用。目前在较多的溢洪道中都设置有导流墙，以使水流平顺的进入溢洪道或改善下泄水流的状态[7-9]。

对于水闸中设置的导流墙，考虑多种不同运行工况时，下泄水流状态方面的研究较少。因此，本文以某多孔水闸结构导流墙为例，研究下泄水流状态受导流墙的影响，设置不同的闸门开启方式和不同长度的导流墙，采用模型试验和数值模拟相结合的方法进行研究，分析导流墙对消力池和海漫上部水流状态的影响，最终确定合理的导流墙形式，并给出该水闸的合理运行方式。

1 工程概况

某水闸位于江苏某河流上，包含7个闸孔，水闸枢纽组成有：闸门、闸墩、启闭设备、消力池、海漫等。根据水闸的实际尺寸，制作水闸的结构模型，模型采用透明的亚克力板，确定的几何比尺为1∶100，水闸原型的主要尺寸如下：闸孔宽8 m，消力池长19 m，消力池深度1 m，消力池斜坡坡度1∶4，由此确定相应的结构模型尺寸分别为8 cm、19 cm、1 cm。模型试验中的其他参数根据三大相似准则确定[10]，如图1所示，为水闸的结构模型。

2 导流墙对水流状态的影响

在设计试验方案时，分别拟定不同的导流墙长度Ld，具体为消力池池长Lx的0.50、0.60、0.75、1.00倍，对应的原型长度分别为9.50 m、11.40 m、14.25 m、19.00 m。对恒定流状态进行分析，上游水深控制为7 cm，闸门开度控制为1 cm。闸门开启分为两种形式，一种是连续对称开启三孔，一种是开启单孔，根据水位与流量关系，两种开启形式对应的下游水位分别应控制为2 cm和1 cm。为了进行对比，将没有导流墙的工况也进行模拟。

2.1 消力池中的水流状态

对上面的试验工况进行模型试验，同时在CFD软件中建模并进行数值模拟，得到跃后水深的试验结果和数值模拟结果，根据比尺换算到原型尺寸，如表1所示。如图2和图3给出了开启单孔和三孔时，没有导流墙和导流墙长度为消力池长度0.5倍的水深数值模拟结果云图。

表1 不同工况下模型试验和数值模拟的跃后水深

图2 开启单孔时的水深数值模拟结果云图

图3 开启三孔时的水深数值模拟结果云图

从表1可以发现，不同工况下开启三孔时的相对误差为1.75%～3.90%，开启单孔时的相对误差为1.11%～2.51%，相对误差较小，说明了模型试验结果是可信的。

从图 2和图 3中可以发现，在不设置导流墙时，下泄水流主要集中于消力池中央，由于消力池两侧存在速度很小的静水区，所以水流有回流现象，在回流离心力的作用下，主流因为受到挤压，单宽流量增大，使得临界水深增大。结合模型试验的结果，可以发现，在海漫上存在二次水跃。设置导流墙之后，在开启单孔时，导流墙下游的水流依然存在受挤压的现象，水跃位置向下游移动，消力池中水流的流速较大；在三孔开启的情况下，导流墙可以显著减小单宽流量，两侧水流受到的挤压作用较小，水跃的宽度明显增大。

分析表2，并结合图2可以发现，开启单孔时，在导流墙范围内，两侧静水区并没有对水流造成挤压影响。在导流墙下游，下泄水流依然受到两侧静水区的挤压，跃后水深并没有因为设置导流墙而显著减小。随着导流墙长度增大，水跃的位置逐渐向下游移动，消力池末端的水流宽度也逐渐减小，下泄水流没有得到有效扩散。水流流出消力池后，由于下游尾水存在挤压作用，导致二次水跃的宽度小于一次水跃，二次水跃的宽度随着导流墙长度的增大而减小。和没有导流墙的水流状态对比，可以发现：当导流墙长度为0.50Lx、0.60Lx时，跃后水深均增大，增大幅度分别为1.68%、3.70%；当导流墙长度为0.75Lx、1.00Lx时，跃后水深均减小，减小幅度分别为8.42%、1.01%。经分析，当导流墙长度较大时，根据水跃起点和闸门的距离，水跃发生位置会向下游海漫移动，同时海漫的高程又较大，导致跃后水深较小。当导流墙长度逐渐增大时，二次水跃的发生位置逐渐向下游移动，距离消力池末端的距离逐渐增大。二次水跃之后，水流呈现出向两边扩散的状态。

表2 开启单孔时不同导流墙长度和水流状态参数 m

注：表中，hf1为跃后水深，L为水跃起点和闸门的距离，W为消力池末端水流的宽度，hf2为二次跃后水深，W2为二次水跃的最大宽度，L2为二次水跃和消力池末端的距离。

表3 开启三孔时不同导流墙长度和水流状态参数 m

分析表 3，并结合图 3可以发现，和没有导流墙的对比，在连续对称开启三孔的情况下，主流的扩散作用较为明显，水跃宽度增大。当导流墙长度为0.50Lx、0.60Lx、0.75Lx、1.00Lx时，跃后水深分别减小了3.33%、1.67%、1.39%、1.94%。当导流墙长度为0.50Lx时，二次水跃和消力池末端的距离减小幅度较大。当导流墙长度增大时，主流的扩散受到导流墙的抑制逐渐显现出来，主流的宽度逐渐变窄，二次水跃的深度逐渐增大。开启单孔和三孔的情况下，下泄水流回流随着导流墙长度的增大而逐渐变弱，当导流墙的长度接近0.50Lx时，几乎没有回流出现。总结得出，当导流墙长度为消力池长度的一半时，消力池的消能效果较好，而且消力池中的水流状态也可以控制在合理的范围内。

2.2 海漫上部的水流状态

当水流流速过大时，海漫会受到冲刷，所以需要对海漫近底部的流速进行分析。选择海漫上部1 m位置，对这个水平面的水流状态进行分析，主要分析指标是流速。对开启单孔、三孔及不同导流墙长度的情况进行数值模拟，获得开启单孔、三孔对应不同导流墙长度的流速分布情况，如图4、图5所示。

从图4中可以发现，在开启单孔的情况下，下泄水流的流量较小，未布置导流墙时，海漫中的水流扩散较大，流速大的区域面积较大，最大流速约为7.5 m/s；布置导流墙后，海漫中的水流扩散受到抑制，流速较大的区域面积减小，但是最大流速呈现增大的趋势。随着导流墙长度的增大，水流逐渐被束窄，流速较大的区域向下游逐渐延长，单宽流量增大，对海漫造成了一定的冲刷。

图4 开启单孔时的海漫上部流速数值模拟结果

图5 开启三孔时的海漫上部流速数值模拟结果

从图5中可以发现，在连续对称开启三孔的情况下，未布置导流墙时，海漫区的主流受到两侧静水区的挤压而导致扩散受到抑制，最大流速约为5.9 m/s，流速整体较小，但是中央区域的流速较大，周围流速较小，流速差异较大。当导流墙的长度为0.50Lx时，水流的扩散作用较大，海漫上游两侧区域的流速大于中央区域的流速，最大流速约为5.7 m/s。当导流墙长度进一步增大，海漫区域的水流扩散有减小的趋势，但是最大流速有所减小，整体流速分布较为均匀，平均流速也逐渐减小，对海漫的冲刷显著减弱，满足海漫的允许不冲流速要求。

可以发现，采用单孔泄流，导流墙对下游水流状态的影响较小，海漫中的流速较大。采用开启三孔的方式泄流，设置不同长度的导流墙时，导流墙对海漫中的水流状态影响较大。当导流墙的长度等于消力池长度的1/2时，海漫中的流速较小，满足不冲刷的要求，而且消力池中的水流状态也较好。所以在选择导流墙长度时，尽可能保证为消力池长度的一半。同时在水闸运行中，采用连续对称开启三孔的方式泄流，避免采用单孔泄流的方式，以保证消力池的消能效果。

3 结 论

本文研究了某多孔水闸结构导流墙对下游水流状态的影响，研究得出的结论如下：

(1)制作了水闸结构模型，拟定了4种导流墙长度，对未设置导流墙和4种长度的导流墙进行模型试验和数值模拟，泄流方式设置为开启单孔和连续对称开启三孔，不同工况下模型试验和数值模拟的结果相近，当导流墙长度为消力池长度的一半时，消力池的消能效果较好，而且消力池中的水流状态也可以控制在合理的范围内。

(2)对几种工况下海漫上部的水流状态进行数值模拟，研究了海漫上部的流速变化，当采用连续对称开启三孔的泄流方式，导流墙长度等于消力池长度的1/2时，海漫中的流速较小，满足不冲刷的要求。