导流墙对弯形河道中闸室水流条件变化的影响研究

王继东，顾 峰，谢政廷

（1.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023；2.新吴区水利局，江苏 无锡 214000；3.无锡市太湖新城置业有限公司，江苏 无锡 214121）

1 引言

水是生活中不可缺少的物质，也是国家经济发展的重要资源，我国是一个水资源总量丰富但人均总量稀缺的国家。近几十年来，我国的基础设施建设得到了飞速发展，水利水电工程也度过了建设高峰期，水闸作为水利工程中重要的控制水流的水工建筑物，在水工建设和后期维护研究中起着不可忽视的作用。在我国，常用的输水方式为渠道和管道输水，水闸在渠道输水中起着控制上下游水位、调节流量等关键性作用，水闸闸门启闭组合和启闭方式对渠道水流下游形态影响作用显著[1]。闸门一般在外部电力设备作用下匀速开启，但实际闸门启闭过程经常面对宣泄流量、季节性流量变化大等因素，通常采取水闸少数孔小度启闭和对称启闭等方式，在这种启闭方式下，渠道中的下泄水流在闸门后形成典型的三元水跃[2]。由于闸门孔的启闭过程持续进行，伴随着闸门启闭，宣泄水流量会持续增加或减少，由此造成闸门宣泄水流流态更为复杂[3]。流态复杂水流内部水颗粒呈现杂乱无章的运动流态，此时，闸后渠道极易在闸门启闭过程中受到严重的冲刷，导致渠道受到侵蚀，进而出现渗漏量加剧、渠道利用率降低等水资源问题，降低水工建筑物的使用年限[4]。消力池作为降低水流能量、削弱水流对渠道冲刷的重要水工建筑物被广泛地应用在各种泄水建筑物下游[5]。我国现行规范和水闸专著一般都是推荐按照二元问题进行消力池设计，主要考虑水流在消力池内的运动流态为二元水跃和均匀运动的三元水跃，由此确定下泄水流的跃后深度，对比跃后水深和渠道下游水深确定消力池的深度[6]。为了尽可能使闸后下泄水流特征满足消力池设计原理，通常在消力池内部修建导流墙保证下泄水流流态的均匀性，以达到最优的消能效果，降低水流对渠道冲刷，延长渠道有效使用年限。

2 试验原理和试验方案

2.1 试验原理

2.1.1 模型相似原理

选定江苏某拦河闸为原型，利用相似原理，采取重力相似准则建立几何尺寸为1∶100的正态模型。其相关物理量参数比尺关系，详见表1。

表1 相似模型物理量比尺关系

由此确定水力试验模型闸门宽度为8 cm，消力池长度Ls=19 cm、高度h=1 cm、下降段坡度为1∶4，模型具体尺寸如图1所示。模型选用硬度较高的有机玻璃板材料，共有7个闸门，由蓄水池、闸门、消力池和下游渠道组成。

图1 消力池模型立面图和平面图

2.1.2 水流参数计算

基于相似原理，可以直接测量出水力模型中不同部位对应的水流。由于相似模型是在确定的水力条件下进行水力学试验，因此有利于水力模型确定水力条件计算出不同工况下水流深度，为水流流态评价提供依据。

水流水跃深度计算依据水流发生水跃前后2个断面的水力特征进行。基于恒定总流的动量方程，得到水跃前后断面动量方程：

式中：ρ为水的密度（g/cm3）；Q为水流流量（m3/s）；β1，β2分别为水跃前后动量校正系数；v1，v2分别为水跃前后断面水流流速（m/s）；P1，P2分别为水跃前后断面动水压力（Pa）；T为摩擦阻力（N）。

其中：

式中：A1，A2分别为水跃前后断面面积别为水跃前后断面形心水深（m）；γ为水的容重（N/m3）；其余变量含义同上。

将水流压强参数代入式（1），可以得到明渠水跃方程：

式中：g为重力加速度（m/s2）；其余变量含义同上。

2.2 试验方案

为探究闸门启闭过程中导流墙对宣泄水流流态特征的影响效果，特开展2组试验进行研究，第一组试验为闸门在不同启闭过程下闸后宣泄水流流态特征研究，具体试验方案详见表2。

表2 闸门启闭历时

对水力模型中水位监测主要从闸门前水位、闸门后水位和下游段水位分别进行，闸门前监测点选定在闸门前30 cm处（对应于原型为闸门前30 m处），闸门后选定在闸门后20 cm处(位于消力池内，对应于原型为闸门后20 m处），下游段选定在闸门后85 cm处（位于海漫端部，对应于原型为闸门后85 m处）。

第二组试验为在闸门后宣泄水流对消力池冲刷作用下导流墙对闸后水流流态特征的影响研究。试验时，确定上下游水流深度，调整导流墙长度，具体试验方案详见表3。

表3 不同导流墙长度

3 试验结果分析

3.1 流态特征

依据水力模型，选定下游水位监测结果进行分析，下游水位变化如图2所示。

图2 不同启闭条件下下游水位变化

从图2可以看出，随着水闸开启时间逐渐延长，下游水位上升趋势整体呈现先迅速上升、后缓慢上升、最后趋于稳定的状态。对比不同启闭历时下下游水位变化趋势发现，闸门开启时间越短，下游水位开始上升时间节点越短，当闸门开启时间分别为30、180和300 s时，下游水位开始上升的时间节点分别为3、4.5、6 s，这一现象说明闸门开启时间越短，上游水流宣泄过闸速度越快；随着闸门开启时间逐渐延长，下游水位上升速率呈现逐渐降低的趋势且上升时间也逐渐延长。当闸门开启时间由30 s延长至300 s时，下游水位迅速上升的时间节点由12.5 s延长至43.8 s，说明闸门提升历时不同，水流过闸速率不同、流量不同，流态也存在较大的差异。闸门启闭过程直接导致了过闸水流的复杂性。尽管闸门在不同开启历时下水流特征较为复杂，但是当下游水位趋于稳定时，渠道水位稳定在特定深度，这一现象也体现了水流宣泄的归一性，即水流过闸的过程虽然复杂，但是结果具有明显的一致性。

3.2 导流墙影响

3.2.1 对三元恒定流的影响

第二组试验中，在不同导流墙长度条件下，利用前文水跃高度计算公式和水力模型试验对宣泄水流测量深度进行对比分析，探讨导流墙长度对水流流态特征的影响。第二组试验结果，详见表4。

表4 跃后水深计算与试验值对比

将表4计算结果与实际监测结果对比发现，宣泄水流跃后水深在3.33～3.58 m，且计算值与实际值相差不大，这说明误差非常小，验证了水力模型的合理性。

观察流态特征发现，未设置导流墙时，过闸水流宣泄集中，主流主要集中在三孔水闸中部，水流下泄过程中，主流容易受到两侧水流挤压，导致主流单宽流量增大，当下泄水流到达消力池时，易在消力池两侧产生回流，回流会进一步加剧对主流的挤压作用，导致临界水深进一步增大。

设置导流墙之后，不同长度导流墙作用下水跃宽度如图3所示。由图3可以看出，增设导流墙之后，宣泄水流水跃宽度变大，出现这一现象的原因为导流墙增强了对水流的引导作用，减缓了两侧静水压对主流挤压作用，降低了对应的临界深度。对比图3中水跃宽度的增加与表4中跃后水深试验值随着导流墙长度的增大而逐渐减小，说明导流墙的设置增加了下泄水流的水跃宽度，改变了下泄水流的表面流态，减弱了下泄水流对消力池的冲刷作用，且导流墙长度越大效果越明显。

图3 不同长度导流墙作用下水跃宽度

3.2.2 对三元非恒定流的影响

针对水闸启闭过程中下泄水流的三元非恒定流问题，以第一组试验中闸门开启时间为180 s、导流墙设置长度为0.5Ls为例探讨闸门启闭过程中导流墙对下泄水流的影响特征。由于三元非恒定流流态的复杂性及其在消力池内部的挤压，三元非恒定流对消力池的冲刷作用明显大于三元恒定流的冲刷效果，特别是三元非恒定流的非稳态作用，导致下泄水流易发生二次水跃，直接加深其对海漫部分的冲刷作用，因此选定闸门后60 m处断面进行分析，该断面测试结果详见表5。

表5 闸门开启时间150 s内水流流态特征

由表5可以看出，导流墙的设置可以有效避免下泄水流对主流的挤压作用，降低下泄水流主流流速，且将下泄水流二次水跃位置提前。本次水力试验研究表明，未设置导流墙时，开闸第30 s，此时下泄水流处于加速阶段，下游水位还未达到指定深度，对应断面水流流速为4.6 m/s，主流宽度约27 m；开闸第75 s时，此时下泄水流明显处于受挤压状态，主流宽度被挤压至24 m左右，对应断面水流流速为7.7 m/s，二次水跃距离消力池约72 m，对海漫段产生明显冲刷作用；开闸第150 s时，此时主流被挤压现象加剧，主流宽度约21 m，对应断面水流流速持续缓慢增大至8.1 m/s左右，二次水跃向消力池靠拢，距离消力池约68 m。设置导流墙后，在闸门开启的整个过程中，主流被挤压现象消失，此时主流宽度基本维持在26.8 m左右，且在闸门提起的过程中主流流速降低，二次水跃发生位置向消力池靠拢。选取开闸150 s的情况分析得出，主流最大流速降低至7.5 m/s左右，整体降低7.5%；二次水跃进一步向消力池靠拢至63 m，整体降低7.4%。由此可见，导流墙的设计可以改变三元非恒定流的流态特征，降低其对消力池和海漫的冲刷作用，增加渠道的有效使用年限。

4 结论

笔者以相似原理为基础，利用水力模型试验对江苏某水闸不同启闭历时状态下宣泄水流的流态特征进行试验研究，分析了导流墙对闸后水流流态特征的影响，得到如下结论。

（1）闸门开启放水过程中闸后水流是一个复杂的三元流形态，不同开启历时条件下，下游水深随着闸门开启时间增加呈现先快速上升、后缓慢上升、最后趋于稳定的状态；闸门开启时间越短，闸后水流迅速上升越快；当闸门开启时间由30 s延长至300 s时，渠后水流迅速增加时间节点分别为12.5和43.8 s。

（2）三元恒定流水跃发生在消力池范围内，导流墙的设置降低了两侧水流对中间主流的挤压作用，保证了水流的单宽流量，加大了水跃宽度，降低了跃后水深，降低了水跃对消力池的冲刷作用；导流墙越长，控制水流效果越明显。

（3）三元非恒定流二次水跃发生在海漫段，导流墙的设置增加了对下泄水流的引导作用，降低了下泄水流流速，提前了二次水跃发生位置，降低了二次水跃对海漫段的冲刷作用。