闸站枢纽闸下非连续底坎整流措施研究

曾 昊

（湖州南太湖水利水电勘测设计院有限公司宁波分公司,浙江 宁波 315000）

1 模型建立及计算方法

1.1 闸站枢纽工程概况

本文以某闸站枢纽为例,泵站与节制闸并列布置,分别位于西东两侧。节制闸闸孔宽14 m,底板槛顶高程-0.50 m,河道底高程-0.74 m,外河消力池以0.5 m平台与闸底板相连,之后接1∶4 斜坡,高程由-0.50 m降至-1.00 m,消力池长14 m。海漫段长40 m,高程为-0.24 m,见图1。

图1 闸站枢纽图

1.2 计算模型

本文模拟的是闸站枢纽工程水闸出水口的流动,属于复杂的三维紊流运动,是不可压流动,模拟区域为闸站合建枢纽中闸后水流。采用雷诺平均方程和Realizable k-ε模型方程对其进行模拟,四面体结构化网格与六面体结构化网格混合划分（总网格数约470 万）,采用SIMPLEC算法。假定水体为不可压缩流体,由闸进水的流量和入水口断面大小可求出入流处的水流流速,因此选择入流处的边界条件是速度边界条件。以距离闸门断面250 m处作为出口断面,在此断面流速分布较为均匀,满足边界条件要求。在FLUENT计算中取出流条件为自由流出（Outflow）。采用刚盖假定自由表面处理[1]。

式中：xi（j=1,2,3）为笛卡尔坐标系坐标；ui为速度矢量u在i方向的分量；gi为沿i方向的质量力；ν为水的运动粘度系数；νt为涡粘性系数。

其中：σε=1.2, σk=1.0,C2=1.9 ;

计算模型与网格划分情况见图2、图3。

图2 闸站枢纽三维计算模型图

图3 模型网格划分示意图

1.3 计算结果

水闸、泵站分别运行时,水流从水闸、泵站一侧流出,由于断面突扩的影响,水流发生一定角度的偏移,改变了水流动力分布,在泵站、水闸侧形成了大范围回流和横向流动。水闸单独运行时,下游出流偏向水闸侧,泵闸结合处的水流绕着导流墙进入泵站出水池,产生回流。同时由于回流的影响主流区与回流区形成了压差,水面产生了横向水面坡降,使水流沿河道单侧前进,形成了偏流[2]。图4 中可以观察到水流受水闸与泵站分侧布置影响,出闸水流左侧沿翼墙扩散,在80 m左右的位置形成一脱壁水流；右侧水流突然扩张,在泵站侧形成了范围较大的回流区。回流区长约100 m,最大宽度约占河道宽度的1/2。在典型断面处水流流态分布极不均匀,对枢纽下游通航、防冲及景观是极为不利[3]。

图4 设计水位近表层流速分布图

选取水闸出水流道防冲槽断面（0+076.5）作为典型断面,纵向流速分布图见图5。

图5 纵向流速分布图

由图5 可以看出水流呈右正左负的状态,主流集中于水闸侧,水流明显分布不均,恶化了枢纽的出水流态,对下游的通航与消能防冲造成了危害,降低了枢纽的效率及安全性。

2 非连续底坎间距研究

根据前文研究成果[4],将底坎位置与闸后隔墩至防冲槽的距离之比l /L设定为0.4 ,底坎宽度与出口河底宽度之比b/B为0.5,底坎高度与出口水深之比h/H为0.5 进行试验研究。先将底坎分为两段,将底坎中间分隔,间距d（见图6）分别设置为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m。

图6 非连续底坎间距位置示意图

各不同间距控制条件下闸下近表层的流速分布见图7。

图7 各不同间距控制条件下闸下近表层流速分布图

从图7中可以看出,当间距为0.5 m时,出闸水流在流经底坎后,水流通过间隙,在间隙后水流变紊乱。间距逐渐增大时,水流紊乱程度同时增大。

各不同间距控制条件下典型断面的流速分布见图8。

图8 各不同间距控制条件下典型断面流速分布图

通过图8可以看出,间距越大,间隙对流速的影响范围越大,但对流速垂向影响不明确。

运用前面提到的流速分布不均匀系数公式分别计算上述几种不同间距控制条件下闸后典型断面的流速分布不均匀系数,将结果列于表1。并将流速分布不均匀系数和底坎间距绘制成折线图,见图9。

表1 不同间距工况下典型断面流速分布不均匀系数

图9 不同间距典型断面流速分布不均匀系数变化趋势图

根据图9 可以看出,随着间距的增大,流速横向分布不均匀系数在增大。流速垂向分布不均匀系数先增大后减小,但流速垂向分布不均匀系数变化不大。所以底坎之间间距越小对下游河道的流态越有利。

3 非连续底坎间隙数量研究

通过上节研究分析,底坎之间间距越小对下游河道的流态越有利。因此,我们依旧将底坎位置与闸后隔墩至防冲槽的距离之比l/L设定为0.4,底坎宽度与出口河底宽度之比b/B为0.5,底坎高度与出口水深之比h/H为0.5,底坎之间间距设为0.5 m,增加底坎的间隙数量进行试验研究。将底坎间隙数量分别设置为1、2、3、4、6、8。间隙布置方式见图10 。

图10 不同间距典型断面流速分布不均匀系数变化趋势图

各不同底坎间隙数量控制条件下闸下近表层的流速分布见图11。

图11 各不同底坎间隙数量控制条件下闸下近表层流速分布图

从图11 中可以看出,当间隙数量逐步增多时,出闸水流在流过孔隙后,水流变得更加均化；间隙增多的同时,水流经过底坎后,底坎对底流无法实施完全阻断,原水流被迫从间隙中流出,使得水流从底坎两侧越过底坎,减弱了底坎的整流作用。

各不同底坎间隙数量控制条件下典型断面的流速分布见图12。

图12 各不同底坎间隙数量控制条件下闸下典型断面流速分布图

通过图12 可以看出,底坎间隙数量越多,对流速垂向分布影响越大。

运用前面提到的流速分布不均匀系数公式分别计算上述几种不同间隙数量控制条件下闸后典型断面的流速分布不均匀系数,将结果列于表2。并将流速分布不均匀系数和底坎间隙数量绘制成折线图,见图13。

图13 不同底坎间隙数量典型断面流速分布不均匀系数变化趋势图

表2 不同底坎间隙数量工况下典型断面流速分布不均匀系数

从表2 中数值可以看出,在增加间隙数量,即减小底坎的有效长度时,流速横向分布不均匀系数变化范围与连续底坎的横向分布不均匀系数变化范围基本一致。因此,合适的非连续底坎与连续底坎同样能够改善水流流态,并且为河流生物多样性提供有利条件,带来一定的社会效益。

根据图13 可以看出随着底坎间隙数量的增大,流速横向分布不均匀系数在减小；当底坎间隙数量增大至3 个之后,流速横向分布不均匀系数开始增大。流速垂向分布不均匀系数随着底坎间隙数量的增大而增大。综合考虑这两个指标,当底坎间距取0.5 m时,底坎孔隙数量取3 个较合适,对本工程下游河道的流态较有利。

4 结论

通过对闸站枢纽工程非连续底坎的初步研究,表明合适的非连续底坎与连续底坎同样能够改善下游河道流态。非连续底坎之间间距越小对下游河道的流态越有利；对于本工程而言,底坎间隙数量取3 个较为合适,对下游河道的流态较有利。