闸门开启过程中消力池的时空水力特性

李 桢，柳树摇，李 红

(1.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；2.四川省内江水利电力建筑勘察设计研究院有限公司，四川 内江 641000)

在水工建筑物中，闸门是用于控制水流最为常用的设施，一般闸门的开启时间在几分钟到十几分钟之间，闸门开启过程中闸门前后水流变化剧烈是典型的非恒定流动，闸门开启的时段内闸下产生的冲坑深度，占一次放水过程产生冲坑深度的一半。闸门开启过程中水力特性的变化特征对泄洪建筑物的安全运行非常重要。可见在闸门开启过程非恒定水流是要引起足够重视的。目前，这方面的研究主要结合具体工程进行缩尺模型试验，闸门开启时的非恒定水流与复杂的漩涡运动增加了试验的难度。目前对于闸门开启过程闸门前后的水力特性的研究主要采用数值模拟的方法[1-10]，而一些关于闸门启闭过程中的试验研究主要集中在对闸门受力的分析上[11-16]。张祖新等[17]对带跌坎的消力池充水过程中的水力特性进行了试验研究。毕竟闸门启闭过程中水流运动与实际情况有一定的偏差，而目前对于低水头重力坝闸门开启过程中坝后消力池的水力特性研究少见报道，因此本文以典型的低水头重力坝大石桥水电站为依托，对闸门开启过程中消力池的水力特性时空变化规律进行模型试验研究。

1 工程概况

大石桥水电站是一座具有农业灌溉、县城应急水源、场镇供水及农村人畜饮水等综合效益的中型骨干水利工程。坝址位于重庆市潼南县桂林街道高何村的古溪河矮子桥上游约600 m的果园处，距县城约4.0 km，至重庆市约90 km。大石桥水电站由大坝枢纽、灌区建筑物和应急水源工程3部分组成。大坝枢纽河床宽度较为有限，布置挡水建筑物和泄水建筑物形式较为单一，灌区根据提水泵站及输水管线的布置比选，确定选择合并孟家寺和胡家垅2个泵站至南岸滩处，渠道大体走向沿用可研阶段成果。大坝枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物组成。挡水大坝为常态混凝土重力坝，最大坝高27.5 m，坝轴线长106.0 m，坝顶高程253.50 m，坝顶宽6.0 m，最大坝底宽29.73 m。正常蓄水位251.00 m，设计流量为1 110 m3/s。泄水建筑物为3孔有闸门控制的开敞式闸孔，每孔净宽8.0 m，溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程242.0 m，泄洪采用底流消能，消力池长40.0 m，池后设22.0 m长的护岸。枢纽布置平面布置见图1。为验证闸门开启速率的合理性，确保泄洪建筑物安全运行，开展了水力学模型试验。

图1 大石桥水电站枢纽平面布置示意

2 试验装置与方法

物理试验模型按照重力相似准则设计为正态模型，模型比尺为1∶25。原型闸门开启速度为8.75 cm/s，开启时长80 s；模型试验中闸门开启速度为1.75 cm/s，开启时长为16 s。闸门的定速开启通过可控微电机来实现，左右两岸水面线由水位自动记录仪测量。闸门开启过程中，通过多点式旋桨流速仪测量消力池内流速的变化，通过测压管测量底板的时均压力，由泰斯特压力传感器来测量脉动压力。

3 消力池水流流态时空变化

试验模拟下游无水、上游水位为正常蓄水位251.00 m时，将3孔闸门同时匀速开启直至敞泄状态，试验观察了该闸门开启过程中的消力池流态变化，如图2所示。在闸门开启20 s时，由于受到左右闸孔主流的挤压，中闸孔主流水面有局部雍水现象，左右岸水位较低，三股主流交汇碰撞后向下游扩散，水面紊动强烈并伴随有强烈掺气现象；在闸门开启40 s时，由于下泄量逐渐增大，左右闸孔主流对中闸孔主流的挤压作用逐渐减弱，逐渐转化为主流间的纵向剪切，水流向左右两岸横向扩散以及向下游纵向扩散，水面线横向不均匀性减小；在闸门开启60 s时，随着下泄量继续增加，消力池内的水位进一步增加，表面水位横向差异性进一步减小，同时由于出闸水流左右两侧不对称的突扩，在靠近闸门的左右两侧分别形成一定范围的回流区，且由于左岸突扩较大因此回流区范围也较大，此时消力池内水流主要是内部的紊动剪切，因此水面相对平稳；在闸门开启80 s时，闸门开启结束，下泄量基本达到设计流量1 110 m3/s，此时消力池内的水流流态与闸门开启60 s时相差不大，是典型的低水头淹没出流，左右两侧回流区范围进一步增大，但水流旋转速度减小，水面平稳，由于下游水位的升高，消力池的出池水流与下游衔接较为平顺。

图2 消力池流态变化过程

试验中同时观测闸门开启过程中坝下左右两岸水面线的变化过程，如图3所示。结果表明：闸门开启过程中消力池内水流紊动剧烈，消力池内左右岸水面有受两侧回流影响波动剧烈，消力池内水位的纵向不均匀性要大于消力池下游，且随着开启时间的增加消力池水位的纵向不均性变小。由图3可知，随着下泄流量的增大，左右两岸水面线高程均不断增大，消力池出流水流与下游连接平顺，水流分布均匀。左岸水面线略高于右岸，闸门开启结束后，下游左岸的水面线高程范围为247.4～248.32 m，下游右岸的水面线高程范围为247.28～248.2 m。

图3 左右岸水面线变化过程

图4为闸门开启过程中不同时刻左右岸水位差沿程变化。由图4可知，消力池内左右岸水位差明显大于消力池下游，消力池内水位差沿程增加，且在消力池末端即尾坎处出现最大值；消力池尾坎下游桩号0+65.0到桩号0+120.0，水位差呈现沿程波动式减小，这是因为低佛汝德数消力池由于消能不充分，出池水流包含大量紊动能，水面沿程波动，因此在工程上要做好消力池及下游一定距离内左右两岸岸坡的防护。消力池下游桩号0+120.0以后水位差逐渐减小，水流逐渐趋于稳定。总体来看，左右岸水位差随着闸门的开启以及下泄量的增加而减小。

图4 左右岸水面线差值变化过程

4 消力池水内流速分布时空变化

试验实测了开启过程中不同时刻消力池临底流速分布，如图5所示。流速测点分别位于左中右3孔闸门中心线以及左右两侧突扩部分中心线(见图1)。在闸门开启20 s时，左岸最大流速为4.30 m/s，右岸最大流速为3.48 m/s；消力池临底流速由于下游水位较高，形成淹没水跃，临底流速沿程减小，入池最大流速为10.06 m/s，消力池内最大流速为10.69 m/s，最小出池流速为4.74 m/s。随着闸门逐渐开启，下泄流量不断增大，下游水面线不断增高，消力池内临底流速有所下降，流速分布逐渐均匀，但由于入池水流的佛汝德数越来越小，消力池对水流的消能率越来越低，出池水流流速有所增大。其中，在闸门开启80 s(即水流敞泄)时，消力池内最大入池流速为8.92 m/s，消力池内最大流速为9.11 m/s，最小出池流速为5.00 m/s，消力池流速分布均匀左右两岸岸边流速较小，对河道岸坡的冲刷影响较小。总体来看，消力池闸孔主流临底流速大于左右岸流速，且3个闸孔主流速速横向差异性不大，左右两岸流速相差也不太大。消力池前半段3个闸孔流速横向与纵向差异性小于后半段，后半段由于受到下有水流的顶托，临底流速沿程降低较快。

图5 消力池内流速分布变化过程

5 消力池底板压力时空变化

试验实测了闸门开启过程中消力池底板时均压强值，由图6可知，左侧边孔下泄水流流速较大，因此本试验主要观测左孔中心线上消力池底板的压力变化过程。试验中每个测点纵向间距为2.0 m，共设置19个测点。图6为闸门开启过程中消力池底板时均压强值的变化过程，由图6可知，在闸门开启过程中，消力池底板压强皆为正压，在入池处时均压强稍大，随后沿程略有减小，在消力池后半段，时均压强有所增加。随着闸门的逐渐开启，下泄流量的不断增大，消力池内水位不断增高，同一测点的时均压强不断增大，其中在闸门开启80 s时，消力池底板压强分布范围为9.6×9.8～11.2×9.8 kPa。

图6 消力池底板时均压强变化过程

试验同时观测了闸门开启过程中消力池底板脉动压力的变化过程。图7分别为1号(坝轴0+27.0)、6号(坝轴0+37.0)、11号(坝轴0+47.0)和17号(坝轴0+59.0)测点的脉动压强时间曲线。开启过程中，闸门开启40 s前各测点脉动压强较小，开启40 s后脉动压强逐渐增大，闸门开启80 s后趋于稳定，消力池后半段脉动压强较大。消力池底板脉动压强在闸门开启过程中的分布范围为2.25×9.8～13.02×9.8 kPa。消力池底板在闸门开启过程中是安全的，说明闸门开启速率设计合理。

图7 消力池底板脉动压强时间曲线

6 结 论

针对典型的低水头重力坝闸门开启问题，以大石桥水电站重力坝为例，采用比尺为1∶25的正态物理模型对低水头重力坝闸门开启过程中消力池的水力特性进行试验研究，获得了开启过程中消力池流态、流速分布、底板压力等参数随时间的变化规律。具体为：①闸门开启过程中，消力池内流态良好与下游水面衔接平顺，左岸水面线略高于右岸水面线；②闸门开启过程中消力池内临底流速分布较为均匀，左侧流速略大于右侧；③闸门开启过程中消力池内底板压强皆为正压。试验结果表明，消力池底板在闸门开启过程中是安全的，说明原型闸门开启速率设计合理。该物理模型试验可为同类工程的设计与运行提供参考，所得结果可作为低水头闸门开启过程中消力池水力特性时空变化数值模拟的验证。