杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究

吴佳伦

（湖北省汉江河道管理局杜家台分洪闸管理分局，湖北 仙桃 433000）

引 言

消能是指在水利工程或泄水构筑物的建设过程中，为降低或防止由于上游水流对下游建筑物、河渠等造成的冲刷破坏问题，从而采取的消耗水流携带冲刷能量、分散水体向下冲击力而采取的控制措施。由于闸室前后水位高程不等，水闸上、下游落差会将水体的势能大量转化为动能，导致过闸的水流流速大大提高，从而对下游河床及两岸产生严重的机械冲刷和侧向侵蚀，特别是底部冲刷引起的溯源侵蚀，更会使冲刷范围从下游不断后退到达闸室地基，进而造成水闸空悬甚至发生崩塌，危及水利工程或分洪口的安全[1]。因此，在水闸闸室的设计方案中加入控制下的消能防冲刷技术与措施，对于确保水利枢纽的工程安全至关重要。

根据现阶段相关工作的实施进展可知，目前的设计成果还不能在水闸工程中发挥更好的作用，所采取的措施对消能防冲刷控制效果较差[2]。同时，在此相关工作的研究中发现，现有的消能防冲刷控制的设计成果较少，尽管相关消能防冲刷控制的物理模型与观测模型已基本建成，但只适用于某地区特定的水闸工程，并不适合在更大范围的水利工程领域推广使用。为进一步深化消能防冲刷控制效果，本文以杜家台分洪口闸室为例，设计一种全新的消能防冲刷控制方法，保证下游水力设计的合理规范。

1 闸室消能防冲刷控制目标函数设计

目前，闸室消能防冲刷采用的技术措施主要包括底流消能、挑流消能以及面流消能。就具体水利工程而言，适用的技术方案选择主要取决于过闸的水流流量、上下游水位差、水利工程工况条件以及工程地质状况等因素。闸室消能防冲刷的计算是水闸工程设计中的一项重要环节，其中消力池、海漫段及防冲刷槽等消能防冲刷设施的结构尺寸都必须经过严格计算才能确定。

为实现对杜家台分洪口闸室消能防冲刷的控制，需要从计算水位组合的选取、河道不冲流速以及允许流量的计算、闸门开度及过闸流量的确定、消能防冲刷计算过程、消能防冲刷设施布置等方面进行控制。通过引进紊流模型，利用紊流模型中的雷诺时均法，建立控制目标函数[3]，对水闸工程消能防冲刷设施进行设计。在此过程中，根据杜家台分洪口闸室运行工况，建立上游水体连续方程（1）与动量方程（2），方程表达式如下：

式中 ν——紊流黏性系数；

j——张量。

上述计算公式中，i 的取值为正整数，包括1，2，3等。在上述设计内容的基础上，建立杜家台分洪口闸室水面模拟模型，模型需要参照VOF 模型构建[4]。在此模型中，假设水流中单相流呈现相同状态，此时造成水流出现流速差的主要原因是流体密度与分子黏性系数差异。因此，可以根据流体的体积分数，通过对流体体积的加权平均计算，得到流体密度的体积分数函数[5]。函数表达式如下：

式中 α——水体的体积分数；

ρ1——水体密度；

ρ2——空气密度。

在上述设计内容的基础上，将流体流速作为杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标，根据闸室中间段的支孔数量及其空间几何尺寸参数，建立闸室三维结构模型[6]。同时，使用六面图与五面体网格划分成三维结构模型，分为若干个网格区域，再将杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制工作作为单元控制目标，建立如下计算公式所示的目标函数。函数表达式如下：

式中 f（ν）——杜家台分洪口闸室消能防冲刷流速目标；

C——微分方程；

μ——有限容积法；

k——单元控制目标；

ε——网格区域。

按照上述方法，完成杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标函数的设计。

2 设计消力池控制条件

在上述设计内容的基础上，将杜家台分洪口闸室消能防冲刷消力池作为目标函数的约束条件，通过设计控制条件以明确函数的约束方式。根据杜家台分洪口闸室中闸孔宽度，参照闸孔净孔宽度与闸室的分布，掌握闸室中总孔数[7]。判定并识别杜家台分洪口闸室的下游段是否需要在运行中布置消能装置和并确定消能装置的布置数量。如果明确分洪口闸室需要布置消力池作为消能装置，可以根据消能控制情况设计闸道的交合水位[8]。同时，将设计水位作为分洪口闸室闸门全开时泄洪水位，当出现淹没出流情况时，定义此时为无需消能情况。考虑到杜家台分洪口闸室在正常使用条件下，上游水位为河道的最高蓄水位，只有闸门出现局部开启行为时才会出现闸门水流流速过大的问题，从而造成较为严重的河床冲刷现象。将出现此种现象作为前提条件，在杜家台分洪口闸室对应布置消能设施，设计消能设施的约束条件，约束条件表达式如下：

式中 h1——分洪口闸室水流跃后水深（m）；

h2——分洪口闸室水流收缩水深（m）；

E0——杜家台分洪口闸室上游水流总体势能（J）；

q——水流过闸时，单闸最大流量[m3/（s·m）]；

φ——水流流速控制系数，通常情况下，φ 的取值为常数，此次计算中，取值φ 为0.85；

g——重力加速度（m/s2）。

按照上述方式，完成对杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制中消力池控制条件的设计。

3 分洪口闸室消能防冲刷控制量计算

完成上述设计后，在操作终端创建控制驱动程序，通过对分洪口闸室消能防冲刷控制量的计算，实现对消能防冲刷的控制。在操作终端界面中创建一个窗口，在此窗口中创建并设置4 个驱动程序指令，其中程序1 为参数输入程序；程序2 为分洪口闸室孔口设计程序；程序3 为消能控制实时情况反馈程序；程序4 为闸口收缩断面水面试算程序。在此过程中，在程序1 中输入现有与分洪口闸室相关的参数条件，输入参数条件应该包括：设计过闸流量、底板高程、单孔闸宽、流速系数、水流动能校正系数、消力池底宽数、边坡系数以及重力加速度系数。参照《水闸设计规范》的标准要求，明确水流动能校正系数取值为正数，设定此系数的取值在1.05～1.10 之间，根据程序3 反馈的数据计算出泄洪流的控制量，计算公式如下：

式中 Q——泄洪流控制量；

χ——开启度；

γ′——闸门垂直收缩系数；

b——杜家台分洪口闸室中闸门宽度；

H0——闸室可开启孔数。

根据计算的控制量，驱动程序4 控制分洪口闸室消能防冲刷行为，一旦上游出现泄洪行为，可以根据程序3 反馈的实时水位数据，立即驱动控制行为。按照上述方式，完成控制方法的设计，杜家台分洪口闸室消能防冲刷计算成果见表1。

表1 杜家台分洪口闸室消能防冲刷计算结果

4 实例应用分析

上文完成了分洪口闸室消能防冲刷控制方法的设计，为实现对此方法在实际应用中效果的校验，下面以杜家台分洪口闸室为例，通过实例应用的方式，检验本文设计控制方法的有效性。为确保控制工作的规范化实施，在开展相关研究前，应先采用现场勘察的方式，搜集并汇总杜家台分洪口闸室基本运行情况。本次研究的闸室为开敞式泄洪闸，根据其建设工程信息，统计泄洪闸概况。相关内容见表2。

表2 杜家台分洪口闸室运行基本概况

掌握杜家台分洪口闸室的基本情况后，使用本文设计方法启动控制闸室消能防冲刷行为。控制过程中，根据闸室设计运行条件设定分洪口闸室消能防冲刷控制的目标函数，在此基础上设计消力池控制条件，通过对分洪口闸室消能防冲刷控制量的计算，实现对分洪口闸室消能防冲刷的控制。完成控制后，计算杜家台分洪口闸室消能防冲刷各个断面的流速，将其与下游闸道水流流速进行对比，检验杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制效果。见图1。

图1 杜家台分洪口闸室消能防冲刷水体流速控制效果

图1 中：（1）表示下游水体流速；（2）～（4）表示杜家台分洪口闸室消能防冲刷各个断面水体的流速。从图1 所示的结果可以看出，下游水体流速稳定在（1～3）m/s 范围内，上游水体经过消能防冲刷控制后，流速明显快速下降，并在12 s 后稳定在3 m/s 范围内，即设计的方法实现了对上游水流流速的有效控制。在此基础上，按照下述公式，计算消能控制后的水流动能：

式中 e——消能控制后水流动能；

V——水流流速；

g——重力加速度，计算中g 的取值为常数。

最后统计3 个断面的水流动能变化情况，其结果见图2。

图2 断面动能变化趋势图

5 结 语

文章通过设计杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标函数、设计消力池控制条件、分洪口闸室消能防冲刷控制量计算，完成分洪口闸室消能防冲刷控制方法的设计。该方法在通过实践检验后证明具有实际应用价值，利用此方法可以实现对上游水流流速与携带动能的有效控制。