灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究

张 兵

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

闸门作为一种水工挡水建筑，其运营可靠性与水流特征与自身体型参数有关，探讨过闸水流水力特征受闸门结构影响特性[1-2]，有助于推动闸门等水工结构设计水平。刘忠干[3]、张龙[4]为研究闸门结构运营可靠性，基于闸门运营期静、动力工况下应力、应变等宏观参数，分析了闸门设计优化与静、动力安全的关联性。闸门对过闸水流影响，包括了流态特征与渗流特征等，韦晔[5]、钦立峰[6]借助Fluent等三维渗流平台，通过分析不同体型设计下闸门渗流特征，对过闸水流的流速、压强以及闸室内流态特征开展了仿真分析，对评价闸门防渗与渗流安全有效结合设计提供参考。闸门底缘构造关乎着过闸水流的水动力特性，杨健[7]、王蓓[8]通过物理模型与数值计算的方法，对不同倾角或体型的底缘构造闸门开展了水动力特性分析，对优化闸门体型及提高闸门运营效率具有理论依据。本文为研究三屯河灌区干渠泵闸枢纽挡水闸门的底缘构造设计，对四种典型底缘体型构造设计依次开展了水深、流速以及时均压强对比，为实际工程的加固设计等提供参考。

1 工程概况

三屯河灌区是天山北部、昌吉地区重要农业水利枢纽，依托于三屯河水库供水中枢，构建起了东、西干渠工程，年灌溉面积为4.8万hm2，且灌溉面和以每年10%左右的速率增长，惠及昌吉乃至天山北部众多农业生产区，有力支撑了地区农业生产效率。作为三屯河灌区重要水源工程，三屯河水库距离昌吉32 km，设计库容为2600万m3，最大库容为3500万m3，面向农业灌溉、防洪调度等水利职能，配置有溢洪道、引水渠首、泄洪闸以及沉沙池等水工设施，根据水工设计资料调研得知，三屯河水库溢洪道泄槽为主、副拱型式，主拱跨度为15 m，共有3个小副拱，最小跨度为1.8 m，溢洪道消能池与下游引水干渠渠首构建起了泄流、调度以及引水的运营体系，不论是主拱或是副拱，结构第一主应力未超过允许值，静、动力设计效果较优。三屯河灌区南、北侧干渠典型剖面如图1所示，两侧渠坡坡度为1∶1.5，衬砌板厚度为0.1 m，渠深为1.8 m，渠底铺设有干砌卵石，防渗效果较优，渠底无显著涡旋等非稳定渗流现象，南、北侧干渠建设有10余座中小型水工设施，如节制闸、引水泵闸枢纽等，大多闸室均依托干渠或河道建设，最大过闸流量为45 m3/s，配置有弧形钢闸门，净宽为4.6 m。根据三屯河灌区智慧水利系统监测，南、北两干渠为新建工程，运营年限未超过10 a，与三屯河水库溢洪道以及泄流闸匹配性较高，沿线泵闸设施运营状况较优，但目前三屯河还存在有东、西干渠工程，东干渠为三屯河水库下游5.0 km，运营年限超过50 a，部分渠道防渗效果与抗冻胀能力较弱，西干渠在长达50 a运营期内，沿线各渠段分布的差异性渠面(梯形渠面、U形渠面、弧形坡脚梯形渠面)，渠道冻胀危害以及多变渠面与泵闸设施过闸水流间的不一致性，常在原有东、西干渠工程中出现漩涡面，输水量以及含沙量等参数均表明输水可靠性降低。为此，东、西干渠除险加固工程中一个重要内容则是水闸设施的过流安全。

图1 三屯河灌区干渠典型剖面

2 试验方法

根据对三屯河灌区东、西干渠调研得知，沿线不仅存在不同形式的输水渠面，且在各渠段分布的节制闸或泵闸枢纽存在有不同形式的闸门构造，过闸水流状态受之差异性影响较显著。因而，本试验选取东、西干渠典型渠段泵闸设施开展过闸水流分析，以提高水工闸门与过闸水流适配性，从而为三屯河灌区除险加固提供参照。以东干渠5+125处阿尔什泵闸工程为分析对象，该枢纽工程位于三屯河水库下游14 km，为三屯河水库引水干渠下游重要支线工程，根据该闸站工程现状，设计了水工模型试验。

模型试验全长为9.0 m，宽度为0.4 m，高度为0.4 m，各部分模拟设施高度参照阿尔什泵闸工程标高相对设定，进水渠、尾水渠各为5.0 m、1.5 m，采用刚性材料制作各水工设施接触面，挡水闸门为0.4 m×0.4 m，材质为有机玻璃，其为弧形闸门，弧度为55°，几何比尺设置为50，模型试验流量比尺为8000[9-10]，按照阿尔什泵闸设计流量换算成试验流量100 m3/h、125 m3/h、150 m3/h、175 m3/h、200 m3/h进行工况设定。在所建立的水工模型中，按照不同监测点或断面分别设置有测点装置，如图2(a)所示为水位测量断面示意，A、B、C三个测点面分别对应中轴线、1/4线以及底边线处，过闸水流断面上共有12个监测点，间距为0.5 m，面向闸门断面分别设置压强测点，如图2(b)所示，共有8个测点，其中闸门底缘处设置有3个测点，各测点距离底缘的距离为断面衡量参数，梯次高度为0.5 m，底缘处也设置有A、B、C三个过闸水流流速特征，所有监测设备在试验前均进行了误差标定，最大误差控制在0.1%，该物理模型所有模块底面均为光滑，试验前测试表明过流无不对称等现象。

试验中另一重要变量因素则是闸门底缘形式，在闸门材料、面板设计参数为一致的前提下，闸门开度统一设定为8 cm，对闸门底缘构造特征开展试验对比，本试验中按照4种底缘构造形式(底缘前倾45°、底缘后倾45°、圆弧底缘90°、椭圆底缘90°)分别开展相应的水力模型试验，由水力参数反映闸门底缘与过闸水流的适配性。

3 不同底缘构造下过闸流态特征

基于不同流量工况下水力模型试验，对不同底缘构造形式的过闸水流水力特征监测，获得了过闸水流上、下游轴长6 m闸段上水位变化特征，如图3。依据图3可看出，不同的过闸流量下，闸门上、下游水位变化特征基本类似，呈现“Z”形曲线特征。具体分析可知，闸门上游-3～0 m区段内，在部分底缘构造方案内存在水位波动现象，如流量150 m3/h工况中底缘前倾、圆弧底缘两方案内分别在断面-3.0～-0.6 m、-2.1～-0.6 m存在水位波动现象，且两方案在闸门上游水位为最大，同时此两方案在下游水位为最低，过闸急流较显著，水位变幅最大，该流量工况中水位变幅分别为85.8%、83.7%。当流量为100 m3/h、2000 m3/h时，仍然是底缘前倾与圆弧底缘两方案下，具有较显著的水位变幅，而相对应的水位变幅最缓的为底缘后倾方案，其在流量100 m3/h工况内，闸门上、下游平均水位分别为21.0 cm、12.4 cm，降幅为38.7%，虽然随过闸流量升高，在流量150 m3/h、200 m3/h工况中，该方案下水位降幅分别达39.9%、40.2%。总体上对比其他三种方案，底缘后倾构造下，水位变化较缓，水力势能缓冲更大[5，11]。在椭圆底缘构造方案内，其上游水位较为平稳，但在闸门下游出现水位的一定波动，流量100 m3/h、150 m3/h工况中最大波幅段位于下游1.3 m、1.6 m，分别为26.5%、25.8%，此与闸门出流段势能释放以及底缘处水流射出有关，不利于下游闸室稳定渗流。

4 不同底缘构造下过闸水力特征

4.1 流速特征

基于不同底缘构造方案下过闸水力特征监测，对底缘处A、B、C三个测点流速监测结果进行分析，图4为A、C两个测点在不同过闸流量工况中流速特征变化。从图4可知，A、C测点流速变化具有一致性，不论过闸流量增长为何值，同一种底缘构造方案内流速变化恒定，即底缘不同测点断面乃至全断面，流速受过闸流量以及底缘型式影响为一致。在底缘测点A处，四种底缘方案内流速水平最高为前倾方案，在流量100～200 m3/h工况中，流速分布为2.20～2.63 m/s，而后倾方案下流速水平为最低，分布为1.3～1.5 m/s，其中圆弧底缘、椭圆底缘两种方案下流速水平实质上也处于较大发展期，在流量175 m3/h、200 m3/h等工况内，流速水平逐步逼近前倾方案。从流速量值水平对比可知，前倾方案下过闸水流势能以及动水急流较大，对下游消能降冲效能要求较高。对比四个方案下流速水平与过闸流量关系可知，只有底缘后倾、圆弧底缘两方案下，流速随过闸流量呈稳定线性变化，测点A下，随过闸流量每递增25 m3/h，流速值分别平均提高了0.09 m/s、0.05 m/s，增幅为4.4%、3.4%；而底缘前倾方案内，出现了较显著陡增段，前倾方案内流量100～150 m3/h，测点A下流速分布为2.20～2.24 m/s，平均提高了1.3%，而在流量150～200 m3/h工况，流速平均增幅可达8.9%，同样的现象在椭圆底缘中亦是如此，只是该方案在流量175 m3/h后才出现了较显著流速增长段。综合分析可知，过闸水体流速的稳定变化，表征了闸内势能稳定、无显著涡旋等非稳定流能量的传递，而在不同过闸流量工况中，流速过大增幅，又不利于控制闸内紊流、急流[12-13]，因而遴选一个合理底缘构造方案，有助于提升闸室内过流安全。

图4 不同过闸流量工况中流速特征

4.2 压强特征

在试验过程中不仅能得到流速参数，也能对闸门运营时均压强特征进行监测，图5为闸门面板断面上时均压强变化特征。由图中压强参数变化可知，不同底缘型式方案下闸门面板压强变化具有类似性，峰值压强均位于测点2#，但不同底缘方案下，测点2#～8#区间，压强降幅有一定区别，流量125 m3/h工况中，底缘前倾方案下流速从1.90 m/s降低至0.26 m/s，降幅为86.5%，而椭圆底缘方案下降幅为88.8%，相比之下底缘后倾、圆弧底缘两方案下压强降幅较稳定，在测点6#、7#分别达到了零压强。总体上看，测点1#～2#为时均压强的涨幅期，面板被水流淹没面较广[7，14]，而在测点2#～零压强，面板渗流区逐步减小，而底缘前倾、椭圆底缘两方案下无法较好控制底部射流，在面板较大区域内仍具有一定流速。当流量增大至200 m3/h后，整体上时均压强水平均有提高，底缘前倾1#～8#测点分别增大至-0.46～2.60 kPa，增幅为33.3%～35.5%，而底缘后倾、圆弧底缘两方案下时均压强增幅分别为11.4%～14.5%、17.5%～22.3%，此两方案时均压强受过闸流量影响敏感度最低，可较好应对不同过闸水流工况；特别的，在底缘后倾、圆弧底缘两方案内，在测点7#、8#处仍具有零压强特征，且不出现负压现象，面板防渗可靠性较强。基于四种不同底缘型式方案的水力模型试验，在流态、流速及时均压强等水力参数演变过程中，底缘后倾方案下闸门防渗、渗流安全以及控流降能效果最优。

图5 闸门面板时均压强变化特征

5 结 论

(1)改变过闸流量，闸门上、下游水位特征仍一致；底缘前倾、圆弧底缘两方案在闸门上游水位波动显著，且过闸后水位变幅最大，流量150 m3/h工况下水位变幅分别达85.8%、83.7%；底缘后倾方案下过闸上、下游水位变幅最缓，椭圆底缘方案闸门下游具有一定水位波动段。

(2)底缘不同测点处流速特征在过闸流量、底缘型式影响下，保持一致性变化；底缘前倾、后倾两方案下流速水平分别为最高、最低；底缘后倾、圆弧底缘两方案下流速随过闸流量具有稳定增长特征，而底缘前倾、椭圆底缘方案下流速在一定过闸流量后具有陡增段，控流降能较差。

(3)各方案下闸门面板时均压强峰值均位于测点2#，但底缘前倾、椭圆底缘两方案在峰值压强后具有较大降幅段，底缘后倾、圆弧底缘两方案在流量125 m3/h、200 m3/h工况中均具有零压强特征。

(4)综合水力模型试验结果，认为底缘后倾方案下闸门运营安全、防渗效果、降能等最佳。