斜交进流条件下闸墩型式优化试验研究

肖继德 陈斌 黄志文 欧阳志宇

收稿日期：

2023-06-26

基金项目：

国家重点研发计划项目（2022YFC3202603）；江西省水利厅科技项目（重大）（202124ZDKT18）

作者简介：

肖继德，男，高级工程师，主要研究方向为水利水电工程。E-mail：46775370@qq.com

通信作者：

陈  斌，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为水力学及河流动力学。E-mail：hhuchenb@163.com

引用格式：

肖继德，陈斌，黄志文，等.斜交进流条件下闸墩型式优化试验研究

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：75-79.

摘要：

为改善象山水利枢纽部分泄水闸进水口不良水流流态，提高枢纽泄流能力，利用物理模型试验方法对泄水闸2区闸室边墩墩头型式进行优化，对比分析了5种墩头型式方案下的优化效果。研究结果表明：墩头型式采用短轴为2倍闸墩宽度的黄金分割比（短轴/长轴=0.618）的1/4椭圆曲面，基本消除了间歇性涡流和回流现象，改善了进闸水流流态，但对于堰流处于高淹没度（hs/H0＞0.99）时的综合流量系数μ0的改变幅度不大，基本在0.5%以内，相应的泄流能力提升幅度也并不显著。研究成果可为类似工程设计提供参考。

关键词：

闸墩型式优化； 水流流态； 泄流能力； 综合流量系数

中图法分类号：TV662.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.013

文章編号：1006-0081（2024）01-0075-05

0  引  言

低水头河床式闸坝枢纽是常见的水利枢纽，其堰型主要有WES型、折线型、驼峰型等实用堰及有坎（或无坎）宽顶堰。一般认为，同等条件下宽顶堰的泄流能力最小，WES型实用堰泄流能力最大。在此类枢纽堰型选择和设计过程中，应尽可能从提高低堰的泄流能力着手，其泄流能力直接决定了低水头枢纽工程的建筑物布置形式和工程效益大小［1-2］。

对于低闸枢纽，其泄流能力除了受堰型结构型式、水流侧收缩等影响外，枢纽及枢纽中泄洪建筑物与非泄洪建筑物布置的相对位置也是重要因素，直接影响了闸坝轴线与河势走向或水流方向的垂直情况［3］。从工程现场及水工模型试验观测中发现，若水闸枢纽布置不当，则闸轴线与河势走向不能完全正交，使闸室纵轴线与水流方向形成交角，容易引起枢纽上游来流出现较大的横向流速和局部回流等不良流态，将导致有效过水断面的减小，从而降低过流能力，严重的可能影响建筑物安全［4］。因此，从水流流态角度考虑，保证枢纽进出水流平顺，流线匀滑、无折冲、无回流、无漩涡可以降低水流侧收缩的影响，提高枢纽泄流能力。对于如何改善枢纽建筑物进口水流流态已有大量研究，例如，郭观明等［5］通过采用直线圆弧组合型导墙可有效改善直线导墙形成的不利流态；杜妍平等［6］将溢洪道进口引渠右导墙平面体型采用双圆弧堤头顺应进流流向，后接椭圆+直墙型式，可使大流量泄洪时堤头绕流现象明显减轻，左右导墙进流基本对称；周元等［7］通过对导流明渠上下游导墙断面进行优化，使导墙直立面实现明渠上游段与导流底孔闸门的平顺连接，改善了进口的水流形态；周苏芬等［8］通过对溢洪道进水口临坝一侧增设导墙，并对导墙型式和长度进行优化，显著改善了水流流态和泄流能力；司徒小玲［9］通过在闸室前增设合适的导墙，改善了闸室水流流态；信瑞亮等［10］通过降低进水口导墙长度和高度，降低拦沙坎高度，在闸墩前端迎水面采用流线型的圆弧面，可以有效减小流体阻力，显著改善水流流态；刘晓平等［11］研究了枢纽导墙布置对电站进水口水流流态影响，并通过适当调整导墙长度改善了进水口水流流态，提高了过流能力；黄勇等［12］通过调整厂闸间上游导墙长度，改善了进水口水流流态，减小了对泄流能力造成的不利影响。

以上学者通过对枢纽建筑物进水口的导墙结构型式进行优化来改善水流流态，均突出了导墙调顺水流的重要性，而对于不宜增设导墙只通过对枢纽建筑物本身结构进行优化从而达到改善水流流态的研究却不多见。本文以赣江主支象山枢纽为研究对象，由于受到二区闸室边墩门库的影响，边墩长度无法进一步缩短，因此通过水工模型试验对边墩墩头型式进行优化［13］，寻求合适的闸墩墩头型式，尽可能消除或减弱墩头左侧涡流现象，使水流通过墩头作用平顺进入闸室，同时消除闸室间歇性回流现象，提高闸坝泄流能力。

1  工程概况

赣江主支象山枢纽位于新建区象山镇，主体建筑物由泄水闸、船闸、鱼道和连接挡水建筑物组成。泄水闸均为开敞式平底闸，堰型采用宽顶堰，沿河床布置共设17孔，由1区①～⑧号8孔30.0 m净宽常规泄水闸、2区⑨～⑩号2孔75.0 m净宽大孔闸和3区B11～B17号7孔30.0 m净宽常规泄水闸组成。其中，2区闸室中墩厚12.0 m，边墩厚17.0 m，两边墩坝轴线上游长度为94.8 m。枢纽校核洪水标准为200 a一遇，校核洪水位19.54 m，相应的洪峰流量为8 780 m3/s。枢纽整体布置见图1。

2  模型及试验条件

2.1  模型设计

依据SL 155-2012《水工（常规）模型试验规程》，采用正态模型，按弗劳德数相似准则设计［13］，根据试验要求、原型枢纽水流特性，综合考虑试验场地、供水条件、量水设备及精度要求，选定模型几何比尺为λl=100，其他水力要素相应比尺如下：

流量比尺λQ=λ2.5l=100 000

流速比尺λu=λ12l=10

阻力重力比尺λn=λ16l=2.15

水流运动时间比尺λt=λ12l=10

模型制作范围包括坝轴线上游约2 500 m，下游约3 500 m地形及泄水闸、船闸、连接挡水建筑物等。

2.2  试验条件

对校核和设计工况进行了试验，通过调整闸墩墩头型式，达到改善进闸水流流态和枢纽泄流能力的目的，试验工况见表1。

3  方案比选

3.1  方案1

方案1为原设计方案，该方案二区闸室边墩宽17.0 m，墩头由两半径为25.0 m、圆心角为45°的圆弧组成，如图2所示。

3.2  方案2

将方案1中的墩头改为斜坡，降低墩头的阻水影响，外侧圆弧线不变，方案2如图3所示。

3.3  方案3

将方案1的墩头型式改为以闸墩宽度17.0 m为直径的半圆弧，墩头长度由原方案17.2 m缩短至8.5 m，优化方案见图4。

3.4  方案4

将方案1的右侧圆弧取消，左侧圆弧延伸至闸墩右侧直线位置，圆弧的圆心角由45°增大到71°，圆弧半径不变，该方案墩头长度由原方案的17.2 m，增长至22.1 m，优化方案见图5。

3.5  方案5

将方案3的墩头圆弧曲面作进一步优化，将墩头圆弧面改为黄金分割比（短轴/长轴=0.618）的1/4椭圆曲面，其中，短轴为2倍闸墩宽度34.0 m，长轴为55.02 m，墩头长度由22.1 m增长至27.2 m，优化方案见图6。

4  试验结果

4.1  水流流态

（1） 方案1。受河道形态及枢纽布置等影响，闸轴线与河势走向不正交，从而使闸室纵轴线与水流方向存在约40°的交角，同时受二区闸室边墩上游长度较长的影响，水流流经闸墩后在闸墩左侧存在涡流现象，在⑦、⑧号闸室上游出现一定范围的滞水区，滞水区内水流流速较小或接近无流速，水流无法顺畅进入⑦、⑧号闸室，同时⑦、⑧号闸室出现间歇性的回流现象，水流间歇性从闸室下游流向闸室上游。涡流和回流的存在不仅影响闸坝安全，同时降低了闸坝泄流能力。方案1的水流流态见图7。

（2） 方案2。优化后墩头左侧涡流现象更加明显，水流流经闸墩后，滞水区范围增大，1区⑦、⑧号闸室过流能力减弱，且依然存在回流现象。该方案中，闸墩墩头的阻水影响从底部往上逐渐降低，虽然较原方案一定程度缩短了闸墩长度，但显然该型式的墩头斜面与圆弧之间所形成的棱角是加剧涡流现象的直接原因。

（3） 方案3。该方案墩头左侧的涡流现象较原方案有所加剧，墩头型式与上游来水衔接不畅，滞水区范围明显增大，水流主要经过⑦号及左侧闸室流向下游，⑧号闸室过流能力较低；同时试验还发现，水流经过⑦号闸室后，部分水流流向下游，在⑧号闸室后形成明显回流，并流经⑧号闸室通向上游，该方案优化效果较原方案差。

（4） 方案4。虽然该方案闸墩及墩头左侧还存在涡流现象，但较原方案明显减弱，滞水区范围有所减小，水流不能平顺流向⑧号闸室，同时⑧号闸室及闸室下游局部存在间歇性的回流。

（5） 方案5。优化后的墩头左侧涡流现象基本消失，闸墩左侧只存在小范围的轻微涡流现象，整体水流流态良好，水流经过闸墩能较平顺进入闸室，且试验中发现，⑦、⑧号闸室及附近区域基本不存在回流现象，优化效果较好。

方案2～5水流流态见图8，从各方案的水流流态可知，方案2斜坡型式的墩头和方案3半圆弧型式的墩头左侧涡流现象均较方案1有所加剧，同时⑦、⑧号闸室依然存在回流现象，方案4的闸墩及墩头左侧虽然还存在涡流现象，但较方案1明显减弱，⑦号闸室回流现象基本消失，⑧号闸室及闸室下游局部存在间歇性的回流现象，但程度有所减弱，方案5的墩头左侧涡流現象基本消失，闸墩左侧只存在小范围的轻微涡流现象，整体水流流态良好，且⑦、⑧号闸室的回流现象基本消失。

同时，方案2和方案3在⑦、⑧号闸室前的滞水区范围较原方案明显增大，水流主要从⑦号及左侧闸室流向下游，⑧号闸室过流较少或基本不过流，方案4的滞水区范围有所减小，部分水流可通过⑧号闸室流向下游，优化方案5的滞水区基本消失，水流可顺畅进入⑧号闸室流向下游。

4.2  泄流能力

对比了各方案下的校核洪水和设计洪水对应的坝前水位，试验结果见表2。校核洪水条件下，方案2和方案3坝前水位较方案1分别增大0.03 m和0.01 m，泄流能力有所减小，方案4和方案5坝前水位较方案1分别降低0.01 m和0.02 m，泄流能力有所增大；设计洪水条件下，方案2和方案3坝前水位较方案1分别增大0.02 m、0.01 m，泄流能力有所减小，方案4和方案5坝前水位较方案1分别降低0.01 m和0.02 m，泄流能力有所增大，但增减幅度不大，基本在0.02 m以内。

由于枢纽泄洪时上下游水头差较小，属于高淹没度堰流，其综合流量系数可用公式μ0=0.877+（hs/H0－0.65）2计算。计算了校核洪水条件下各方案的综合流量系数，从计算结果来看，各方案的综合流量系数为0.994～0.997，变幅基本在0.5%以内，这与上述泄流能力增减幅度不大的结论一致。因此对于淹没度hs/H0＞0.99的堰流，闸墩优化对于泄流能力的改善并不显著，对枢纽综合流量系数的影响也基本在0.5%以内。

5  结  语

赣江主支象山枢纽闸轴线与河势走向不完全正交，闸室轴线与水流方向存在交角，水流在闸墩影响下无法平顺进入闸室，通过物理模型试验对枢纽二区泄水闸边墩墩头型式进行优化研究，从优化试验结果可知：① 将墩头曲面型式改成黄金分割比（短轴/长轴=0.618）的1/4椭圆曲面（其中短轴为2倍闸墩宽度），基本解决了间歇性涡流、回流等不良水力现象；② 对于淹没度hs/H0＞0.99的堰流，局部闸墩的优化对于枢纽综合流量系数μ0的改变幅度基本在0.5%以内，对应的泄流能力改善并不显著。

參考文献：

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［2］  童海鸿，严忠民，艾克明.高淹没度下低堰泄流能力初步研究［J］.人民长江，2003，48（7）：59-61.

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［6］  杜妍平，黄志澎，朱先文.洞式溢洪道引渠导墙优化设计及三维布筋研究［J］.人民长江，2020，51（11）：161-166.

［7］  周元，王瑞贵，王哲鑫.喀麦隆比尼瓦拉克水电工程导流优化设计［J］.人民长江，2018，49（增2）：121-123.

［8］  周苏芬，邬年华，黄志文，等.寒山水库岸边式溢洪道进水渠导墙体型优化试验研究［J］.中国农村水利水电，2019（8）：150-152，157.

［9］  司徒小玲.导墙对弯形河道中闸室水流条件变化的研究［J］.水利科技与经济，2020，26（8）：48-50.

［10］  信瑞亮，张贵金，胡春林，等.低水头水电厂进水口水流条件优化水工模型试验研究［J］.水利水电技术，2018，49（7）：109-114.

［11］  刘晓平，周千凯，周俊，等.低水头电站导墙布置对进水口流态的影响［J］.长江科学院院报，2012，29（5）：21-25，39.

［12］  黄勇，李君涛.汉江雅口枢纽厂坝间上游导墙布置试验研究［J］.水道港口，2018，39（4）：470-473.

［13］  水利水电科学研究院.水工模型试验［M］.北京：中国水利水电出版社，1985.

（编辑：唐湘茜）

Type optimization of gate pier under oblique alternating flow condition

XIAO Jide1，CHEN Bin2，HUANG Zhiwen2，OUYANG Zhiyu1

（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang 330009，China；  2.Jiangxi Provincial Technology Innovation Center for Ecological Water Engineering in Poyang Lake Basin，Jiangxi Academy of Water Science and Engineering，Nanchang 330029，China）

Abstract：

In order to improve the bad flow mode of the sluice inlet of Xiangshan Water Conservancy Project and improve the discharge capacity of the sluice，the physical model test method was used to optimize the pier head type of the second area side chamber of the drainage sluice，and analyze the optimization effect of five pier head types.The results showed that the pier head type adopted the 1/4 elliptical surface of the golden section ratio with short axis as 2 times the pier width （short axis / long axis =0.618），which basically eliminated the phenomenon of intermittent vortex and reflux and improved the water flow state of the sluice gate，but the change range of integrated flow coefficient μ0 which the weir flow was in high inundence （hs/H0＞0.99） was not large，basically within 0.5%，and the corresponding increase in the discharge capacity was not significant.The research results can provide a reference for similar engineering design．

Key words：

type optimization of gate pier； flow state； discharge capacity； comprehensive flow coefficient