巢湖兆河分洪闸泄流特性试验研究

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巢湖兆河分洪闸泄流特性试验研究

　　摘要：受周边地形条件及环境限制,巢湖兆河分洪闸与河道呈垂直布置,进流条件不利。针

对分洪闸与河道垂直布置这一特征,分别对开敞式和涵洞式分洪闸进行了水工模型进口流态试验

分析,结果表明涵洞式分洪闸进流流态优于开敞式分洪闸,能更好地保证各闸孔的均匀进流。针

对涵洞式分洪闸方案,研究了分洪闸敞泄和控泄的泄流能力,指出敞泄状态下进口行近流速对流

量计算影响明显,在水闸规划设计中,应计入行近流速影响。为改善消能效果及出口水流与下游

的衔接,进行了多方案消能防冲改进试验,结果表明尾坎作为一种冲击式消能工布置在挖深式消

力池末端,可使出口水流流速分布更加均匀并与下游水流衔接更为平顺,明显增强消能防冲效

果。

通常分洪闸布置在弯曲河段的凹岸稍偏下游或顺直河道的深槽一侧,引水方向尽可能与主流方向

一致,两者中心线夹角不宜超过 30°。这不仅有利于分洪闸引水,进口流态好,且可以利用弯道的

环流作用,将底沙向凸岸推移,减少底沙进入水闸[1]。巢湖兆河分洪闸受地形条件及周边环境的

限制,水闸中心线与兆河河道垂直,该布置形式不利于泄洪进水,影响水闸泄流能力。同时由于分

洪初始阶段,水流流向垂直于闸中心线,各闸孔进水流速分布不均匀,使得闸室及消力池内部水流

流态恶劣,危害水闸整体稳定[2]。本文针对巢湖兆河分洪闸与河道垂直布置这一特征,分别对开

敞式和涵洞式分洪闸进行进口流态试验比较。并选用进口流态相对较好的涵洞式分洪闸方案进

一步开展水工模型整流改进试验,分析研究垂直于河道布置分洪闸的泄流消能特性。

兆河分洪闸位于巢湖兆河白湖农场右岸东大圩堤防上,设计流量 230 m3/ s,属三等中型水闸。为

模拟通过分洪闸的水流流态,保证水流进出闸流态相似,水工模型试验范围包括闸上游 300 m 和

下游 200 m。根据《水工( 常规) 模型试验规程》( SL 155—2012) ,在满足重力相似基础上水工建

筑物模型采用正态模型。根据模型范围相似条件、试验场地等因素综合考虑,水工模型试验的整

体模型设计选定模型比尺为 λl= 40[3]。

　　 1　泄洪进口流态分析

开敞式分洪闸方案,水闸共 3孔,单孔净宽 8 m,总净宽 24 m。水闸底板高程 6. 4 m,闸墩顶高程为

13. 5 m,闸室水流方向长 18 m,中墩厚 1. 2 m,中墩上下游均为圆弧形墩头,边墩厚 1 m,闸室总宽度

28. 4 m。闸室底板采用整体式,厚1. 2 m。枢纽工程布置见图 1( a) 。

涵洞式分洪闸为无压式,涵洞孔口总净宽 30 m,选用 6孔钢筋混凝土箱涵,单孔宽 5. 0 m,孔高 5. 0

m,涵底高程 4. 5 m。6孔涵洞分为两联,3 孔一联,两联之间净距5. 0 m,中间填土。涵洞纵向总长

24 m,分成2节,各节长度相同。涵洞出口布置闸门控制段,设置防洪工作闸门和检修闸门各一

道。涵洞顶、底板厚 0. 8 m,侧墙厚0. 7 m,中隔墙厚0. 6 m,在两联涵洞进出口段设置圆弧形导流

墩[2]。枢纽工程布置见图 1( b) 。

运行工况为: 设计进洪工况,外河侧水位 11. 71 m( 水深 7. 21 m) ,圩内侧水位 8. 5 m( 水深 4. 00 m)

,校核进洪工况,外河侧水位 12. 5 m( 水深 8. 00 m) ,圩内侧水位 7. 5 m( 水深 3. 00 m) 。两种工况

下,流量均为 230 m3/ s。

开敞式分洪闸在设计进流条件下,当下游水位为 8. 5 m 时,控制过闸流量,闸孔开度较小,水流为闸

孔出流。河道主流在闸上进口约150 m 处开始发生偏转,偏转角约为20°。该方案闸前虽设有导

流堤引流进入闸室,但长度有限作用不明显[4],且闸前右侧水流受左侧导流堤顶冲作用,在闸前右

侧河漫滩形成较大范围回流区,挤压闸前主流使其偏向分洪闸左侧闸孔,闸前左侧流速明显大于

右侧,各闸孔出流速度分布不均,进口流态复杂。水闸泄洪初期闸门开度较小,出流虽为闸孔出流,

但两边孔易形成贯通式漩涡[5,6]。开敞式水闸设计进洪工况时流态见图 2( a) ( 闸门开度 e = 1.

40 m) 。

涵洞式分洪闸,控泄时河道主流偏流现象不明显,仅在闸上进口附近约80 m 处水流明显向分洪闸

侧偏转,敞泄时河道主流发生偏转,偏转角30° ~ 40°。此时涵洞式水闸进口系淹没式进流,进口流

态相对较好,左右两侧闸孔出流较为均匀,各闸孔流速相差不大。涵洞式水闸设计进洪工况时流

态见图 2( b) ( e =1. 18 m) 。

比较而言,涵洞式分洪闸进洪流态明显优于开敞式分洪闸。对于与河道垂直布置的分洪闸建议采

用涵洞式分洪闸。下面选用进口流态相对较好的涵洞式分洪闸方案,进一步进行水工模型试验,

分析其泄洪特性,并采用整流措施消力池优化试验,提高其消能防冲效果。

　　 2　泄流特性分析

2. 1 敞泄泄流

2.1.1 泄流试验

当兆河超过承泄能力,启用分洪闸泄洪时,兆河水位基本不变,圩内水位随洪水泄入逐渐抬高。随

着闸上下游水位差逐渐降低,泄流能力也随之减小。试验时控制兆河水位为 11. 71 和12. 50 m 两

种情况,闸门全部打开,改变下游水位,实测过闸流量。当兆河水位 11. 71 m,圩内水位 11. 51 m 时,

过闸流量为 284. 69 m3/ s,大于设计流量 230 m3/ s,过流能力满足要求。试验得出下游水位与泄

流量关系曲线见图 3。水闸全开,水流出闸流态随下游水深增加由自由出流变为淹没出流。临界

值为: 下游水深 ht= 5. 4 m( H 上= 11. 71 m ,H 下= 11. 41 m ) ,ht= 6. 06 m ( H 上=12. 50 m ,H 下=

12. 06 m ) 。淹没出流时下游水深对过闸流量影响较大。

2. 1. 2 试验值与计算值比较

敞泄时闸门全开,兆河水位涨高后过闸水流为有压流,可按下式[7]计算泄流量:

式中: μ 为流量系数,w 为涵洞出口断面面积,H0 为计入行近流速水头的上游堰上水深,hs 为下游

水头。

式中: ξi 为局部水头损失系数,wi 为与 ξi 相应流速的断面面积,li,Ri,Ci 为某均匀洞段长度、水力

半径和谢才系数。

一般水闸在规划设计阶段缺乏试验资料,垂直于河道布置的水闸进口流速难以确定,往往不计入

行近流速或以设计流量除过流断面面积计算行近流速[8]。通过式( 1) 对水闸泄流量进行计算并

与试验数据对比。

可以看出,虽计算值均比实测值略小,但计入行近流速后计算流量更接近实测流量值。在高淹没

度出流时流速水头仅占堰上总水头的 0. 46% ~ 0. 69% ,计入行近流速水头后流量计算值却增加

7. 5% ~ 10. 5% 。参考有关水闸水工模型试验资料[9],对比 4座侧面近水的水闸( 双桥闸分洪

闸、荆山湖分洪闸、荆山湖退洪闸、姜唐湖退洪闸) 试验及计算数据见表 2,可见行近流速水头

对垂直于河道布置分洪闸泄流量的影响非常明显。因此,敞泄条件下计算垂直于河道布置分洪闸

泄流量时应计入行近流速。

2. 2 控泄泄流

2.2.1 控泄试验

控泄时,闸门部分开启,闸下水流呈孔流状态。由于泄洪开始阶段,闸下水位较低,试验选取上游水

位11. 71 和12. 50 m 两种情况,圩内水位 8. 5 m。控制上下游水位,实测不同闸门开度时的过闸流

量。当闸门开度为 1. 5 m 时已能达到泄洪要求。

2. 2. 2 试验值与计算值比较

泄洪初期,闸门开度较小,涵洞内水流呈明流状态,选取孔流公式[7]计算:

式中: σs 为淹没系数,e 为闸门开度,b 为闸孔净宽,μ0 为流量系数,μ0= 0. 60 - 0. 176e / H0,H0 为上

游堰上水头。

从表3可见,根据上下游水位,采用上述算法计算流量与试验实测流量较为吻合,偏差基本在 5%

以内。因此,控泄状态下计算垂直于河道布置分洪闸泄流量时可以忽略行近流速水头。

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巢湖兆河分洪闸泄流特性试验研究　　摘要：受周边地形条件及环境限制,巢湖兆河分洪闸与河道呈垂直布置,进流条件不利。针对分洪闸与河道垂直布置这一特征,分别对开敞式和涵洞式分洪闸进行了水工模型进口流态试验分析,结果表明涵洞式分洪闸进流流态优于开敞式分洪闸,能更好地保证各闸孔的均匀进流。针对涵洞式分洪闸方案,研究了分洪闸敞泄和控泄的泄流能力,指出敞泄状态下进口行近流速对流量计算影响明显,在水闸规划设计中,应计入行近流速影响。为改善消能效果及出口水流与下游的衔接,进行了多方案消能防冲改进试验,结果表明尾坎作为一种冲击式消能工布置在挖深式消力池末端,可使出口水流流速分布更加均匀并与下游水流衔接更为平顺,明...

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