灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,张兵灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究J水利科学与寒区工程,():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 )摘要:为研究三屯河灌区泵闸设施不同底缘型式下挡水闸门运营可靠性,采用水工物理模型试验方法,对典型四种底缘方案开展了过闸水流水力特 征分析.试验表明,闸门上、下游水位特征变化不受过闸流量影响,流态具有相对稳定性,但底缘前倾、圆弧底缘以及椭圆底缘三方案下水位在一定区段内具有波动,且过闸前、后水位变幅较大,底缘后倾方案下水位变幅较缓.底缘处各测点流速受过闸流量、底缘型式影响为一致,底缘后倾方案流速水平为最低,且随过闸流量变化稳定增长,而底缘前倾、椭圆底缘在较大过闸流量下,控流消能效果不佳,具有较大流速陡增特征.面板时均压强峰值均位于测点,底缘后倾方案下,闸门面板无负压现象,面板淹没面及防渗效果较优.基于模型试验结果,认为适配灌区挡水闸门底缘型式为后倾设计.关键词:三屯河灌区;闸门;模型试验;水力特征中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:张兵(),男,新疆呼图壁人,工程师,主要从事水工设计工作.E m a i l:m e y c o m.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 ,有助于推动闸门等水工结构设计水平.刘忠干、张龙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、钦立峰借助F l u e n t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、王蓓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.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 万h m,且灌溉面和以每年 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 k m,设 计 库 容 为 万m,最大库容为 万m,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 m,共有个小副拱,最小跨度为 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所示,两侧渠坡坡度为 ,衬砌板厚度为 m,渠深为 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 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 m/s,配置有 弧形钢闸门,净宽 为 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 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 k m,运营年限超过 a,部分渠道防渗效果与抗冻胀能力较弱,西干渠在长达 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.图三屯河灌区干渠典型剖面 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 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 k m,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 m,宽度为 m,高度为 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 m、m,采用刚性材料制作各水工设施接触面,挡水闸门为 m m,材质为有机玻璃,其为弧形闸门,弧度为 ,几何比尺设置为,模型试验流量比尺为 ,按照阿尔什泵闸设计流量 换 算 成 试 验 流 量 m/h、m/h、m/h、m/h、m/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(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、/线以及底边线处,过闸水流断面上共有 个监测点,间距为 m,面向闸门断面分别设置压强测点,如图(b)所示,共有个测点,其中闸门底缘处设置有个测点,各测点距离底缘的距离为断面衡量参数,梯次高度为 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 ,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.图模型试验中监测断面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c m,对闸门底缘构造特征开展试验对比,本试验中按照种底缘构造形式(底缘前倾 、底缘后倾 、圆弧底缘 、椭圆底缘 )分别开展相应的水力模型试验,由水力参第期张兵灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究数反映闸门底缘与过闸水流的适配性.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m闸段上水位变化特征,如图.依据图可看出,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 m/h工况中底缘前倾、圆弧底缘两方案 内 分 别 在 断 面 m、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 、.当 流 量 为 m/h、m/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 m/h工况内,闸门上、下游平均水位分别为 c m、c m,降幅为 ,虽然随过闸流量升高,在流量 m/h、m/h工况中,该方案下水位降幅分别达 、.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,.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 m/h、m/h工况中最大波幅段位于下游 m、m,分别为 、,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.图过闸水流上、下游水位变化特征 不同底缘构造下过闸水力特征 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 m/h工况中,流速分布为 m/s,而后倾方案下流速水平为最低,分布为 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 m/h、m/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 m/h,流速值分别平均提高了 m/s、m/s,增幅为 、;而底缘前倾方案内,出现了较显著陡增段,前倾方案内流量 m/h,测点A下流速分布为 m/s,平均提高了 ,而在流量 m/h工况,流速平均增幅可达 ,同样的现象在椭圆底缘中亦是如此,只是该方案在流量 m/h后才出现了较显著流速增长段.水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷综合分析可知,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 ,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.图不同过闸流量工况中流速特征图闸门面板时均压强变化特征 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,但不同底缘方案下,测点区间,压强降幅有一定区别,流量 m/h工况中,底缘前倾方案下流速从 m/s降低至 m/s,降幅为 ,而椭圆底缘方案下降幅为 ,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、分 别 达 到 了 零 压 强.总 体 上 看,测 点为时均压强的涨幅期,面板被水流淹没面较广,而在测点零压强,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 m/h后,整体上时均压强水平均有提高,底缘前倾测点分别增 大 至 k P a,增 幅 为 ,而底缘后倾、圆弧底缘两方案下时均压强增幅分别为 、,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、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、渗流安第期张兵灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究全以及控流降能效果最优.结论()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 m/h工况下水位变幅分别达 、;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.()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.()各方案下闸门面板时均压强峰值均位于测点,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 m/h、m/h工况中均具有零压强特征.()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.参考文献:何妙妙,仇辰焕泄洪闸门结构体型对水力特征与水沙演变影响研究J吉林水利,():刘祖楷基于C OM S O L与M I K E 下钢闸门静力场及水力特征影响 变 化 研 究 J水 利 科 技 与 经 济,():刘忠干基于A D I NA的水利枢纽闸门预应力结构参数设计优化研究J广东水利水电,():张龙基于静力场、动力场下田心节制闸钢闸门支撑结构设计分析 研 究 J甘 肃 水 利 水 电 技 术,():,韦晔佛山蒲坑水库增设闸门设施不同开度下水力特征研究J水利科学与寒区工程,():钦立峰某工程闸门水力特性及闸门启闭试验探讨J黑龙江水利科技,():杨健基于F l u e n t的水库闸门结构体型对水力特征及水沙特征影响研究J甘肃水利水电技术,():王蓓弧形闸门水力特性影响因素模型试验研究J吉林水利,():杨泽慧昆仑渠首改建水力模型试验方案研究J湖南水利水电,():刘斌长漳堤除险加固工程平板闸门水力特性试验研究J陕西水利,():庞敏敏基于F l u e n t A 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