扩建旗岭水闸入闸流态优化试验研究.pdf

旗岭水闸扩建后,流态发生了较大变化,扩建段存在回流等不良流态。另外,旗岭水闸上游的东深供水工程渡槽部分墩位于河道主槽内,对河道水流有一定的阻滞影响。通过对旗岭水闸扩建方案进行水工模型试验,提出了合理的上游清淤方案及东深供水渡槽墩防护优化方案,改善了水闸的入闸流态,可为同类工程设计及科研提供参考。关键词:旗岭水闸;流态优化;模型试验;扩建中图分类号:T V 6 6 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 0 6-0 5 收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 7;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 0作者简介:徐丹丽(1 9 8 6-),女,本科,高级工程师,主要从事水工结构设计工作。1 水闸概况石马河是东江的一级支流,发源于深圳宝安大脑壳山,流经深圳、东莞两市,于东莞市桥头镇新开河口汇入东江。旗岭水闸位于石马河干流下游,地处东莞市常平镇,为原东江深圳供水工程进入石马河的第一级拦河闸坝,闸址以上集水面积为6 8 2 k m2。1.1 扩建必要性旗岭水闸于1 9 6 5年建成,虽然历经多次维修加固,但工程仍存在较大安全隐患,特别是水闸经过几十年运行,壅水严重,启闭设施及建筑存在安全隐患。为提高河道蓄污调节能力,改善水环境、水生态,保障东江取水水源安全,需要对旗岭水闸进行改建及扩建。1.2 扩建前水闸布置扩建前水闸共 1 3孔,单孔净宽为6 m,闸墩厚为1.5 m,闸底板面高程为 7.2 4 4 m(8 5高程,下同),闸顶高程为1 8.2 4 4 m,工作桥桥面宽度为2.3 m,闸室后消力池斜坡段水平长度为8 m,坡比为14,水平段长为1 5.5 m,底高程为5.2 4 4 m,尾坎宽为1.5 m,顶高程为6.2 4 4 m。扩建前旗岭水闸航拍示意见图1。1.3 扩建水闸方案布置旗岭水闸改扩建主要内容为:旧闸加固及现有一级消力池后改造二级消力池、海漫和防冲槽;在右岸原溢流坝位置扩建泄水闸,闸墩形式同旧闸,新旧闸之间隔离导流墙拆除重建兼做施工导流墙。扩建旗岭水闸示意见图2。图1 扩建前旗岭水闸示意图2 扩建旗岭水闸示意1)旧闸加固:1 3孔旧拦河闸闸顶高程和闸室结构不变,将水闸工作桥净宽加宽至3.2 m。62)旧闸消能防冲改建方案布置:尾坎后接长3.5 m水平海漫段、水平长度为1 1.4 m、坡比为14,斜坡海漫段与二级消力池连接。二级消力池长为1 0.9 m,池底高程为3.3 0 m,尾坎顶高程为4.1 0 m,尾坎后水平海漫段长为1 8.8 m,斜坡海漫段坡度为1 2 0,水平长度为3 0 m,海漫后接长 1 4.4 m、深 1.8 m的抛石防冲槽,防冲槽后接石马河整治设计的河床高程为4.4 0 m。一级消力池的尾坎高程6.2 4 4 m不变,取消坎后长度为3.5 m水平段,设置1 5.2斜坡段与二级消力池连接。二级消力池池底高程为3.3 0 m,池长为 1 0.9 m,尾坎高度为0.8 m;二级消力池后水平海漫段长为1 8.8 m,斜坡海漫段坡度为1 2 0,水平长度为3 0 m,海漫后接长 1 4.4 m、深 1.8 m的抛石防冲槽,防冲槽后接规划整治河道地形高程4.4 0 m。3)扩建段新闸方案布置:堰型选用平底宽顶堰,闸底板面高程确定为7.2 4 4 m,闸室顺水流方向长度为1 0.5 m,共 9孔,单孔净宽为6 m,闸墩厚为1.5 m,闸顶高程为1 8.2 4 4 m,扩建段采用一级消力池方案,池底高程为5.2 4 4 m,池长为 2 0 m,池深为1.0 m,尾坎顶高程为6.2 4 4 m,消力池坎后设3.5 m长水平海漫,为与左侧加固段海漫衔接,水平海漫段后接坡度为1 2 0、长7 3 m的斜坡海漫,海漫末端防冲槽与加固段相同。1.4 上游地形衔接情况扩建前旗岭水闸右侧为溢流堰,溢流堰右侧为天然山体无堤防。扩建新闸位于原溢流堰处,拟拆除溢流堰,在原水闸右侧同一闸轴线处扩建6 m9孔新闸。新闸左侧与旧闸相连,右侧与石马河规划岸线的堤防相衔接。旗岭水闸扩建新闸与旧闸闸底板高程一致,均为7.2 4 4 m,而上游河道地形高程在1 0 1 3 m之间,右岸滩地高程较高。旗岭水闸上游的东深供水工程渡槽5#墩及6#墩位于河道主槽内,5#墩及6#墩横截面尺寸均为6 m 1 3 m(垂直水流方向顺水流方向),墩后存在绕流及回流流态,流速减缓明显,致使扩建新闸各闸孔流速分布整体不够均匀,对水闸正常运行产生一定不利影响。2 水工模型布置根据 水闸设计规范(S L 2 6 52 0 1 6)等规范要求,流态复杂的大型水闸枢纽布置设计成果应经过水工模型试验验证1-3。为了研究枢纽整体布置、水工建筑物设计的合理性及工程建成后对上、下游河道、堤岸等影响,对旗岭水闸改扩建方案开展水工模型试验4-5。2.1 模型范围考虑模型的相似性和模型进、出口段水流衔接的要求,结合旗岭水闸研究内容和要求,试验选取的研究范围为:模型上边界截取至闸址上游约1.5 k m河道,下游边界截取至闸址下游约1 k m河道,全长约2.5 k m。2.2 模型设计为了保证工程河段水流流态的相似,模型平面比尺不宜过大6-7,同时为了保证测量精度的要求,垂直比尺也不宜过大。但平面和垂直比尺如过小,模型占地较大,供水设备容量要求也较大,模型试验的成本也相应增大。此外,模型设计还必须满足阻力相似及流态相似要求,考虑场地的限制条件及模型制作的便利等因素。综合考虑试验河段水流特性、试验场地、水闸实际布置等条件,结合以往相关工程的研究经验8-1 1,确定模型为1 5 0的正态模型。3 模型试验研究任务及内容按工程功能的要求,水工整体模型试验研究任务主要包括:在确保上游旗岭渡槽安全的前提下,研究水闸建筑物与上、下游石马河河道综合整治方案的衔接形式,通过试验比选水闸扩建段上游清淤整治方案;研究闸上游东深供水工程渡槽墩防护型式对水闸进流的影响,必要时提出减小不利因素影响的优化方案;研究减少设计方案新闸闸孔数量的可能性,设计方案中新闸闸室9孔,每孔净宽为6 m。对建设单位和设计单位提出的1 0 m(净宽)5孔、1 0 m(净宽)4孔两种方案开展比选试验。3.1 扩建闸段上游地形清淤方案对比试验综合水闸上游河势特点,提出将扩建新闸段上游河道滩地清淤整治至6.7 4 4 m的清淤方案1。但考虑到扩建闸段上游1 0 0 m范围内现有渡槽的5#和6#墩存在,若将渡槽墩周围地形开挖45 m后可能会对渡槽的稳定性产生不利影响,为确保5#和6#墩安全,周边地形仅清淤至1 1.2 4 4 m(正常蓄水位),并适当扩宽闸上游过流宽度的清淤措施作为方案2和方案3。通过闸门全开试验,验证了在设计洪水P=2%(高水位)和P=2 0%(低水位)两组试验工况下,3个清淤方案的过流能力、泄流流态及流速分布,从水力学角度提出了扩建闸段上游清淤的推荐方案。72 0 2 3年8月 第8期徐丹丽,等:扩建旗岭水闸入闸流态优化试验研究N o.8 A u g.2 0 2 3试验得出了P=2%和P=2 0%洪水频率条件下,3个清淤方案的河道上下游及过闸流速和流态分布情况。从各清淤方案的过闸流态及流速分布来看,在高水位和低水位条件下,清淤方案1河道岸滩均较为顺直,整体流态平顺,受渡槽墩影响,墩后产生绕流及回流流态,局部流速减缓明显,影响范围向下延伸至墩后对应的闸孔内,引起进入闸室水流分布不均匀,横向呈波浪状分布,但总体来看各闸孔均为有效过流宽度,无明显回流及弱流流态存在。清淤方案2和3条件下,受上游未清淤滩地及渡槽墩阻水影响,新闸近右岸3孔闸上游出现明显的回流流态,相应闸室内流速明显小于其他闸孔流速,出现弱流流态,导致新闸泄流能力有所减小。3个清淤方案的闸上、下游水位情况统计见表1。表1 3个清淤方案的闸上、下游水位情况统计m 洪水频率P/%流量Q/(m3/s)上游水位Z上设计值试验值(4#)闸上游4 0 m下游水位Z下防冲槽水头差设计值试验值方案情况22 7 0 51 4.6 5 11 4.6 11 4.6 71 4.6 81 4.4 50.2 00.1 60.2 20.2 3清淤方案1清淤方案2清淤方案32 01 3 4 5/1 1.1 01 1.1 41 1.1 51 0.9 8/0.1 20.1 60.1 7清淤方案1清淤方案2清淤方案3从各清淤方案的闸上游水位情况来看,在高水位和低水位条件下,清淤方案1水闸上、下游水头差可满足设计要求,而清淤方案2和3受新闸部分闸孔过流能力不足影响,水闸上、下游水头差不能满足设计要求。因此,综合以上各清淤方案的水流流态、流速及闸上、下游水位情况来看,建议采用新闸上游清淤方案1作为清淤的推荐方案。3.2 上游东深供水5#渡槽墩防护方案优化试验根据水闸上游右岸清淤方案对比试验,提出了清淤方案1作为旗岭水闸上游右侧河道清淤的推荐方案,将水闸上游滩地清淤至6.7 4 4 m,现状滩地上5#槽墩承台顶部高程为1 1.1 0 m,清淤后5#墩承台及部分桩基础将出露4.4 m。为避免水流冲刷渡槽桩基础,影响渡槽运行安全,上游渡槽5#墩的设计防护方案采用1 3 m长的D 1 0 0 0灌注桩对原墩进行围护,灌注桩顶设置冠梁,灌注桩围护范围内顶部采用4 0 0厚格宾石笼护面。另外6#槽墩位于上游右岸整治设计的堤防迎水侧堤坡上,清淤后6#墩临河侧部分外露,采用与5#墩相同防护方案。通过闸门全开试验,验证了在设计洪水P=2%(高水位)和P=2 0%(低水位)两组试验工况下,旗岭渡槽5#和6#墩防护方案布置的合理性,从水力学角度提出防护布置的推荐方案。在P=2%洪水频率高水位条件下,设计防护方案上层水流主要受墩承台上部结构阻水绕流,墩后流速变化相对较小,而底流速受防护措施阻水影响较大,流速减小明显,形成面流速横向分布相对均匀,而底流速分布不均的入闸流态。在P=2 0%洪水频率条件下,设计防护方案墩后产生明显的绕流及回流流态,流速减缓明显,致使扩建新闸各闸孔流速分布整体不够均匀,对水闸正常运行产生一定不利影响。模型试验在设计防护方案基础上提出将设计防护方案外形修改为流线型的优化方案1和2,试验显示,流线型防护对水流的扰动影响较设计方案明显减小,入闸流速横向均匀度也明显提高,经试验比选分析,认为优化方案2条件下扩建闸段过流条件相对更加均匀,因此试验从水力学角度提出优化方案2作为东深供水渡槽5#和6#墩防护的推荐方案。P=2 0%洪水频率条件下3种方案过闸流态、流速分布示意见图3 图5。图3 设计防护方案过闸流态、流速分布示意图4 优化方案1过闸流态、流速分布示意82 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3图5 优化方案2过闸流态、流速分布示意4 优化方案效果分析旗岭水闸扩建后,入闸的流态就会发生较大变化,扩建段上存在回流等不良流态,经过研究3种清淤方案的过流能力、泄流流态及流速分布试验,从水力学角度提出了将水闸上游右侧滩地清淤至6.7 4 4 m的推荐方案。研究闸上游东深供水工程渡槽墩防护形式对水闸进流的影响,并提出了减小不利因素影响的优化方案。东深供水渡槽5#和6#墩防护优化及闸孔布置方案验证优化试验表明墩后产生明显的绕流及回流流态,流速减缓明显,致使扩建新闸各闸孔流速分布整体不 够 均 匀,对 水 闸 正 常 运 行 产 生 一 定 不 利 影响1 2-1 4,在墩采取流线型防护措施后,对水流的扰动影响较设计方案明显减小,入闸流速横向均匀度也明显提高。基于以上优化方案,对扩建新闸进行不同闸孔数量及净宽对比试验。旗岭水闸扩建段闸孔方案设计为6 m 9孔布置形式,根据研究内容,在保持闸底板高程7.2 4 4 m不变的条件下,模型试验需要开展1 0 m5孔和1 0 m 4孔的方案对比试验。通过观测闸上游水位及闸孔流速分布情况,提出旗岭水闸扩建段闸孔布置形式的推荐方案。试验的各闸孔布置方案条件下,设计方案(扩建段过流净宽5 4 m)和对比方案1(扩建段过流净宽5 0 m)的闸上游水位较为接近,在P=0.5%和P=2%工况下,闸上下游水头差均小于设计的0.2 2 m和0.2 0 m,满足设计的过流能力要求;而对比方案2由于扩建段过流净宽减小至4 0 m,闸上游水位壅高明显,在P=0.5%和P=2%工况下,闸上下游水头差均大于设计的0.2 2 m和0.2 0 m,不能满足设计的过流能力要求。其他洪水频率条件下,对比方案2的闸上游水位均明显高于设计方案和对比方案1。经试验,设计方案和对比方案1的闸孔布置形式均满足旗岭水闸设计过流能力的要求,但设计方案采用的闸孔布置形式与旧闸一致,更加便于新、旧闸的统一调度运行及维修管理,其次方案1过闸流速较大,对下游消能防冲造成压力也相对较大,因此建议扩建段水闸布置形式采用6 m9孔的方案。不同闸孔布置方案闸水位流量情况统计表见表2。表2 不同闸孔布置方案闸水位流量情况统计m 洪水频率P/%流量Q/(m3/s)扩建方案上游水位Z上闸上游1 5 0 m下游水位Z下试验水头差0.53 5 2 5设计方案(6 m 9孔)对比方案1(1 0 m 5孔)对比方案2(1 0 m 5孔)1 6.4 31 6.4 51 6.5 21 6.1 10.3 20.3 40.4 122 7 0 5设计方案(6 m 9孔)对比方案1(1 0 m 5孔)对比方案2(1 0 m 5孔)1 4.7 21 4.7 51 4.8 11 4.4 50.2 70.3 00.3 652 1 5 4设计方案(6 m 9孔)对比方案1(1 0 m 5孔)对比方案2(1 0 m 5孔)1 3.4 71 3.4 91 3.5 51 3.2 10.2 60.2 80.3 42 01 3 4 5设计方案(6 m 9孔)对比方案1(1 0 m 5孔)对比方案2(1 0 m 5孔)1 1.2 61 1.2 71 1.3 31 0.9 80.2 80.2 90.3 55 结语本研究通过典型洪水频率泄洪试验研究,经多个方案的优化试验,验证了旗岭水闸改扩建各方案布置型式的优缺点。通过开展水闸布置优化试验,确定了闸上游1 0 0 m范围内清淤至6.7 4 4 m的清淤方案、对东深供水渡槽5#和6#桥墩防护进行了优化,比选出了扩建段闸孔布置的较优方案(6 m 9孔),形成了基于较优水流条件和过流能力的水闸布置推荐方案,可为同类工程设计及科研提供参考。参考文献:1 徐波,张从从,夏辉,等.非对称式闸站结合式泵站前池流态模型试验研究J.水电能源科学,2 0 1 8,3 6(7):1 6 0-1 6 2,3 2.2 黄建军,郑源,张盾.泵闸结构流场的水力特性J.排灌机械工程学报,2 0 1 0,2 8(2):1 4 9-1 5 4.3 张鸿伟.基于C F D数值模拟的闸站合建进水池设计研究J.水利规划与设计,2 0 2 2(1 0):1 2 0-1 2 4.4 包中进,陆芳春,史斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究J.中国农村水利水电,2 0 0 5(5):6 0-6 3.5 朱红华,陈卓英,张从联,等.东莞市运河整治工程峡口水闸扩建水工模型试验研究J.广东水利水电,2 0 1 2(3):2 3-2 5,3 8.6 羽海英,赖冠文,张广传,等.北江大堤加固达标工程92 0 2 3年8月 第8期徐丹丽,等:扩建旗岭水闸入闸流态优化试验研究N o.8 A u g.2 0 2 3西南水闸水工模型试验研究J.广东水利水电,2 0 1 3(4):1 9-2 1.7 宋兵伟,郑仲寿,赵博.大型高落差水闸水力特性模型试验研究J.水电能源科学,2 0 1 5(1):1 6 9-1 7 2.8 林道通,周盛侄,徐 岗,等.清溪水库泄洪闸水力特性及调节池优化试验研究J.浙江水利科技,2 0 2 2(4):1-4.9 刘鹏,高振海.黄埔涌水闸过闸流量模型试验研究J.广东水利水电,2 0 1 0(1 1):7 6-7 8.1 0 王丽雯,刘达,邱静.赤吟水闸枢纽工程水工模型试验研究J.广东水利水电,2 0 1 3(6):1 6-1 8,4 1.1 1 麦栋玲,陈卓英,黄智敏,等.西溪水闸重建工程水工整体模型试验研究J.广东水利水电,2 0 1 5(2):2 5-2 8.1 2 高振海,康亮,刘鹏.蕉东闸桥大跨度水闸流量模型试验研究J.广东水利水电,2 0 0 6(1 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t e r n s s u c h a s b a c k f l o w i n t h e e x t e n s i o n s e c t i o n.I n a d d i t i o n,s o m e p i e r s o f t h e a q u e d u c t o f t h e w a t e r s u p p l y p r o j e c t o f e a s t d e p t h u p s t r e a m o f Q i l i n g S l u i c e a r e l o c a t e d i n t h e m a i n c h a n n e l o f t h e r i v e r,w h i c h h a s a c e r t a i n b l o c k i n g e f f e c t o n t h e r i v e r f l o w.B a s e d o n t h e h y d r a u l i c m o d e l t e s t o f Q i l i n g s l u i c e e x p a n s i o n s c h e m e,a r e a s o n a b l e d e s i l t i n g s c h e m e i n t h e u p p e r r e a c h e s a n d a n o p t i m i z a t i o n s c h e m e f o r t h e p r o t e c t i o n o f a q u e d u c t p i e r i n t h e e a s t d e p t h a r e p u t f o r w a r d,w h i c h i m p r o v e s t h e f l o w p a t t e r n o f t h e s l u i c e a n d p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r s i m i l a r e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d s c i e n t i f i c r e s e a r c h.K e y w o r d s:Q i l i n g s l u i c e;f l o w p a t t e r n o p t i m i z a t i o n;m o d e l t e s t;e x t e n s i o n(上接第5页)S t u d y a n d A p p l i c a t i o n o f t h e U p s t r e a m I n l e t C h a n n e l o f B a r r a g e H y d r o p o w e r S t a t i o n HUA N G Z h i m i n1,2,L U H a n z h u1,2,F U B o1,2,HUA N G J i a n d o n g1,2(1.G u a n g d o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f W a t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r,G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5,C h i n a;2.G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o d y n a m i c s,G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e b a s i s o f s u mm a r i z i n g t h e h y d r a u l i c m o d e l t e s t r e s u l t s o f t h e u p s t r e a m w a t e r i n l e t c h a n n e l o f s o m e h y d r o p o w e r s t a t i o n o f t h e s l u i c e w a t e r c o n t r o l p r o j e c t i n G u a n g d o n g P r o v i n c e,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e l a y o u t a n d s h a p e o f t h e u p s t r e a m w a t e r i n l e t c h a n n e l o f t h e h y d r o p o w e r s t a t i o n,a n d m a i n l y i n t r o d u c e s t h e o p t i m i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n r e s u l t s o f t h e u p s t r e a m w a t e r i n l e t c h a n n e l,s u c h a s d i v e r s i o n w a l l o p e n i n g p o r e,s t e p p e d d i v e r s i o n w a l l a n d t r a s h r a c k g a t e d i v e r s i o n w a l l,e t c.o f u p s t r e a m w a t e r i n l e t c h a n n e l.T h e r e s u l t s c a n b e u s e d a s r e f e r e n c e f o r s i m i l a r e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d o p e r a t i o n.K e y w o r d s:b a r r a g e;h y d r o p o w e r s t a t i o n;u p s t r e a m i n l e t c h a n n e l;l a y o u t;t e s t s t u d y012 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3