杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究_吴佳伦.pdf

湖南水利水电 2023 年第 3 期他 山 之 石吴佳伦（湖北省汉江河道管理局杜家台分洪闸管理分局，湖北 仙桃433000）收稿日期：2023-02-19作者简介：吴佳伦（1985-），男，湖北仙桃人，大学本科，工程师，研究方向：水利水电工程管理，E-mail:wht_。摘要：为了实现对闸室消能防冲刷水流及其携带动能的控制，文章以杜家台分洪口闸室为例，设计了一种全新的消能防冲刷控制方法。实例应用实验证明：所设计的控制方法在应用中效果良好，不仅可以实现对上游水流流速的控制，还可以实现对水体携带动能的有效消能。关键词：杜家台；分洪口闸室；消能防冲刷；控制；设计方法引言消能是指在水利工程或泄水构筑物的建设过程中，为降低或防止由于上游水流对下游建筑物、河渠等造成的冲刷破坏问题，从而采取的消耗水流携带冲刷能量、分散水体向下冲击力而采取的控制措施。由于闸室前后水位高程不等，水闸上、下游落差会将水体的势能大量转化为动能，导致过闸的水流流速大大提高，从而对下游河床及两岸产生严重的机械冲刷和侧向侵蚀，特别是底部冲刷引起的溯源侵蚀，更会使冲刷范围从下游不断后退到达闸室地基，进而造成水闸空悬甚至发生崩塌，危及水利工程或分洪口的安全1。因此，在水闸闸室的设计方案中加入控制下的消能防冲刷技术与措施，对于确保水利枢纽的工程安全至关重要。根据现阶段相关工作的实施进展可知，目前的设计成果还不能在水闸工程中发挥更好的作用，所采取的措施对消能防冲刷控制效果较差2。同时，在此相关工作的研究中发现，现有的消能防冲刷控制的设计成果较少，尽管相关消能防冲刷控制的物理模型与观测模型已基本建成，但只适用于某地区特定的水闸工程，并不适合在更大范围的水利工程领域推广使用。为进一步深化消能防冲刷控制效果，本文以杜家台分洪口闸室为例，设计一种全新的消能防冲刷控制方法，保证下游水力设计的合理规范。1闸室消能防冲刷控制目标函数设计目前，闸室消能防冲刷采用的技术措施主要包括底流消能、挑流消能以及面流消能。就具体水利工程而言，适用的技术方案选择主要取决于过闸的水流流量、上下游水位差、水利工程工况条件以及工程地质状况等因素。闸室消能防冲刷的计算是水闸工程设计中的一项重要环节，其中消力池、海漫段及防冲刷槽等消能防冲刷设施的结构尺寸都必须经过严格计算才能确定。为实现对杜家台分洪口闸室消能防冲刷的控制，需要从计算水位组合的选取、河道不冲流速以及允许流量的计算、闸门开度及过闸流量的确定、消能防冲刷计算过程、消能防冲刷设施布置等方面进行控制。通过引进紊流模型，利用紊流模型中的雷诺时均法，建立控制目标函数3，对水闸工程消能防冲刷设施进行设计。在此过程中，根据杜家台分洪口闸室运行工况，建立上游水体连续方程（1）与动量方程（2），方程表达式如下：杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究92DOI:10.16052/ki.hnslsd.2023.03.029吴佳伦/杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究t+uixi=0（1）式中体积分数平均的密度；ui分子黏性系数；xi时间；t动耗散率。uit+xj（uiuj）=-xi+xj（+t）（uixj+ujxi）（2）式中紊流黏性系数；j张量。上述计算公式中，i 的取值为正整数，包括 1，2，3等。在上述设计内容的基础上，建立杜家台分洪口闸室水面模拟模型，模型需要参照 VOF 模型构建4。在此模型中，假设水流中单相流呈现相同状态，此时造成水流出现流速差的主要原因是流体密度与分子黏性系数差异。因此，可以根据流体的体积分数，通过对流体体积的加权平均计算，得到流体密度的体积分数函数5。函数表达式如下：=1+（1-）2（3）式中水体的体积分数；1水体密度；2空气密度。在上述设计内容的基础上，将流体流速作为杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标，根据闸室中间段的支孔数量及其空间几何尺寸参数，建立闸室三维结构模型6。同时，使用六面图与五面体网格划分成三维结构模型，分为若干个网格区域，再将杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制工作作为单元控制目标，建立如下计算公式所示的目标函数。函数表达式如下：f（）=C（）k2（4）式中f（）杜家台分洪口闸室消能防冲刷流速目标；C微分方程；有限容积法；k单元控制目标；网格区域。按照上述方法，完成杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标函数的设计。2设计消力池控制条件在上述设计内容的基础上，将杜家台分洪口闸室消能防冲刷消力池作为目标函数的约束条件，通过设计控制条件以明确函数的约束方式。根据杜家台分洪口闸室中闸孔宽度，参照闸孔净孔宽度与闸室的分布，掌握闸室中总孔数7。判定并识别杜家台分洪口闸室的下游段是否需要在运行中布置消能装置和并确定消能装置的布置数量。如果明确分洪口闸室需要布置消力池作为消能装置，可以根据消能控制情况设计闸道的交合水位8。同时，将设计水位作为分洪口闸室闸门全开时泄洪水位，当出现淹没出流情况时，定义此时为无需消能情况。考虑到杜家台分洪口闸室在正常使用条件下，上游水位为河道的最高蓄水位，只有闸门出现局部开启行为时才会出现闸门水流流速过大的问题，从而造成较为严重的河床冲刷现象。将出现此种现象作为前提条件，在杜家台分洪口闸室对应布置消能设施，设计消能设施的约束条件，约束条件表达式如下：h1=q22g2/E0-h1（5）h2=h1/21+q2gh1-()1（6）式中h1分洪口闸室水流跃后水深（m）；h2分洪口闸室水流收缩水深（m）；E0杜家台分洪口闸室上游水流总体势能（J）；q水流过闸时，单闸最大流量m3/（s m）；水流流速控制系数，通常情况下，的取值为常数，此次计算中，取值 为 0.85；g重力加速度（m/s2）。按照上述方式，完成对杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制中消力池控制条件的设计。3分洪口闸室消能防冲刷控制量计算完成上述设计后，在操作终端创建控制驱动程序，通过对分洪口闸室消能防冲刷控制量的计算，实现对消能防冲刷的控制。在操作终端界面中创建一个窗口，在此窗口中创建并设置 4 个驱动程序指令，其中程序1 为参数输入程序；程序 2 为分洪口闸室孔口设计程序；程序 3 为消能控制实时情况反馈程序；程序 4 为闸口收缩断面水面试算程序。在此过程中，在程序 1 中输入现有与分洪口闸室相关的参数条件，输入参数条件应该包括：设计过闸流量、底板高程、单孔闸宽、流速系数、水流动能校正系数、消力池底宽数、边坡系数以及重力加速度系数。参照 水闸设计规范 的标准要求，明确水流动能校正系数取值为正数，设定此系数的取值在 1.051.10 之间，根据程序 3 反馈的数据计算出泄洪流的控制量，计算公式如下：Q=b2g（H0-e）（7）93吴佳伦/杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究式中Q泄洪流控制量；开启度；闸门垂直收缩系数；b杜家台分洪口闸室中闸门宽度；H0闸室可开启孔数。根据计算的控制量，驱动程序 4 控制分洪口闸室消能防冲刷行为，一旦上游出现泄洪行为，可以根据程序 3 反馈的实时水位数据，立即驱动控制行为。按照上述方式，完成控制方法的设计，杜家台分洪口闸室消能防冲刷计算成果见表 1。4实例应用分析上文完成了分洪口闸室消能防冲刷控制方法的设计，为实现对此方法在实际应用中效果的校验，下面以杜家台分洪口闸室为例，通过实例应用的方式，检验本文设计控制方法的有效性。为确保控制工作的规范化实施，在开展相关研究前，应先采用现场勘察的方式，搜集并汇总杜家台分洪口闸室基本运行情况。本次研究的闸室为开敞式泄洪闸，根据其建设工程信息，统计泄洪闸概况。相关内容见表 2。掌握杜家台分洪口闸室的基本情况后，使用本文设计方法启动控制闸室消能防冲刷行为。控制过程中，根据闸室设计运行条件设定分洪口闸室消能防冲刷控制的目标函数，在此基础上设计消力池控制条件，通过对分洪口闸室消能防冲刷控制量的计算，实现对分洪口闸室消能防冲刷的控制。完成控制后，计算杜家台分洪口闸室消能防冲刷各个断面的流速，将其与下游闸道水流流速进行对比，检验杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制效果。见图 1。图 1 中：（1）表示下游水体流速；（2）（4）表示杜家台分洪口闸室消能防冲刷各个断面水体的流速。从图 1 所示的结果可以看出，下游水体流速稳定在（13）m/s 范围内，上游水体经过消能防冲刷控制后，流速明显快速下降，并在 12 s 后稳定在 3 m/s 范围内，即设计的方法实现了对上游水流流速的有效控制。在此基础上，按照下述公式，计算消能控制后的水流动能：e=V22g（8）式中e消能控制后水流动能；V水流流速；g重力加速度，计算中 g 的取值为常数。最后统计 3 个断面的水流动能变化情况，其结果见图 2。建筑物计算工况流量/m3s-1跃前水深/m跃后水深/m下游水深/m计算池深d/m消力池长度/m消力池底板厚度/m1号闸室施工导流（10年一遇）6 5603.3116.914.606.0292.702.8230年一遇洪水6 3602.6815.8110.854.7171.523.56设计洪水6 4142.7315.9210.904.7571.882.58校核洪水13 2335.1523.3514.906.9599.443.93设计洪水3 2062.7315.9210.904.7571.882.58校核洪水6 6175.1523.3514.906.9599.443.9330年一遇洪水3 1802.6815.8110.854.7171.523.562号闸室表1杜家台分洪口闸室消能防冲刷计算结果表2杜家台分洪口闸室运行基本概况序号项目参数1上游与下游河道底部宽度23 m2边坡倾斜比1.01.53闸道设计过闸流量值100 m3/s4设计上游水位6.2 m5设计下游水位6.1 m6闸道校核流量145 m3/s7河道上游在正常条件下的蓄水位5.2 m8河道上游最高蓄水位6.0 m9闸坝顶部高程7.8 m10闸坝底部高程1.2 m11建筑物等级3级图1杜家台分洪口闸室消能防冲刷水体流速控制效果109876543212时间/s4681012流速/ms-1（1）（2）（3）（4）图2断面动能变化趋势图2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.22时间/s4681012动能/J（1）（2）（3）94四种方案进行技术、经济比较，四种方案均为常规性设计的合理方案，材料来源、施工难度和稳定性均没有太大差异，综合项目区的实际情况，结合对最终效果的分析以及造价，选择方案三为推荐方案，在保护人民生命财产安全的前提下，兼顾景观要求，提高生态效益并保证经济效益。5结语通过对水利工程建设项目总投资的合理确定和控制，对于项目建设全过程都具有重要意义，可行性研究阶段估算金额对于项目前期决策至关重要，而在初步设计阶段的总投资是项目的关键环节，项目建设前期的投资确定工作是后期实施过程中资金的保障。参考文献：1王晖.新疆水利工程造价中计列安全生产费分析研究J.水利建设与管理，2023，43（1）:56-60.2李梦雅，陈佳琪.浅谈BIM在水利工程造价管理中的应用J.治淮，2022（2）:58-59.3杨丹.浅谈水利工程造价管理中存在的问题及建议J.建材与装饰，2020（20）:134-135.4赵天宝.当前中小型水利工程造价管理存在的问题及对策J.水利技术监督，2020（4）:92-95.5林兰英.浅谈水利造价的预结算审核J.四川水泥，2019（6）:243.6陈紫嫣.设计阶段水利工程造价管理与对策J.湖南水利水电，2022（4）:102-104.7黎浩强.从业主方角度探讨水利工程造价动态管理与控制J.湖南水利水电，2021（2）:92-94.（上接第87页）吴佳伦/杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法研究图 2 中，（1）（3）表示 3 个断面的水流动能变化情况。从图 2 所示的实验结果中可以看出，上游水流动能显著下降，并在经过 12 s 时，其动能已经趋近于 0。由此可以看出，本文设计的杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制方法，在实际应用中效果良好，该方法不仅可以实现对上游水流流速的控制，还可以实现对水体携带动能的有效消能。5结语文章通过设计杜家台分洪口闸室消能防冲刷控制目标函数、设计消力池控制条件、分洪口闸室消能防冲刷控制量计算，完成分洪口闸室消能防冲刷控制方法的设计。该方法在通过实践检验后证明具有实际应用价值，利用此方法可以实现对上游水流流速与携带动能的有效控制。参考文献：1宫宝军，郭学太.船闸闸室大型移动模架施工技术在涡河蒙城枢纽建设工程中的应用J.治淮，2021（11）:55-58.2傅长锋，韩李明，尹健婷，等.挑流消能水工模型试验及挑距、冲刷坑深度估算方法J.水电能源科学，2021，39（12）:137-140.3何良德，王航，黄挺，等.厚覆盖层高水头船闸闸室-省水池布置及地基处理方法J.水运工程，2022（3）:71-77.4彭永勤，彭涛.白石窑一线船闸闸室尺度变更后下引航道通航水流条件试验研究J.水运工程，2022（6）:106-111.5赵雪萍，李宜伦，赵玉良，等.前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究J.人民黄河，2021，43（4）:134-136.6郭博文，鲁立三，王荆，等.基于有限元法的跌水闸闸室结构抗震安全复核研究J.中国农村水利水电，2021（7）:155-160.7何晓初.浅析底流式消能设施下游河床冲刷深度计算方法以都江堰平原灌区低水头泄水建筑物为例J.四川水利，2020，41（1）:82-83，92.8汪婧，张翔，黄乐，等.曝气冲刷对膜生物反应器膜污染的控制机理研究进展J.环境污染与防治，2020，42（5）:619-623.95