海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

发布时间：2019-09-14 09:47

【摘要】：低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。
【图文】：

２ｍ×６．５ｍ（宽×高），闸室底板高程－３．００ｍ。水闸上游内河设计常水位为１．５０ｍ，２０年一遇设计洪水位３．３５ｍ，１００年一遇设计洪水位３．８７ｍ，水闸下游外海１００年一遇设计潮位４．６３ｍ。正常运用情况下，确保上游１．５０ｍ的设计常水位，当遭遇大潮时关闭闸门挡潮；当大洪水和大潮同时出现潮位高于洪水位时关闭闸门，启用滞洪区；当潮位低于洪水位时开启闸门泄洪。水闸设计排洪最大过闸流量为７３５ｍ３／ｓ。水闸整体布置示意图见图１。图１水闸布置示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｌｕｉｃｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ当水闸下游受海潮影响时，下游水位会出现较大变动，使出闸水流从自由流到淹没流，从急流到缓流均有可能发生，导致水流更加复杂，从而对消能设施也提出了更高的要求［１～３］。目前对多级消力池消能结构的设计尚无相应的规程规范，消能结构的选用和优化设计，只能通过模型试验加以研究和优化确定［４，５］。为此，本文根据晋江滨海新区填海造地工程＃１水闸排洪工况的水流特点和消能防冲要求，针对原设计一级消力池容易波状水跃和消能率低的问题，通过对＃１水闸模型外海消能结构进行多次优化试验，提出水闸在海潮影响下消能问题的解决方案和消能结构优化措施，研究结果可供类似工程借鉴参考。２试验设计、量测方法及一级消力池方案（１）试验设计。试验采用水闸整体物理模型方法，模型按重力相似定律设计，模型几何比尺为１∶３０，流量比尺为１∶４９２９．５，速度比尺为１∶５．４７７。水闸纵轴线左右各取１６０ｍ，此外取坝址上游３００ｍ

５．０－６．３－４．０二级消力池加深试验４２５．０－５．３－４．０５０．０－６．３－４．０二级池消力加深加长试验５２５．０－５．３不等２５．０－５．３不等尾坎高程组合优化试验６２５．０－５．３－４．０２５．０－５．３－４．８辅助消能措施优化为－４．００ｍ。设置二级消力池后，二次水跃产生于第二级消力池内，但消力池下游在工况１、２、３下仍产生明显的波状水跃。并测得二级消力池尾坎处流速依然很大，在５ｍ／ｓ左右。工况２外海侧水流流态见图３。图３初设二级消力池试验下水流流态Ｆｉｇ．３Ｗａｔｅｒｆｌｏｗｒｅｇｉｍｅｕｎｄｅｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄｌｅｖｅｌｓｔｉｌｌｉｎｇｐｏｏｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎ根据图３，并结合现有理论研究成果和工程经验，初步判断为消力池池深或池长不够或尾坎高程不合理。３．２．２二级消力池加深试验根据初设二级消力池试验结果，将二级消力池底高程加深至－６．３ｍ，池长和尾坎高不变。在工况１、２、３下二级消力池内水流均产生稳定的水跃。二级消力池末端最大流速在３ｍ／ｓ上下，防冲槽平均流速２．０～２．５ｍ／ｓ，二级消力池取得了较好的消能效果，但出池流态较差，需进一步优化。在工况２下，其垂向流速分布见图４。３．２．３二级消力池加深加长试验根据二级消力池加深试验结果，将二级消力池底高程加深至－６．３ｍ，长度加长至５０ｍ。工况１、２、３下，二次水跃发生在第二级消力池内，，二级消力池内近底流速在２ｍ／ｓ上下，但在工况２下，二级消力池出池流速仍较大，最大流速达４．３ｍ
【作者单位】： 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室;河海大学水利水电学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(5167090977)
【分类号】：TV653

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本文编号：2535824