1、加大青草沙水库下游水闸排水能力后的水力计算分析摘要：在不改变水闸现有结构的前提下，通过增加闸门开度，采取适当的辅助消能措施，可以加大青草沙水库下游水闸排水流量，加速青草沙水库水体的流动，缩短青草沙水库的换排水周期，是防止水质恶化的有效措施之一。并对提出的各种辅助消能措施，通过水力计算验证其可行性。 关键词：青草沙水库；下游水闸；水力计算；筑堰雍水；海漫加糙 中图分类号：TV2 文献标识码： A 1 前言 上海市青草沙水库位于长江口的长兴岛北侧，为蓄淡避咸水库，非咸潮期引水入库供水，咸潮期通过预蓄水量来满足上海市市民饮用水的原水供应。当前，从青草沙水库实际运行的情况来看，夏季高温时节，部分水浅的
2、库区边缘地带有藻类生长的趋势，如不及时进行防治，将会对水库的供水安全造成危害。 藻类的生长既有光照、水温、营养盐浓度等因素，又有水动力不足（如停留时间过长）等因素。下游水闸是青草沙水库主要的排水口门，水闸总净宽 20m，分三孔，采用平面直升钢闸门，液压启闭机启闭，排水控制流量为 175 m3/s，运行过程中主要通过控制闸门开度控制排水流量。如能在不改变水闸现有结构的前提下，通过增加闸门开度，并采取适当的辅助消能措施，加大青草沙水库下游水闸排水流量，加速青草沙水库水体的流动，缩短青草沙水库的换排水周期，是防止水质恶化的有效措施之一。本文以常规水力计算为手段，通过分析水闸的过流能力及加大水闸下泄流
3、量的可能性，提出相应的工程措施，并分析其可行性。 2 过流能力分析 一般水闸设计时，往往对不同水位组合下的排水流量做了限制性要求，以此来提高运行期水闸下游消能设施的安全性，并节省消能设施的工程量。根据目前的运行调度要求，下游水闸各种水位组合下的过闸单宽流量控制在 15m3/s 以内，见表 1。 下游水闸排水时，闸门局部开启，单宽流量随潮位变化控制在7.67m3/s 至 14.00m3/s 之间；部分工况下，单宽流量较小，相比最大单宽流量 14.00m3/s，若能加强现有消能工，单宽流量还有较大的提升空间。为此，在排水工况时，取库内水位为 4m（上海吴淞高程，非咸潮期库内设计高水位） ，相应库外
4、水位连续变化，对不同水位组合对应的闸门开度进行计算，计算结果见表 1。 表 1 水闸设计排水控制过闸单宽流量及闸门开度表 此外，为反映过闸单宽流量与闸门开度的关系，对单宽流量加大到15m3/s（上海地区水闸设计单宽流量的较大值）时各水位组合对应的闸门开度，以及闸门全开时不同水位组合下的泄流能力进行计算。计算结果分别见表 2。 表 2 水闸排水流量计算成果表（加大单宽流量） 注：1、下游水闸底板顶面高程-1.50m。 根据以上计算成果，可得到以下 5 点结论： （1）下游水闸 3 孔闸门均匀开启，排水单宽流量达到原设计运行控制排水单宽流量时，闸门开度较小；在最不利工况（水库侧水位 4.00m，长
5、江侧水位 0.92m）条件下，闸门开度仅为 1.26m。 （2）下游水闸的排水单宽流量加大到 15m3/s，而长江侧水位低于3.00m 时，对应的闸门开度在 2.403.16m 之间，仍需通过控制闸门开度控制排水流量。 （3）当闸门全开，水流流态均属于堰流，水闸排水单宽流量保持在20.50 m3/s，对应的总排水流量达到 410 m3/s。当长江侧水位高于3.00m 时，堰流淹没系数将小于 1.0，排水流量在下游水位顶托作用下随着长江侧潮位的升高逐渐下降。 （4）若青草沙水库水位为 4.00m，将下游水闸各工况条件下的单宽流量均加大到 15m3/s，在一个潮位过程条件下，水闸排水量约为2484
6、.00 万 m3，较原设计增加约 44.5%。 （5）若青草沙水库水位为 4.00m，闸门全开排水，单宽下泄流量为20.5m3/s，在一个潮位过程条件下，水闸排水量约为 3378.24 万 m3，较原设计增加约 96.4%。 青草沙水库实际调度运行时，经历一个涨落潮过程大约 12 小时，此时库内水位一般不会有很大变化，而库外水位变化很大，实际水闸运行水位组合很多。当长江潮位较高时，水闸下游抗冲能力增加，排水单宽流量可随潮位的升高适当加大。因此，通过改变水闸运行调度方式，增加闸门开度，能够加大下游水闸排水能力。加大青草沙水库下游水闸排水流量，可加速青草沙水库水体的流动，缩短青草沙水库的换排水周期
7、。3 水闸各部位抗冲流速 下游水闸加大下泄流量后，水流流速应小于各部位建筑物的最大抗冲流速；如超过抗冲流速，必须采取相应的工程措施进行保护。水闸各部位抗冲流速具体为： （1）现浇钢筋混凝土最大抗冲流速为 8m/s； （2）C20 灌砌块石海漫最大抗冲流速为 2.5m/s； （3） “混凝土铰链排+抛石”护滩最大抗冲流速为 1.5m/s。 （4）长江侧滩面的不冲流速取为 0.5m/s。 4 加大下泄流量后将出现的问题 青草沙水库下游水闸区域及邻近新建围堤堤段堤基上部土层主要为粉性土混（淤泥质）粘性土、砂质粉土、粉砂层，一般厚度为13.217.6 m，抗冲刷性能相对较差，受江水和潮汐的作用，极易产
8、生冲刷、侵蚀。由于下游水闸运行水位变幅大，具有双向进出水和低佛氏数水跃消能特性，增大泄量后，必然会产生一系列水力学问题，经过分析，将主要表现在： 闸下水流衔接形态改变，形成远驱水跃； 2）跃首佛氏数降低，消能率减少，水面波动加大； 3）海漫上水流可能发生脱流，导致流量集中以及海漫水流流速增大，产生冲刷等。在水闸初始泄流时，海漫段水位尚未上涨，增大泄量后，即使水流能充分扩散，其涨水波的波速有可能大于海漫的抗冲流速2.5m/s，导致海漫破坏。 5 消能防冲措施与水力计算分析 针对下游水闸加大排水流量后出现的各种水力学问题以及如何防止闸下冲刷，国内外学者无论在形式上还是在机理上均已进行了长期而深入的
9、研究。然而时至今日，在平原灌区水闸的闸下，冲刷破坏现象仍很严重，且普遍存在。从消能防冲的角度考虑，有效的解决方法是：增设辅助消能工，抬高闸下跃后水深，使得下泄水流在消力池内形成稍许淹没水跃，以达到消能的目的。对提出的各种消能措施，通过水力计算验证其可行性。 5.1 消能防冲措施 （1）筑堰壅水 基于堰顶水头与流量的关系，在海漫始端或海漫末端筑堰壅水，抬高池后水深，使之大于跃后水深。 （2）海漫加糙 基于水流阻力与重力的关系，在海漫加糙，抬高水面线。一方面促使池后水深增加，使之大于跃后水深；一方面，加速水流扩散，调整垂线流速分布，减少水流冲刷力。 5.2 海漫始端筑堰壅水方案水力计算分析 海漫始
10、端筑堰与原有的消力池共同构成综合式消力池。水力计算的任务就是在满足消力池形成稍许淹没水跃的前提下确定堰高 S，同时验证堰后的水流形态是否发生二次跌落。计算简图如图 1 所示。 图 1 综合式消力池计算简图 水面在堰前雍高而加大了墙前水深，形成淹没水跃，为使堰前形成稍有淹没的水跃，池中水深应为 （1） 其中，水跃淹没度，取 1.05。则堰前总势能为 （2） 式中 d0 为消力池深度。 堰的过流能力计算可按折线形实用堰计算，假设堰高为 S，则堰上水头为： （3） 堰顶总水头为： （4） 式中消力池末端宽度，取， 为动能校正系数。 实用堰堰顶过流公式： （5） 其中流量系数取 0.42，淹没系数自由
11、出流取 1。淹没出流由下式确定： =f（， ） （6） 基于堰顶高度的下游相对水深， 下游相对堰高 上述 6 个方程含 6 个未知数，理论上有一定解。但方程（6）为隐式，需要查表求出，故需要试算。经试算，对给定的控制消能工况，增大泄量到，在消力池末端筑高度为 0.8m 的梯形堰，可保证消力池内形成淹没水跃，且堰后为淹没出流。 现状下游水闸长江侧消力池尾坎为差动式，坎高 1.12m，坎底高程-1.50m，坎顶高程 0.38m；根据文献水闸设计 （袁银忠等，上海科学技术出版社）介绍，差动式尾坎的消能作用，相当于高度等于 1/2 坎高的整体式消力坎的消能作用。则 1.12m 高的差动式尾坎相当于高度
12、等于0.56m 整体式消力坎，不满足前述分析加大泄量需要在消力池尾坎加设0.8m 高梯形堰的要求。 考虑将原差动式尾坎坎间抛投梯形块体将其改造成连续坎，坎高1.12m，复核其淹没度，分析其消能效果、并验证消能率的变化情况。经计算，则淹没度 =1.33。基于文献水工设计的理论和方法，王世夏编著，中国水利水电出版社介绍，当淹没度在 1.051.10 时，淹没水跃的消能率稍大于自由水跃的消能率，而后随淹没度增大，消能率逐渐减少。可见淹没度过大，对消能不利。由此可见，将差动式尾坎改造成1.12m 高的整体式消力坎后消能效果并不理想。 综上分析，考虑将原差动式尾坎坎间抛投 0.5m 高梯形块体，仍然为差
13、动式尾坎；根据前述分析，此差动式尾坎相当于高度等于 0.81m 整体式消力坎，满足前述分析加大泄量需要在消力池尾坎加设 0.8m 高梯形堰的要求。 5.3 海漫段流速及海漫加糙措施分析 （1）海漫段流速 增大泄量后为保证消能防冲安全，除保证消力池内形成淹没水跃外，还需保证海漫段平均流速不超过允许值 2.5m/s。增大排水单宽流量至 15 m3/s 时，若长江侧水位仅 0.92m，则海漫段各断面平均流速见表 3。 表 3 海漫段各断面平均流速 距海漫进口（m） 10 20 30 40 50 60 平均水深（m） 2.475 2.558 2.641 2.714 2.807 2.890 平均流速（m
14、/s） 3.26 2.84 2.57 2.14 1.83 1.55 从表中可以看出，增大排水单宽流量至 15 m3/s 时，海漫前 30m 范围内平均流速均超过允许值 2.5m/s，需要对海漫加以保护。若能将该段水深增加 0.41m，水位涨至 1.30m，即提高该段水深的 16%，就可使该海漫段平均流速降至 2.5m/s 以下。 （2）海漫加糙措施 海漫加糙，可以提高海漫床面阻力，水流为克服阻力需要消耗一定的能量，当水流所具有的能量不足以克服水流阻力时，水面就会壅高，水面坡降增大，以增加水流重力沿流动方向的分量。内蒙古农业大学采用废旧轮胎加糙，研究结果表明，随着加糙体排数的增加，加糙段首端的水
15、深较未加糙前分别增加了 8.2%-43.6%，近底流速也相应降低4。刚性加糙体又分实心体和空心体，对实心四面体和空心四面体减速效果进行比较试验，试验结果表明，前者近底流速比后者减少 30%5。因此在海漫段加设糙体，可以实现这一目标。 无论是柔性体还是刚性体加糙，其加糙效果与加糙体材料、形态、阻水面积和抛投密度有关，理论求解还存在一定困难。一般通过试验，求得其相应的等效曼宁糙率系数，然后采用谢才公式求其阻力损失。计算方法如下： 海漫处流速采用明渠均匀流的计算公式： （7） （8） 其中谢才系数 C 由曼宁公式计算可得， 将曼宁公式代入谢才公式，则可得： 即： 将等式两边平方后即可得： （9） 其
16、中 R 为水力半径，此处取为断面水深 ，面积也取为两个断面面积的平均值，通过计算，可得到床面等效糙率与海漫始端水深的关系。满足消力池跃后水深的海漫始端水深，其相应的等效糙率系数约为 0.3。求得等效糙率系数后，即可通过水槽试验，确定加糙体的尺寸和抛投密度。6 结语 通过改变下游水闸的运行调度方式，特别是增加闸门开度，可以提高水闸的排水能力；但是下泄流量增大后，闸下水流流态将发生变化，并出现一系列水力学问题，通过采取加大消力池深度、海漫加糙等工程措施可以解决。此外，加大水闸下泄流量后，闸下横向流速和横流扩散范围必然增加，需要研究并采取适当的工程措施对防冲槽以外的滩面进行保护，防止引起闸下冲刷。 参考文献 华东水利学院，水闸设计，上海科学技术出版社，1983.6 王世夏。水工设计的理论和方法，中国水利水电出版社，2000.7 河海大学，芦潮港水闸水工模型试验研究报告，2003 史国庆等，闸下海漫柔性加糙体消能防冲机理试验，水利水电科技进展，No5,2011.10 文桓等，灌区水闸海漫段柔性材料加糙防冲效果的试验研究，2001 牛兰花等，葛洲坝枢纽下游河床护底结构形式比选试验，武汉大学学报，2008
