灌区挡水闸门的过闸水流水力模型试验研究.pdf
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1、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
2、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
3、 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
4、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
5、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
6、,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
7、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
8、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
9、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
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