陈兴亮  张国兰（水工设计处） 梁燕 （洛阳市水利勘测规划设计院 ）

〔摘要〕小浪底南岸引水工程出口分水枢纽有5个不同功能的闸室集中布置在消力池四周，流态复杂。结合模型试验成果，重点介绍了各典型布局方案的水力特性和存在问题。并对消浪结构措施和闸室与陡坎连接处的突扩突跌型式提出了见解。

〔关键词〕分水枢纽   工程布局   模型试验   水力特性

1  概述

    小浪底南岸引水工程是自小浪底水库引水供给洛阳市城市和农业灌溉用水的大（2）型工程，主体工程包括进水塔、3.2km长有压引水洞、出口分水枢纽三部分。工程设计引水流量28.6m3/s，其中城市供水9 m3/s，自流灌区10.1 m3/s，提水灌溉9.5 m3/s，加大流量35 m3/s。出口分水枢纽包括有压引水洞出口控制闸、消力池、3座分水闸和1座泄洪冲沙闸等。不同功能的各类建筑物集中布置在长103.5m，宽约60m的狭小区域内，如何合理的拟定各类建筑物的体型结构尺寸和布置方式，解决流量控制、消能、分水、冲沙等功能中所遇到的水力学问题是非常重要的，为此对初拟的工程布局方案进行了水工模型试验，根据出现的问题进行了改进。

2  初选方案工程布局及主要问题

图1

初选方案的工程布局见上图。其主要特点为出口控制闸、消力池、冲沙闸、泄水陡槽和挑流鼻坎布置在建筑物的主轴线上，引水和分水闸布置在主体建筑物轴线的两侧并与主轴线垂直。其设计概况为：控制闸工作门为弧形门，孔口尺寸3x3m，闸室底板高程230.5m。控制闸后连接14m长的陡坎扩散段，并在陡坎上布置三个呈三角形排列的分流墩。水流经扩散后进入长20m，宽12m的消力池，池内设三道消力坎，消力池底板高程227m，消力池设计水位236m，水流经消能后进入消力池左右两侧的静水池，静水池与消力池平行布置，宽6m，底板高程231m。静水池与消力池之间隔水墙顶高程235.2m，进入静水池的较平稳的水流经各分流闸引走。冲沙闸为平板闸门，底板高程同消力池，闸门孔口尺寸4x4m，左右两侧布置侧槽式溢流堰，堰顶高程236.5m，进入消力池面层的不稳定涌浪经侧槽溢流堰变为弃水流向下游。

经由1:15的水工模型试验证实，初选方案主要存在以下问题：（1）控制闸弧形门开启度e=0.445m时Q=28.6m3/s，闸下最大流速达26.78m/s，佛氏数Fr=13.34，出闸水流脱离扩散段陡坡抛入消力池池底中部；当正常分水运用时，消力池水位在236m以上，池内产生淹没型强水跃，淹没范围至控制闸弧形门，使闸室水位抬高至水深5m，并且在闸室水面形成波浪，波高约0.7m左右，可能引起工作门的震动，并导致弧形门牵引钢索长期在水下工作。主流下潜直达溢流堰并形成强烈涌浪，水跃主旋滚在水面形成逆向水流，分水闸取水口前流态紊乱影响正常分流；当引用加大流量Q=35m3/s时，溢流坝前涌浪高于坝顶约2m，闸室水位涌至236.5m，流态恶劣，弧型门铰受淹，消力池隔水墙上过流水深前后相差0.6m。（2）由于出闸主流脱离陡坎，分流墩难以发挥应有的作用。（3）当处于冲沙闸全开工况时，挑射水流几乎完全脱离1:4的陡坡，但射流底部不构成严重负压；但当处于冲沙闸关闭正常分水工况时，出闸水流呈紊动淹没射流状态，此时闸室地板与陡槽段连接处约0.5m长的区域产生约-5m～-7m水柱的负压。可能产生气蚀破坏。（4）消力池长度偏小，而且消力池与静水池间隔水墙偏高易造成泥沙淤积。

3  改进后的方案及特点

鉴于模型试验中出现的以上问题，研究分析了多个修改方案，经实验比较最终确定了如下改进方案（见下图）。

图2

  （1）取消陡坎扩散段的分流墩和消力池底部的三道消力坎。（2）陡坎扩散段起点平面向两侧突扩各0.5m，底板向下垂直下跌0.5m，采用这一突扩突跌方法的目的在于增加通气量以减小或消除该处产生的负压。（3）在控制闸下侧两边墙间和消力池进口两边墙间分别设1#和2#防浪板。1#防浪板顶高程238m，底高程233.5m，板厚0.3m，孔径约0.3m ,开孔率0.2；2#防浪板设置高程同1#，板厚0.8m，孔径0.8m，开孔率约0.38。（4）由于初步分析原布局方案的许多不良流态均与消力池长度不足有关，因此将消力池长度延长至40m。（5）将消力池池底降低，前端降至226.5m，后端降至226m，以1.315%坡度连接。（6）将自流引水闸进水口轴线和提灌闸进水口轴线由原来的垂直静水池改为向下游旋转45°,以改善取水口的流态。（7）将冲沙闸闸孔尺寸由4x4m改为3.3x3.3m。（8）在消力池和静水池之间的隔水墙上设置1x1m的底孔，孔底高程同静水池，间距2m。

改进后的试验表明，新方案有以下特点：（1）高库水位、闸门小开度、泄放设计流量Q=28.6 m3/s这一最不利情况下，采用突扩突跌措施后，原测点处的负压消失。（2）由于防浪板拦截回流的作用，使消力池返回闸室的回流受到挤压和阻滞，闸室水位和浪高均有所下降，具体为闸室水位降至234.1m，最大浪高降为0.44m，浪高均方根0.07m，主频0.07Hz。经多组实验比较，0.44m的浪高值是应用正常防浪措施所能达到的浪高最小值。（3）由于扩散段突扩突跌的作用，使主流贴底强度减弱，平面上水流扩散度减小，减小了消力池底部消力坎存在的必要性。（4）高速水流的能量主要消杀在扩散段和消力池前部区域，使各分水闸取水口附近的水流趋于平稳，有利于分水运用。观测表明，消力池加长后，在池长27m以后的区域，紊动和波动均较弱，流速的时均值接近零。虽均值为零却并非静水，溢流堰前230m高程处实测各点瞬时流速约0.6～0.9m/s，由于垂向流速作用，堰前及取水口附近出现淤积的可能不大。（5）改进后的方案在各运行工况下，消力池内均为淹没水跃状态，闸室内波浪有所减小。闸门小开度时以底流为主，设计流量闸门全开时，水流以面流形式进入消力池。随着闸门开度的增大，闸室波高逐渐减小。

4  几点认识

（1）由于地形条件和建筑物布置的需要，出口消力池水位较高，弧形门闸室底板较低，设计流量正常运用时形成淹没水跃，这是闸室产生淹没和波浪的原因。波浪可能诱发工作闸门和闸室的震动是应重点关注的问题，采取各种防浪措施只能抑制和减弱波浪，却难以从根本上消除波浪。实验证明，防浪措施应以珊状疏导效果最佳，实体防浪板阻滞正常回流，板前后形成较大落差，反而使闸室回流流速增大。

（2）控制闸与扩散段连接处向两侧和垂直向下分别突扩突跌0.5m，模型实验表明消除了负压。但也应注意到这一掺气结构型式自20世纪50年代末日本首次应用以来，既有成功的例证，也有失败的教训。水舌离坎后沿垂直和水平两个方向扩散，一定条件下可形成相互贯通的侧空腔和底空腔，使水流掺气，对下游固壁形成保护，但也可能恶化流态，引发空化和空蚀。关键因素是掺气通道的通畅和掺气量的大小，而本工程正常运用时产生淹没水跃，淹没水流是否影响空腔的畅通和掺气量，还有待运行实践检验。

（3）由于消力池四周布置闸门有五个之多，随机操作闸门会导致消力池不同水位下各种复杂流态的转换，某些情况会造成空蚀或闸门震动等，因此运行期应执行规范的操作方式。

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