摘要：为了验证曲阜红旗闸除险加固工程水闸设计方案的合理性，根据重力相似准则，采用比尺1：80的正态模型，针对不同工况下的水流条件，对水闸的泄流能力、水流流态以及消能防冲性能等进行水工模型试验。试验结果表明各项水力特性良好，设计的闸轴线布置及上下游、进出口布置合适，满足工程实际的需要。此水工模型试验结果为工程决策提供了科学依据。
关键词：水闸；水工模型试验；流态；消能
中图分类号：TV 文献标识码： A
引言
水工设计规范规定：在水利工程设计中大型工程、水力条件较复杂的中型工程应进行水工模型试验，以论证其设计的合理性。设计中所采用的理论和方法很多是在多年工程实践中摸索和总结出的半经验或经验公式，存在一定的局限性，必须通过物理模型试验来验证、修正。通过建立工程物理模型，针对试验过程中出现的问题，提出改进意见及措施，使其满足工程安全运行要求，并提出相应优化设计方案。
1、工程概况
2、模型试验内容及目的
根据设计确定的闸轴线、闸底板高程、堰顶高程、闸孔数、闸孔总净宽，通过水工模型试验验证得出：
（1）50年一遇及100年一遇的过闸流量、水位及过闸水位差。
（2）各设计泄量情况下的过闸流态及闸室左右边孔的水流条件。
（3）验证初步设计方案提出的消力池的池深、池长是否合适。
（4）针对初步设计方案进行试验，并根据试验要求，量测水力参数进行分析，评价设计方案的合理性和可靠性。对设计方案提出修改意见。
3、模型试验设计和制作
3.1 模型设计及比尺的确定
3.2 模型模拟范围
3.3 模型制造
（1）闸室制作：通过数控车床用钢板加工闸孔、闸墩，闸室总净宽误差在0.5mm以下。
（2）消能段制作：为保证整个消力池池底的平整度，采用瓷板砖铺设，消力池池坎采用玻璃制作，其糙率能够满足本试验的糙率相似准则[4]。
（3）上下游河道的制作：根据图纸，用三合板作出断面样板，控制其高程，采用水泥砂浆抹面[5] [6]。
4、红旗闸水工模型试验
4.1 红旗闸泄流能力试验
试验数据表明：红旗闸泄流能力完全能够满足设计要求。在通过各级泄量敞泄时，水流通过红旗闸时出水水流受到下游水位影响，堰出流呈现淹没出流状态，只有在较小泄量控泄情况时，出水水流呈现自由出流状态。
4.2 红旗闸水流流态及流速分布
受河道地形制约，红旗闸平面布置大致在弯道上，且位于弯道的顶点处，因此，进出口流态的好坏是工程设计的关键。
本次模型试验分别进行了P=2%和P=1%两组工况对整个红旗闸及其上下游水流速度场进行了详细测量。
（1）红旗闸上游河道流态及流速分布
试验表明，在两组工况下，红旗闸上游河道来流较平顺、稳定，未出现漩涡等不良流态。由于红旗闸位置偏向左岸，河道右岸水流流速缓慢，致使上游进水段流速分布左右不均匀，呈现左慢右快的现象。在断面0+150断面处，自然地形与开挖整治地形相衔接，出现小范围的跌水与回水现象，回水区域靠近左岸边墙处，而且面积较小，完全不影响红旗闸进水水流流态。上游来水水流流态整体良好。
（2）闸室段水流流态及流速分布
进入红旗闸的水流平稳、顺直，进入闸室段后出水水流呈淹没出流状态，整个闸室段进水流态顺直平稳，无不良水流流态出现。经过试验测量数据显示，红旗闸左右岸水面线高程相差不大，流速分布基本处于均匀分布，闸室段水流流态良好。
（3）消能段水流流态及流速分布
（4）下游出水段水流流态及流速分布
红旗闸下河道为自然地形。试验发现，在50年一遇洪水和100年一遇洪水的情况下，出水渠段水流较平顺，没有出现漩涡等不良流态。在0+600断面的左岸处，由于自然地形地势较高，而下游较低，使得水流跌落形成跌水，导致水面不平稳，在小范围水流表面波动起伏较大。
4.3 红旗闸消能防冲试验
（1）、始流条件下的消能
本实验选取最不利工况进行模型试验，即开启2孔闸门，闸门开度达到1.0m时，闸上水位76.7m，闸下水位70.75m，流量为150.39m3/s。
5、结论与建议
通过本次模型试验得出以下结论：
（1）红旗闸的泄流能力完全能够满足设计要求。设计方案试验显示，在发生设计洪水和校核洪水时，红旗闸的泄流能力满足设计要求。50年一遇设计洪水时，可满足设计泄流量3543 m3/s的要求；1000年一遇校核洪水时，也可完全能满足校核泄流量4197m3/s的要求。
（2）本设计方案上游进水水流流态较好，水头损失较小。闸上游进水渠段水流平顺，进口处流速较小，由于受到弯道和河道左右不对称的因素影响，使得整个河道左右岸水流流速呈现左大右小的状态，但对整个上游进水没有影响。
（3）闸室段水流流态良好。红旗闸闸室段的进水水流平稳、顺直，进入闸室段后出水水流呈淹没出流状态，整个闸室段进水流态顺直平稳，无不良水流流态出现。经过试验测量数据显示，红旗闸并未受到弯道的影响，各孔进水水面线高程相差不大，流速分布基本处于均匀分布。
（4）试验表明，在各级泄量情况下，红旗闸下游出水渠段水流较平顺，没有出现漩涡等不良流态。在0+600断面的左岸处，由于自然地形地势较高，而下游较低，使得水流跌落形成跌水，导致水面不平稳，在小范围水流表面波动起伏较大，建议将该处进行开挖平整。