德清大閘洪水期堰閘推流研究

陳 光,陸海萍,凌 燕

(1.湖州市水文站,浙江 湖州 313000;2.德清縣水文站,浙江 德清 313200)

1 德清大閘基本情況

德清大閘位于德清縣乾元鎮(zhèn)東苕溪古道,是連接和調(diào)節(jié)東苕溪上下游、杭嘉湖東西部洪水和兼顧交通航運(yùn)的水利樞紐工程。原閘于1959年建成,共5孔,總凈寬23.0 m(中孔寬9.0 m,邊孔寬均為3.5 m),閘底高程0 m(吳淞高程,下同),閘墻高程7.8 m,設(shè)計(jì)流量385 m3/s。1982年后,大閘下游相繼拆除3座古橋,降低了閘下水位。1984年6月14日,實(shí)測(cè)過閘流量479 m3/s,為歷史最大流量。1999年7月1日,閘上水位6.41 m,為歷史最高洪水位[1]。

德清大閘改建工程是國(guó)家 “治太”骨干工程?hào)|西苕溪防洪建設(shè)中的重點(diǎn)工程。1998年規(guī)劃建新閘,2000年拆除老閘,在老閘北側(cè)約80 m的原東苕溪古道上重建新閘。工程按Ⅱ等工程、2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。樞紐設(shè)計(jì):防洪節(jié)制閘同船閘閘首并列,采用鋼結(jié)構(gòu)平板閘門,卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。2閘均為單孔凈寬12 m,上閘頂高程7.5 m,船閘兼作泄洪,總凈寬24m。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,設(shè)計(jì)泄洪流量為438 m3/s。船閘規(guī)模100 t級(jí),閘室長(zhǎng)110 m,寬12 m,閘底高程0m;下閘首孔寬12 m,閘底高程0 m,閘頂高程6.5 m。新閘于2001年4月竣工通水,同年6月投入試運(yùn)行,2003年正式投入運(yùn)行以來運(yùn)行情況良好。

德清大閘水文站是國(guó)家基本水文站、省、市級(jí)報(bào)汛站,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、雨量、蒸發(fā)。報(bào)汛項(xiàng)目有雨量、流量和閘上、下水位。目前的測(cè)流方式為水文纜道流速儀法,測(cè)流斷面位于閘門上游約38.5 m處,矩形斷面,底寬38 m;閘上水位臺(tái)位于右岸,離閘門約63.5 m;閘下水位臺(tái)位于同側(cè),離閘門約120 m處。

2 堰閘推流計(jì)算與分析

2.1 水力特性數(shù)據(jù)

堰閘流量的水力學(xué)推算與閘上水頭、閘門開度、閘下水頭、閘上下河床穩(wěn)定性、閘門和堰壩及閘墩等結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。目前,遙測(cè)水位取值時(shí)間間隔最小為5 min,閘上水頭、閘下水頭均可用同期遙測(cè)水位或插補(bǔ)推算;閘門開度數(shù)據(jù)從德清大閘管理所獲取。

德清大閘屬于平板門平底閘,平水期船閘和泄洪閘均通航,航運(yùn)十分頻繁。近年來實(shí)測(cè)大斷面資料表明,斷面穩(wěn)定,測(cè)驗(yàn)河段無明顯沖淤。

根據(jù)德清大閘近3 a洪水期閘門開啟泄洪資料統(tǒng)計(jì),開閘測(cè)流時(shí)記錄的閘上水位Hu最高為6.38 m,最低為5.59 m;閘門開度e最大為3.00m(2007年“羅莎”臺(tái)風(fēng)期間閘門開度曾達(dá)到3.30 m),最小為1.00 m。

2.2 閘孔出流經(jīng)驗(yàn)公式

德清大閘洪水期測(cè)流時(shí)相對(duì)最大開度值(最大開度與閘上水頭最小值之比)e/H=0.59＜0.65,據(jù)此初步判斷,德清大閘水力學(xué)推流應(yīng)采用閘孔出流的方式計(jì)算。閘孔出流計(jì)算的通用公式[2-3]為:

式中:μ為閘孔出流流量系數(shù);b為閘孔凈寬(m);e為閘孔開度(m);g為重力加速度(m/s2);H0為閘孔全水頭(m);ε2為垂向收縮系數(shù)。

因μ的取值與閘孔自由出流或淹沒出流的流態(tài)有關(guān),因此首先要進(jìn)行流態(tài)判別。當(dāng)下游水深HL大于收縮斷面的共軛水深hC″時(shí),為淹沒出流,否則為自由出流。共軛水深由南京水利科學(xué)研究所公式計(jì)算:

式中:hC為收縮水頭(m),hC=eε2;vc為收縮斷面流速(m/s),由以下公式計(jì)算:

在流態(tài)判別試算時(shí),μ采用南京水利科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

垂向收縮系數(shù)ε2與相對(duì)開度e/H的關(guān)系采用儒可夫斯基理論分析列表[4],通過Excel對(duì)列表數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式關(guān)系擬合,決定系數(shù) R2達(dá)到0.999 8,得出公式:

在實(shí)際計(jì)算中,應(yīng)用Excel的VBA編輯器可以很容易將公式(1)～(5)編程而具有流量自動(dòng)計(jì)算的自定義功能函數(shù)。

誰知道呢。她說她救過他的命，是他的救命恩人。這好事還真做到底了，最后把自己都送給人家擺置了！你沒見過那人，一個(gè)寡漢條子，比她大有二十多歲呢。

研究資料中近3 a開閘泄洪時(shí)的流量測(cè)次對(duì)應(yīng)的流態(tài)均為閘孔淹沒出流,其流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)化為:

式中:Hu為閘上水位(m);HL為閘下水位(m)。

2.3 流量精度驗(yàn)證及推流公式改進(jìn)

為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式(6)計(jì)算所得的德清大閘開閘泄洪流量與實(shí)測(cè)流量偏離差值是否符合SL 20—92《水工建筑物測(cè)流規(guī)范》[5]所容許的精度要求標(biāo)準(zhǔn),研究中選取了2009—2011年所有開閘泄洪流量測(cè)次共51次,分別為:2009年8月10—15日 “莫拉克” 臺(tái)風(fēng)期間,測(cè)次13次;2010年 3月5—9日早春汛期間,測(cè)次14次;2011年6月11—20日梅雨洪水,測(cè)次24次。德清大閘洪水期閘孔出流計(jì)算值與實(shí)測(cè)流量關(guān)系線見圖1。

圖1 德清大閘洪水期閘孔出流計(jì)算值與實(shí)測(cè)流量關(guān)系線圖

德清大閘屬于湖州市4個(gè)一類流量站之一,按照SL 20—92《水工建筑物測(cè)流規(guī)范》中有關(guān)流量系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)率定的精度要求:75%以上的測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線的偏差應(yīng)符合:關(guān)系線中上部偏離差值控制在±5%、關(guān)系線下部控制在±8%。

德清大閘開閘泄洪流量測(cè)驗(yàn)測(cè)次近3 a為51次,實(shí)測(cè)流量最大值為294m3/s,最小為88.4 m3/s。將實(shí)測(cè)流量系列值從大到小排序,以總測(cè)次數(shù)的75%對(duì)應(yīng)流量140 m3/s作為判斷計(jì)算與實(shí)測(cè)流量帶狀點(diǎn)據(jù)關(guān)系線中上部和下部分界的標(biāo)準(zhǔn);在上部38個(gè)點(diǎn)據(jù)中,計(jì)算和實(shí)測(cè)流量偏離差值大于±5%的有9次,占23.7%,偏離差值最大為11.6%;在下部13個(gè)點(diǎn)據(jù)中,流量偏離差值大于±8%的有3次,占23.1%,最大為13.2%。上述表明,計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量關(guān)系良好,達(dá)到流量系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)率定精度要求。

圖1所示點(diǎn)據(jù)做趨勢(shì)線擬合,決定系數(shù)R2達(dá)到0.9863,得出計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量的關(guān)系公式:

式中:Qc為實(shí)測(cè)流量(m3/s);Qs為計(jì)算流量(m3/s)。

利用公式(7)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式 (6)推算的流量進(jìn)一步校正計(jì)算,得出的計(jì)算與實(shí)測(cè)流量偏離差值小于±5%的有43次,占總測(cè)次的84.3%。通過定線精度檢驗(yàn)計(jì)算,計(jì)算流量的隨機(jī)不確定度為7.44%,系統(tǒng)誤差0.1%。說明應(yīng)用公式 (7)可以減小經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和實(shí)測(cè)流量的偏離差值,同時(shí)也表明,計(jì)算流量符合SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》[6]堰閘站水力因素關(guān)系線定線精度指標(biāo)。

3 結(jié) 語

德清大閘洪水期開閘泄洪時(shí),過閘流量用水力因素法推求的精度達(dá)到SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》一類精度水文站流量定線精度指標(biāo),為本站洪水期推流方式的改進(jìn)提供了依據(jù)。

在目前的推流方式和報(bào)汛任務(wù)中,洪水期間閘門開度頻繁調(diào)整時(shí)需要水文測(cè)驗(yàn)人員隨時(shí)測(cè)流、計(jì)算、報(bào)汛,工作強(qiáng)度大且容易出錯(cuò)。采用閘上、下遙測(cè)水位和閘門開度數(shù)據(jù)以及本文總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量,可以大大提高工作效率,也為防汛部門閘門調(diào)度、洪量快速計(jì)算提供便利。

研究資料中,開閘泄洪時(shí)的流量測(cè)次對(duì)應(yīng)的流態(tài)均為閘孔淹沒出流,未出現(xiàn)堰閘自由出流的記錄,因此,對(duì)洪水期閘門開度更大或全開狀況下的流量計(jì)算,還應(yīng)進(jìn)一步研究。

[1]林有禎,顏成第.苕溪運(yùn)河志 [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.

[2]周全,吳偉華,楊曉斌,等.上海浦東水閘過閘流量和水量率定方法研究 [J].水利水文自動(dòng)化,2010(1):65-68.

[3]杜嶼,戴榮法,張世聞.閘孔流量系數(shù)綜合分析 [J].水文,1997(5):39-44.

[4]李家星,陳立德.水力學(xué) [M].南京:河海大學(xué)出版社,1996.

[5]中華人民共和國(guó)水利部.SL 20—92水工建筑物測(cè)流規(guī)范 [S].北京:水利水電出版社,1992.

[6]中華人民共和國(guó)水利部.SL 247—1999水文資料整編規(guī)范 [S]. 北京:水利水電出版社,2000.