堰閘影響的河道流量推求探討

張 亮

（四川省綿陽水文水資源勘測局 四川 綿陽 621000）

1 基本情況

2004年，梓潼縣在梓潼水文站下游約2km處開始修建文昌閘壩工程，工程于2006年9月完工。工程為梓潼縣的景觀河道工程，工程的樞紐部署包括左右兩岸分別寬15m的WES實用溢流堰、7孔寬12m的平底閘壩以及位于河道左岸的溢洪道組成。WES溢流堰為上游側垂直、頂高468.70m的實用堰，其堰底高程為464.00m，采用折線消力舌進行連接，在尾端采用消力坎進行最后消能；閘門組由7孔12m寬平底閘組成，閘底高程464.00m，閘門的頂高為469.50m。

2 流量推求方案

梓潼水文站的流量推求方案：當文昌閘壩不開閘泄流時，采用兩側的溢流堰進行推求；當文昌閘壩的泄洪閘開啟泄洪后，分別對閘前水深與閘門開啟高度進行比較，確定采用閘孔出流與溢流堰結合方式、閘單獨出流以及閘全開采用寬頂堰方式或河槽過流進行出流來推求下泄流量。當基本水尺斷面能正常測流后，采用基本水尺斷面的水位流量關系線進行推流，三種方法結合推求梓潼站流量。

表1 WES實用溢流堰水位～流量曲線關系

表2 文昌閘壩的閘門的垂直收縮系數參數表

表3 平底閘淹沒系數表

2.1 WES實用堰推流

堰流流量的計算公式為

式中，b——每孔凈寬；

N——閘孔孔數；

H0——包括行近流速水頭的堰前水頭；

v0——行進流速；

m——自由溢流的流量系數，它與堰型、堰高等邊界條件有關；

σc——側收縮系數，它反映由于閘墩（包括翼墻、邊墩和中墩）對堰流的橫向收縮，減小有效的過流寬度和增加的局部能量損失對泄流的影響；

σs——淹沒系數，當下游水位影響的泄流能力時，堰流為淹沒堰流，其影響用淹沒系數表達；當下游水位不影響堰的泄流能力時，為自由堰流，此時σs=1.0。

2.1.1 流量系數m

根據梓潼文昌閘壩設計資料，溢流堰采用上側垂直，堰高P=4.7m，根據設計資料和推流水位的范圍，其P/H0〉1.33，為高堰，可不計其行進流速，其流量系數計算采用計算（其中A=1.7915，B=0.2062，并 且 H0/Hd＞0.4），H0/Hd≤0.4 采 用內插 表進行計算。梓潼文昌閘壩的設計水頭為Hd=474.80-468.70=6.10m。

2.1.2 淹沒系數σs

根據梓潼文昌閘壩設計和梓潼水文站推流的要求，文昌閘壩的溢流堰為自由出流，其淹沒系數確定為1。

2.1.3 側收縮系數σc

或中，b——為每孔凈寬；

H0——為堰頂全水頭；

ζ0——為閘墩形狀系數；

ζk——為邊墩形狀系數。

根據梓潼文昌閘壩的設計，由于是采用單孔的溢流堰，其邊墩系數ζk=0.1，閘墩形狀系數ζ0=0。堰下實測流量，率定后的溢流堰水位流量關系，見表1。

2.2 閘孔出流

式中，e——為閘門開啟高度；

b——為每孔凈寬；

n——為閘孔孔數；

H0——為包括行進流速水頭的閘前水頭；

ε——為垂直收縮系數，見表2；

μ——閘孔自由出流的流量系數，它綜合反映閘孔形狀和閘門相對開度e/H對泄流量的影響；

σs——淹沒系數。自由出流時σs=1.0。

根據梓潼文昌閘壩的設計，泄洪閘為7孔12m的平底閘，其流量系數μ采用進行計算。

淹沒系數σs，見表3。根據計算出的收縮系數和初算流量以及閘下水深進行自回歸計算。其計算流程，見圖1。

圖1 計算流程

2.3 無坎寬頂堰推流

梓潼文昌閘壩在閘門完全打開后，閘室下游為陡坡河道，其坡降為1：4，下游流態(tài)為急流，因此形成了無坎寬頂堰出流。

無坎寬頂堰流，是由于堰孔寬度小于上游引渠寬度，水流受平面上的束窄產生側向收縮,引起水面跌落而形成.其計算公式與普通寬頂堰流公式相同。但在計算中一般不單獨考慮側向收縮的影響，而是把它包含在流量系數中一并考慮，即令m’=m*ε1，m’為包括側收縮影響的流量系數。計算公式為無坎寬頂堰的流量系數m'，可根據進口翼墻的形式及平面收縮的程度查取而得。

根據梓潼文昌閘壩的設計方案，梓潼文昌閘壩的進口翼墻為直角式翼墻，采用直角翼墻根據b/B的關系進行流量系數插補，見表4。

表4 b/B關系

文昌閘壩的閘門開啟為人為控制，其方式按實際高度記載資料進行分析，對于多孔則采用邊孔及中孔的加權平均值，梓潼文昌閘壩的中墩和中墩厚為均2m。

無坎寬頂堰的淹沒系數，可近似地采用下表進行查用，見表5。

表5 無坎寬頂堰的淹沒系數

梓潼文昌閘壩的寬頂堰方式出流的流量計算采用“逐步近似法”進行計算，由于閘孔全開后流量較大，因此采用“逐步近似法”的流量精度控制在1m3/s。

3 流量推求成果

根據梓潼閘壩實時記錄成果分析，當閘門全關閉時，直接采用兩側的WES實用堰進行計算泄流流量；當閘門開啟后，閘前水深大于閘門的開啟高度時，采用閘孔泄流和WES實用堰聯合泄流方式計算泄流流量；當閘門的開啟高度大于閘前水深時，則采用無坎寬頂堰和WES實用堰聯合泄流方式計算泄流流量。

4 成果評定

根據梓潼水文站實測的流量與溢流堰下泄流量進行對比分析。采用WES實用堰計算的堰流與實測的流量成果相符，各種方法推流銜接較好，資料可供使用。

5 結論

由于目前綿陽水文水資源勘測局各水文站所在河流大部分受水利工程影響，測驗情況千變萬化，采用工程水文學的方法對水文測驗進行有益的補充和擴展勢在必行。

梓潼水文站的推流方法結合了本站河段的實際情況，推流方法選用較合理，成果比較可靠。

[1]趙振興，《水力學》，清華大學出版社.

[2]齊清蘭，孟慶才，單長河，WES剖面實用堰流量系數的計算.

[3]單長河，齊清蘭，無坎寬頂堰流量系數的計算及討論.

[4]山東建筑工程學院城市建設系，直立平板閘門流量計算的實驗研究.