荊山湖進(jìn)洪閘行洪期推流問題解析

■呂俊士 ■安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 蚌埠 233400

1 工程概況

荊山湖進(jìn)洪閘位于淮河干流淮南田家庵以下，蚌埠市懷遠(yuǎn)縣常墳鎮(zhèn)境內(nèi)(荊山湖行洪區(qū)上口門)，始建于2004年2月，2007年4月完工并正式投入運行。本閘屬于大(2)型水閘，設(shè)計流量為3500 m3/s，其主要建筑物為2級，堤防級別為3級。荊山湖進(jìn)洪閘共31孔，單孔凈寬為10 m，總凈寬310 m，閘門高8.0 m，水閘底檻高程為17.5 m，防洪校核水位為24.75 m，防洪設(shè)計水位24.25 m。當(dāng)湖內(nèi)水位達(dá)24.0 m時，相應(yīng)的庫容4.6 m3億。

依據(jù)荊山湖進(jìn)洪閘行蓄洪期運行操作規(guī)程規(guī)定，過閘流量不應(yīng)超過設(shè)計流量，引起下游沖刷;泄流水躍必須保證在任何情況下均發(fā)生在消力池內(nèi)，確保建筑物安全。因此，只有及時分析、判斷閘孔出流流態(tài)，準(zhǔn)確測算分洪流量，才能確保荊山湖進(jìn)洪閘行洪安全。

2 流態(tài)判別程序及方法

荊山湖進(jìn)洪閘為開敞式平底設(shè)計，閘孔出流可分為孔流及堰流。影響閘孔出流的主要水力要素:閘門開啟高度e;上游水頭h上;下游水頭h下;上下游水位差 z等。當(dāng)閘孔出流時，流態(tài)可按以下程序分析判別。見進(jìn)洪閘閘孔出流流態(tài)判別流程圖。

2.1 孔流及堰流判別

當(dāng)進(jìn)洪閘閘孔出流為孔流時，流態(tài)判別見式(1)。

式中:e—— 單孔閘門開啟高度，m;

h上——進(jìn)洪閘上游水頭，m;h上=上游水位H上-閘底高程17.50 m;

反之，為堰流。

2.2 自由式及淹沒式流態(tài)判別

依據(jù)水力學(xué)理論，當(dāng)下游收縮斷面水頭與上游水頭之比小于或等于0.80時，閘孔出流均為自由式;反之，閘孔出流均為淹沒式。由于下游收縮斷面水位不易觀測，通常在實際生產(chǎn)中，以下游水位H下代替。自由式流態(tài)判別見式(2)。

式中:H下——湖內(nèi)消力池水位，m;h下=H下-17.50;

反之，為淹沒式流態(tài)。

3 推流公式選擇

判別出閘孔出流流態(tài)類型之后，正確選擇相應(yīng)堰閘流量公式是推流報汛工作的關(guān)鍵。根據(jù)荊山湖進(jìn)洪閘設(shè)計、運行操作規(guī)程及水工試驗等成果資料分析，本閘分洪期閘孔出流流態(tài)以自由式孔流為主，淹沒式孔流為輔。

3.1 自由式孔流

推流可采用公式(3)。

式(3)中:q自孔—— 單孔閘門分洪流量，m3/s;

b—— 單孔閘門凈寬，m;

e、h上——同式(1)、(2);

μ—— 自由式孔流流量系數(shù);

流量系數(shù)μ值確定方法:通過堰閘在不同水力要素條件下進(jìn)行大量流量測驗并進(jìn)行堰閘流量系數(shù)率定，建立e/h～μ關(guān)系線而得。但是，由于本閘無實測流量資料，因此，參考并借用進(jìn)洪閘水工試驗數(shù)據(jù)資料是處理現(xiàn)行測洪報汛工作唯一有效途徑。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，f(μ)函數(shù)關(guān)系見式(4)。

3.2 淹沒式孔流

式(5)中:

q淹孔—— 自由式孔流流量，m3/s;

q自孔—— 淹沒式孔流流量，m3/s;

σ——淹沒孔流系數(shù)，通過實測流量率定而得。經(jīng)驗取值0.92～0.98。

4 推流及驗證

依據(jù)上述流態(tài)判別方法，正確選用相應(yīng)流態(tài)的流量公式是推流成果合理性的關(guān)鍵。現(xiàn)根據(jù)荊山湖進(jìn)洪閘運行操作規(guī)程，驗證在行洪期設(shè)計不同水力要素條件下的堰閘推流過程，見表1。

由表1可知:設(shè)計不同閘上水位、閘下水位及不同閘門開啟高度情況下，進(jìn)洪閘推流成果(分洪流量)均控制在同等水力條件下的設(shè)計允許最大分洪流量之內(nèi)，說明該成果具有較強(qiáng)的合理性。在目前沒有實測流量資料的情況下，該成果作為應(yīng)急報汛手段之一，具有重要的參考價值。

表1 進(jìn)洪閘在行洪期設(shè)計不同水力條件下的堰閘(孔流)推流過程計算表

閘上水位(H上)閘下水位(H下)相應(yīng)閘門開度(e)設(shè)計允許最大分洪流量孔流推流過程孔流判別 自由式孔流 淹沒式孔流 自由孔流經(jīng)驗系數(shù)分洪流量17.5 0.3 700 0.05 0.00 0.59 596 17.5 0.5 1100 0.08 0.00 0.58 983 23.518 1 2100 0.17 0.08 0.57 1913 19 1.3 2500 0.22 0.25 0.56 2447 19.5 1.6 3000 0.27 0.33 0.55 2962 20 1.9 3500 0.32 0.42 0.54 3458 17.5 0.3 700 0.05 0.00 0.59 570 17.5 0.5 1100 0.09 0.00 0.58 939 2318 1 2100 0.18 0.09 0.57 1823 19 1.3 2500 0.24 0.27 0.56 2328 19.5 1.7 3000 0.31 0.36 0.54 2970 20 2.0 3500 0.38 0.45 0.53 3429

5 幾點建議

(1)建議分洪期加強(qiáng)流量測驗工作，及時進(jìn)行流量系數(shù)率定，驗證并修訂流量系數(shù)關(guān)系線以滿足防洪報汛精度要求。

(2)進(jìn)洪閘分洪期應(yīng)注意觀察上、下游流態(tài)有無折沖水流、回流、漩渦等現(xiàn)象;下游河床和岸坡有無沖、淤現(xiàn)象。如有上述不良流態(tài)及下游沖、淤現(xiàn)象，應(yīng)及時調(diào)整閘門開度，以改善其流態(tài)。

［1］吳中貽主編.水力學(xué)及水文測驗.黃河水利出版社.

［2］水文資料整編規(guī)范(SL247-2012).中國水利水電出版社.

［3］荊山湖進(jìn)洪閘水工模型試驗報告