山東德州四女寺南進(jìn)洪閘過(guò)閘流量分析

孟躍晨，賈 健

（海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州253009）

山東德州四女寺南進(jìn)洪閘過(guò)閘流量分析

孟躍晨，賈 健

（海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州253009）

采用理論計(jì)算分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，通過(guò)研究堰流和孔流的界限、影響閘孔出流流量偏離與閘門(mén)上下游水位、閘門(mén)開(kāi)啟高度等因子的定量關(guān)系及自由出流和淹沒(méi)出流的條件，確定弧形閘門(mén)的流量系數(shù)、淹沒(méi)系數(shù)和垂直收縮系數(shù)等，得到四女寺樞紐南進(jìn)洪閘的水力計(jì)算方法，找到影響弧形閘門(mén)閘孔出流的流量、開(kāi)啟高度、上下游水位差的表征關(guān)系式，并通過(guò)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)圖表進(jìn)行了驗(yàn)證。

過(guò)閘流量；四女寺南進(jìn)洪閘

在水利工程中，為了控制水位和流量，常在河道、渠道或水庫(kù)、海口中修建水閘，利用閘門(mén)控制流量和調(diào)節(jié)水位。工程中常見(jiàn)的閘孔有寬頂堰上的閘孔和實(shí)用堰上的閘孔2類(lèi)；從閘門(mén)的形式來(lái)分，常見(jiàn)的又有平面閘門(mén)下的閘孔和弧形閘門(mén)下的閘孔2種，不同形式的閘孔有不同的過(guò)水能力。另外，按照下游水位是否影響堰和閘孔的過(guò)水能力，堰流和孔流有自由出流和淹沒(méi)出流2種情況。弧形閘門(mén)在世界各國(guó)得到廣泛應(yīng)用，1949年以來(lái)中國(guó)在水利工程中應(yīng)用了各種孔口尺寸、各種類(lèi)型的弧形閘門(mén)作為水道的工作閘門(mén)，在主要尺度方面步入了世界大型弧形閘門(mén)的行列。

1 工程概況

四女寺樞紐工程位于山東省德州市德城區(qū)、武城縣和河北省故城縣的2省3縣（區(qū)）交界處。四女寺水利樞紐是漳衛(wèi)南運(yùn)河中下游的主要控制性工程，其上游接衛(wèi)運(yùn)河，下游分別接漳衛(wèi)新河與南運(yùn)河。樞紐工程由南進(jìn)洪閘、北進(jìn)洪閘、節(jié)制閘及船閘組成，興建于1958年，其中南進(jìn)洪閘設(shè)計(jì)行洪流量1500m3∕s，是一座既能防洪、除澇又能航運(yùn)、灌溉、輸水的大型水利設(shè)施。四女寺樞紐南進(jìn)洪閘總寬135.6m，共12孔，每孔凈寬10.0m，閘門(mén)高5.2m，閘門(mén)寬10.0m，每孔裝1臺(tái)2×15t電動(dòng)卷?yè)P(yáng)繩鼓式啟閉機(jī)，繩鼓直徑為35.0cm，閘頂高程27.77m（黃?；鶞?zhǔn)面，下同），底板高程19.77m，共分4塊，每塊3孔。閘全長(zhǎng)115.9m，閘底板長(zhǎng)14.5m，上接15.0m長(zhǎng)鋪蓋及其27.0m防沖槽和護(hù)底，下接17.4m長(zhǎng)消力池及42.0m長(zhǎng)海漫和防沖槽。

2 閘孔出流水力計(jì)算

根據(jù)工程需要，通過(guò)四女寺樞紐南進(jìn)洪閘的水流可以是堰流或孔流，當(dāng)閘門(mén)啟出水面，不影響泄流量時(shí)為堰流；當(dāng)閘門(mén)未啟出水面，影響泄流量時(shí)則為孔流。堰流和孔流的界限與閘門(mén)形式位置、閘門(mén)開(kāi)啟高度等因素有關(guān)。要準(zhǔn)確地進(jìn)行區(qū)分較為困難，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式近似判別：

式中：e為閘門(mén)開(kāi)啟高度（m）；H為堰孔水頭（m）。

四女寺樞紐南進(jìn)洪閘屬于寬頂堰上的水閘，閘孔出流有自由出流和淹沒(méi)出流2種情況。當(dāng)下游水位較低使閘孔下游發(fā)生遠(yuǎn)離水躍、下游水位不影響閘孔泄流量時(shí)，為自由出流，如圖1所示。

圖1 弧形閘孔自由出流示意

當(dāng)下游水位較高使閘孔下游發(fā)生淹沒(méi)水躍、影響閘孔泄流量時(shí)，為淹沒(méi)出流，如圖2所示。

圖2 弧形閘孔淹沒(méi)出流示意

2.1 自由出流水力計(jì)算

圖1所示為閘孔自由出流，水流通過(guò)閘孔后，因慣性影響發(fā)生垂向收縮，水面下凹，水深逐漸減小。設(shè)閘門(mén)開(kāi)啟高度為e，則距閘門(mén)2～3倍e的下游收縮斷面c處的水深達(dá)到最小，收縮斷面處的流線近似平行，可認(rèn)為是緩變流斷面。

式中：H為閘上水頭（m）；v0為閘前行進(jìn)流速（m∕s）；vc為收縮斷面平均流速（m∕s）；ζ為閘孔局部水頭損失系數(shù)；g為重力加速度，一般取g=9.8m∕s2；hc為收縮斷面水深（m）。

式中：H0為閘前水頭（m）為閘孔流速系數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

設(shè)閘孔寬度為B，令hc=ε'e，則收縮斷面面積計(jì)算公式為：式中：AC為收縮斷面面積（m2）；ε'為垂向收縮系數(shù)；B為閘孔寬度（m）；其他符號(hào)意義同上。

通過(guò)閘孔的流量計(jì)算公式為：式中：Q為過(guò)閘流量（m3∕s）；μ=?ε'，為流量系數(shù)，與過(guò)閘水流收縮程度、收縮斷面的流速分布和閘孔水頭損失等有關(guān)；其他符號(hào)意義同上。

式中：μ1為流量系數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

弧形閘門(mén)的流量系數(shù)與閘門(mén)相對(duì)開(kāi)啟高度和閘門(mén)底緣切線與水平線的夾角有關(guān)，這些因素直接影響水流的垂向收縮和水頭損失的大小。弧形閘門(mén)的μ1值可根據(jù)南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

四女寺樞紐南進(jìn)洪閘c=4500mm，R=7500mm。通過(guò)閘門(mén)開(kāi)啟高度可以求得閘門(mén)底緣切線與水平線的夾角，從而可以求得流量系數(shù)?；⌒伍l門(mén)底緣切線與水平線的夾角與垂直收縮系數(shù)的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 弧形閘門(mén)底緣切線與水平線的夾角（θ）與垂直收縮系數(shù)（ε'）關(guān)系

四女寺樞紐南進(jìn)洪閘閘門(mén)為弧形閘門(mén)，其流量系數(shù)可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

2.2 淹沒(méi)出流水力計(jì)算

閘孔從自由出流到淹沒(méi)出流的過(guò)程可從明渠干擾波的傳播來(lái)說(shuō)明。明渠中干擾波的波速隨水深的增大而增大，當(dāng)波速大于明渠水流流速時(shí)，波向上游傳播，當(dāng)波傳至某處，恰使波速與流速相等時(shí)，波即固定不動(dòng)。

閘孔后水躍位置向上越過(guò)收縮斷面時(shí)，為淹沒(méi)出流，定量判別方法為：

設(shè)收縮斷面的水深為hc，當(dāng)恰好發(fā)生臨界水躍時(shí)，躍前水深為hc，相應(yīng)的躍后水深為，則淹沒(méi)判別標(biāo)準(zhǔn)為：

當(dāng)ht≤時(shí)，為自由出流；當(dāng)ht＞時(shí)，為淹沒(méi)出流。h' c'計(jì) 算公式為：

式中：hc為躍前水深（m）；為躍后水深（m）；ht為下游水深（m）；其他符號(hào)意義同上。

根據(jù)南京水利科學(xué)研究院的實(shí)驗(yàn)研究，淹沒(méi)系數(shù)（s）與潛流比(y)有關(guān)，可由圖3查得。當(dāng)ht≤時(shí)，δs取1；否則，δs大于1。

圖3 淹沒(méi)系數(shù)（δs）與潛流比（y）關(guān)系

3 四女寺樞紐南進(jìn)洪閘過(guò)閘情況的試驗(yàn)研究

3.1 自由出流試驗(yàn)

不考慮閘下游實(shí)際水位情況，在任何開(kāi)閘孔數(shù)和開(kāi)啟高度工況下，調(diào)節(jié)下游水位均較低，保證閘孔出流為自由出流。其目的在于通過(guò)模型試驗(yàn)獲得四女寺樞紐南進(jìn)洪閘閘孔出流規(guī)律及流量系數(shù)和垂直收縮系數(shù)。為此，在開(kāi)閘孔數(shù)分別為12、6、4、2時(shí)，保持閘上水位為23.0m，進(jìn)行了多次閘孔開(kāi)啟高度的過(guò)流試驗(yàn)，結(jié)果如下。

3.1.1 閘孔出流規(guī)律

12孔閘門(mén)同時(shí)開(kāi)啟，分別取開(kāi)啟高度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3m，進(jìn)行放水試驗(yàn)，可得n=12時(shí)的過(guò)閘流量隨閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)、閘門(mén)開(kāi)啟高度的變化規(guī)律。

同時(shí)，開(kāi)啟第1、3、5、7、9、11孔閘門(mén)，其余關(guān)閉，形成6孔出流，類(lèi)似上述試驗(yàn)，可得n=6時(shí)的過(guò)流規(guī)律。同理，可得n=4和n=2時(shí)的過(guò)流規(guī)律。過(guò)流規(guī)律如圖4所示，對(duì)應(yīng)數(shù)值見(jiàn)表2。

3.1.2 閘孔出流流量系數(shù)

在上述試驗(yàn)已經(jīng)確定了Q～n、e關(guān)系的基礎(chǔ)上，由式（10）可反求出流量系數(shù)（μ）。

表2 自由出流時(shí)流量（Q）隨開(kāi)閘孔數(shù)（n）和閘孔開(kāi)啟高度（e）的變化值

式中：n為開(kāi)閘孔數(shù)；b為閘孔單寬（m）；其他符號(hào)意義同上。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，得出四女寺樞紐南進(jìn)洪閘流量系數(shù)的試驗(yàn)值，見(jiàn)表3。

3.1.3 垂直收縮系數(shù)

在進(jìn)行上述試驗(yàn)的同時(shí)，還進(jìn)行了閘后收縮斷面水深的測(cè)量，從而得到了垂直收縮系數(shù)隨閘孔開(kāi)啟高度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖4 自由出流時(shí)流量（Q）隨開(kāi)閘孔數(shù)（n）和閘孔開(kāi)啟高度（e）的變化規(guī)律

圖5 垂直收縮系數(shù)（ε'）隨閘門(mén)開(kāi)啟高度（e）的變化規(guī)律

表3 流量系數(shù)（μ）的試驗(yàn)值

3.2 淹沒(méi)出流試驗(yàn)

3.2.1 過(guò)閘流量隨閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)、開(kāi)啟高度的變化規(guī)律試驗(yàn)

分別在開(kāi)閘孔數(shù)n=12、6、4、2的情況下，變化閘孔開(kāi)啟高度，然后保持上游水位23.0m不變，調(diào)節(jié)下游水位為22.0m，待水流穩(wěn)定后測(cè)量流量。最后，得到流量隨閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)、開(kāi)啟高度的變化規(guī)律，見(jiàn)表4。

表4 過(guò)閘流量（Q）隨下游水位（ht）、開(kāi)閘孔數(shù)（n）和閘孔開(kāi)啟高度（e）的變化規(guī)律

由上述結(jié)果可知，與開(kāi)閘孔數(shù)和閘孔開(kāi)啟高度相對(duì)應(yīng)，在下游水位為22.0m時(shí)，其過(guò)閘流量均小于自由出流時(shí)的流量，過(guò)閘水流均為淹沒(méi)出流。

3.2.2 淹沒(méi)系數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出淹沒(méi)系數(shù)，其計(jì)算公式為：式中：σs為淹沒(méi)系數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

同時(shí)，可計(jì)算出潛流比（y），其計(jì)算公式為：

式中：q為自由出流時(shí)閘孔單寬流量（m3∕s）；其他符號(hào)意義同上。

計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 淹沒(méi)系數(shù)（σs）的試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

淹沒(méi)系數(shù)（σs）與潛流比（y）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。同時(shí)，繪出了南京水利科學(xué)研究院提供的閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)（σs）與潛流比（y）的關(guān)系曲線。

圖6 淹沒(méi)系數(shù)（σs）隨潛流比（y）的變化關(guān)系

計(jì)算結(jié)果表明，四女寺南進(jìn)洪閘閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)（σs）隨潛流比（y）的變化規(guī)律與目前工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的南京水利科學(xué)研究院提供的閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)（σs）與潛流比（y）的變化規(guī)律基本吻合，適用于閘后無(wú)跌坎的水平底寬頂堰上的閘孔出流情況。當(dāng)閘后水跌位置向上越過(guò)收縮斷面時(shí)，閘孔為淹沒(méi)出流。淹沒(méi)判別標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)ht≤時(shí)，為自由出流，σs=1；當(dāng)ht＞時(shí)，為淹沒(méi)出流，σs＜1。

4 結(jié)語(yǔ)

閘孔出流雖然有一些經(jīng)驗(yàn)公式，但是這些公式還不能完全符合所有工況的水閘過(guò)水計(jì)算，特別是對(duì)于閘前水流比較紊亂的情況，還沒(méi)有較好的解決方法。筆者通過(guò)模型水利計(jì)算和多年來(lái)南進(jìn)洪閘過(guò)水流量統(tǒng)計(jì)繪制特性曲線，可以大大提高精準(zhǔn)度，減小誤差率。筆者提出的有關(guān)水平底寬頂堰上的閘孔出流的淹沒(méi)判別標(biāo)準(zhǔn)及淹沒(méi)系數(shù)的確定方法可以用于類(lèi)似水利工程。

TV66；TV132

：A

：1004-7328（2014）02-0062-04

10.3969∕j.issn.1004-7328.2014.02.023

2013-11-30

孟躍晨（1983-），男，助理工程師，主要從事水閘樞紐管理工作。