崗南水庫(kù)二壩調(diào)節(jié)池水位～泄量曲線率定分析

張硯芳

（河北省崗南水庫(kù)管理局，石家莊 050410）

1 概況

崗南水庫(kù)位于滹沱河中游，是海河流域內(nèi)的一座大（Ⅰ）型水利樞紐工程，水庫(kù)總庫(kù)容17.04億m3，控制流域面積1.59萬(wàn)km2，其地理位置和作用十分重要。

水庫(kù)工程于1958年3月動(dòng)工興建，1959年開(kāi)始攔洪，歷經(jīng)初建、續(xù)建、擴(kuò)建加固及除險(xiǎn)加固等，防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到萬(wàn)年一遇。水庫(kù)樞紐建筑物主要由主壩、副壩、第一溢洪道、第二溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站及二壩調(diào)節(jié)池等部分組成［1］。

2 二壩調(diào)節(jié)池概況

二壩調(diào)節(jié)池修建于1960年，壩體為粘土斜墻壩，壩前鋪蓋長(zhǎng)100m，壩長(zhǎng)350m，頂寬5.0m，壩頂高程：左側(cè)148.29m，右側(cè)149.40m，壩頂上鋪筑混凝土路面，上游坡型1∶2.75，鋪反濾料砌石護(hù)坡至壩頂，下游坡型1∶2.5，初建時(shí)壩左側(cè)建有2孔泄洪閘，右側(cè)建有7孔泄洪閘，兩側(cè)共計(jì)9孔泄洪閘，每孔寬4m，堰頂高程143m。

水庫(kù)續(xù)建后在右側(cè)原有7孔的基礎(chǔ)上再增建2孔4m寬泄水閘，使泄水閘孔數(shù)增至11孔。其中，左側(cè)仍為原有2孔不變，右側(cè)變?yōu)?孔。

3 泄量曲線計(jì)算修正原因

改建加固前，二壩調(diào)節(jié)池閘門(mén)啟閉形式為左側(cè)2孔1機(jī)，右側(cè)7孔2機(jī)，閘門(mén)不能以任意開(kāi)度啟閉，只能以1.3，1.8m和全開(kāi)的3種開(kāi)度來(lái)開(kāi)啟閘門(mén)，因此，運(yùn)用的二壩調(diào)節(jié)池泄量曲線分別為單孔2條 （1.3m開(kāi)度線和1.8m開(kāi)度線），以及9孔全開(kāi)泄量曲線。

改建加固后，二壩調(diào)節(jié)池閘門(mén)啟閉形式發(fā)生了很大變化，每孔閘門(mén)均可以任意開(kāi)度開(kāi)啟，單孔閘門(mén)可以以相應(yīng)的泄量下泄，因此現(xiàn)運(yùn)用的泄量曲線已經(jīng)不能滿足閘門(mén)啟閉的查詢需要，后經(jīng)有關(guān)調(diào)度人員多方查找，只在有關(guān)技術(shù)檔案中找到了初建時(shí)7孔全開(kāi)泄量曲線的計(jì)算過(guò)程以及1983年整理的一份有關(guān)調(diào)節(jié)池泄量曲線的復(fù)印件，初建時(shí)單孔泄量曲線的計(jì)算過(guò)程及所用計(jì)算公式并沒(méi)有找到，1983年整理的調(diào)節(jié)池泄量曲線繪制完整，但其有關(guān)詳細(xì)計(jì)算數(shù)據(jù)及所用計(jì)算公式已無(wú)從查找，因此重新計(jì)算并繪制調(diào)節(jié)池泄量曲線對(duì)于管理運(yùn)用十分必要。

4 計(jì)算分析

4.1 堰型確定

如圖1所示，經(jīng)計(jì)算比較可知：泄水閘孔堰頂厚度在0.67H<δ<2.5H范圍內(nèi)（H為堰頂水頭），因此可以確定調(diào)節(jié)池泄水閘的底檻為實(shí)用堰，同時(shí)可以查出其為曲線型實(shí)用堰。查初建時(shí)調(diào)節(jié)池7孔全開(kāi)泄量的計(jì)算過(guò)程也可以得知堰型為曲線型實(shí)用堰，其設(shè)計(jì)定型標(biāo)明為梯形頂角修圓曲線型堰，而在泄量計(jì)算中采用克—奧型堰的計(jì)算公式［2］。

圖1 堰型確定

4.2 出流分析

由閘門(mén)啟閉泄流過(guò)程可知：閘門(mén)提起初始時(shí)，出流為閘孔出流，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度e逐漸增大到一定程度時(shí)，閘門(mén)底邊緣與堰頂水面脫離，水流逐漸變?yōu)檠吡?；相反，在堰流情況下，當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉到一定開(kāi)度時(shí)，閘門(mén)底邊緣接觸水面，約束了過(guò)堰水流，此時(shí)水流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚l孔出流。查《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》可知：閘底坎為曲線型堰時(shí)，當(dāng)e/H≤0.75時(shí)水流為閘孔出流；當(dāng)e/H>0.75時(shí)水流為堰流 （e為開(kāi)度，H為堰上水頭）。由于調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)最高水位為148m，相對(duì)于堰底高程143m的最大水頭為5m，而閘門(mén)開(kāi)度可由0逐漸提高到5m，因此，當(dāng)水位一定時(shí)，在二壩調(diào)節(jié)池開(kāi)啟閘門(mén)的泄流過(guò)程中既存在閘孔出流，又存在堰流。

4.3 公式選用

由出流分析分析可知，調(diào)節(jié)池泄流過(guò)程中既存在閘孔出流，又存在堰流，因此在泄量計(jì)算中應(yīng)該分別選用計(jì)算公式［3］。

4.3.1 堰流計(jì)算公式

4.3.1.1 流量公式確定查《水力計(jì)算手冊(cè)》可知：

式中 σ1為側(cè)收縮系數(shù)；σ2為淹沒(méi)系數(shù)；m為自由溢流的流量系數(shù)；n為閘門(mén)孔數(shù)；b為每孔凈寬；H0為包括行近流速的堰前水頭。

在這次的“葛蘭素史克事件”中，內(nèi)部人員的舉報(bào)才使得商業(yè)賄賂的丑聞被揭開(kāi)。這在一定程度上也反映出相關(guān)政府部門(mén)的不作為，存在監(jiān)管上的漏洞。一些地方政府對(duì)商業(yè)賄賂的危害性認(rèn)識(shí)不夠，認(rèn)為是商品交易中的潛規(guī)則，是一種正常的商業(yè)習(xí)慣。更有甚者認(rèn)為查處商業(yè)賄賂會(huì)影響當(dāng)?shù)氐耐顿Y環(huán)境，不利于當(dāng)?shù)刎?cái)政的創(chuàng)收。正是由于這種想法的存在，導(dǎo)致他們對(duì)企業(yè)的商業(yè)行為不進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)于違法的商業(yè)行為不去查處，睜一只眼閉一只眼，放任了商業(yè)賄賂的肆意發(fā)展。

4.3.1.2 側(cè)收縮系數(shù)σ1的確定

式中 b為每孔的凈寬；H0為包括行近流速的堰前水頭；ζ0為閘墩形狀系數(shù)，取0.7；ζk為邊墩形狀系數(shù)，取 0.57。

4.3.1.3 淹沒(méi)系數(shù)σ2的確定

經(jīng)分析可知：調(diào)節(jié)池提閘泄流時(shí)，水躍發(fā)生位置較遠(yuǎn)，下游水位對(duì)過(guò)堰流量不構(gòu)成影響，因此，計(jì)算時(shí)淹沒(méi)系數(shù)σ2可以按σ2=1處理。

公式（2）從《水力計(jì)算手冊(cè)》中查出，經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)與初建時(shí)計(jì)算全開(kāi)泄量所用公式相同。

由于行近水頭比較小，可忽略不計(jì)，因此本次計(jì)算中用H代替H0，取相應(yīng)的水頭進(jìn)行計(jì)算。

在調(diào)節(jié)池的初建、續(xù)建、及運(yùn)行維護(hù)中底坎堰型均未發(fā)生變化，故本次計(jì)算中，有關(guān)堰流部分計(jì)算的流量系數(shù)m仍然選用初建計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)，取0.48。

4.3.2 閘孔出流計(jì)算公式

由于在原始資料中未能找到有關(guān)調(diào)節(jié)池泄量閘孔出流部分的計(jì)算公式和過(guò)程，因此在本次計(jì)算中，有關(guān)閘孔出流部分的計(jì)算公式均由《水力計(jì)算手冊(cè)》中查出。

4.3.2.1 閘孔出流流量計(jì)算基本公式（根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》）

式中 σs為淹沒(méi)系數(shù)；μ0為閘孔自由出流的流量系數(shù)；e為閘門(mén)開(kāi)啟高度；n為閘門(mén)孔數(shù)；b為閘門(mén)凈寬；H0為堰前全水頭。

4.3.2.1 淹沒(méi)系數(shù)σ1的確定

和堰流計(jì)算相同：調(diào)節(jié)池提閘泄流時(shí)，水躍發(fā)生位置較遠(yuǎn)，下游水位對(duì)過(guò)堰流量不構(gòu)成影響，計(jì)算時(shí)淹沒(méi)系數(shù)σ1仍然按σ1=1處理。另外，在實(shí)際泄流過(guò)程中，由于行近水頭比較小，可忽略不計(jì)，因此本次計(jì)算中用H代替H0。

4.3.2.3 流量系數(shù)μ0的確定（根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》）

5 計(jì)算及結(jié)果比較分析

5.1 堰流部分的數(shù)據(jù)結(jié)果分析

有關(guān)堰流部分的數(shù)據(jù)分別用了初建時(shí)的計(jì)算公式和修正后的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)果略有差距，經(jīng)分析得知，出現(xiàn)差距的原因是對(duì)側(cè)收縮系數(shù)的修正造成的：原計(jì)算中，式（2）中H0的取值為平均水頭（3m）；而修正計(jì)算時(shí)，式（2）中 H0的取值為泄流時(shí)相應(yīng)水頭，因此兩個(gè)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)一點(diǎn)差距。

雖然兩個(gè)計(jì)算結(jié)果的差距不大，基本可以忽略不計(jì)，但分析可以得知：在原始計(jì)算中，只有水頭接近平均水頭（3m）時(shí)，計(jì)算結(jié)果才更接近真實(shí)的數(shù)據(jù)，而當(dāng)水頭與平均水頭相差較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果則有一定差距。而在修正計(jì)算中，H0的取值為相應(yīng)水頭，計(jì)算結(jié)果顯然更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，因此泄量曲線的繪制應(yīng)該選用修正計(jì)算中的數(shù)據(jù)結(jié)果。

5.2 閘孔出流部分的數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由于在原始資料中未能發(fā)現(xiàn)閘孔出流部分的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，因此計(jì)算中閘孔出流部分的計(jì)算結(jié)果只能與1983年泄量曲線 （已無(wú)計(jì)算公式與數(shù)據(jù)）做查詢對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所查數(shù)據(jù)與本次計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致 （開(kāi)度在3.5m以上時(shí)略有差距），由此可以推斷：有關(guān)閘孔出流部分的計(jì)算，1983年泄量曲線與本次計(jì)算所使用的公式完全一樣。

在開(kāi)度達(dá)到3.5m以上時(shí)，1983年泄量曲線中查出的數(shù)據(jù)與本次計(jì)算數(shù)據(jù)略有差距，經(jīng)分析得出：曲線中查出的數(shù)據(jù)和用堰流計(jì)算公式（式1）計(jì)算的計(jì)算結(jié)果完全一致，由此可以推斷1983年泄量曲線中有關(guān)調(diào)節(jié)池單孔泄量數(shù)據(jù)在開(kāi)度大于等于3.5m時(shí)是用堰流公式計(jì)算的，而此時(shí)，隨水位的增加，仍有e/H≤0.75情況出現(xiàn)，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)該用閘孔出流的計(jì)算式（3），這是本次修正計(jì)算與原曲線所查詢數(shù)據(jù)出現(xiàn)差距的原因。

6 實(shí)際校驗(yàn)結(jié)果

崗南二壩調(diào)節(jié)池泄量曲線的計(jì)算及修正是為了滿足改建加固后泄量查詢的需要，其數(shù)值均為通過(guò)水力學(xué)公式計(jì)算的理論數(shù)據(jù)。為了對(duì)本次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，在春季向黃壁莊水庫(kù)輸水過(guò)程中，由二壩調(diào)節(jié)池南堤泄洪閘出流的部分流量，引用修正后的《二壩調(diào)節(jié)池單孔泄量曲線》根據(jù)不同輸水流量查詢閘門(mén)啟閉開(kāi)度，得出計(jì)算流量。輸水過(guò)程中，在下游水流較穩(wěn)定的河道內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量校驗(yàn)，應(yīng)用修正后曲線查詢流量與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

表1 擬定曲線后計(jì)算流量與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)表1對(duì)二壩調(diào)節(jié)池水位在輸水過(guò)程中的對(duì)比分析可以看出，修正后理論泄流量與實(shí)際泄流量差值最大不超過(guò)1.2m3/s，且實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差不超過(guò)2%。根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出此次泄量曲線的修訂計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差值不大，在以后實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可以作為向下游輸水時(shí)的管理與調(diào)度的依據(jù)。

［1］張波子.崗南水庫(kù)防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案［R］.2012.

［2］林繼鏞.水工建筑物［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［3］李煒.水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)（第二版）［K］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［4］鄭文康，劉翰湘.水力學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.