水力自控翻板閘門泄流量計算探討

徐 崗,王月華

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

水力自控翻板閘門以其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、應用及管理方便,在低水頭水利工程中越來越得到廣泛的應用。閘門泄洪從全關(guān)到全開狀態(tài)是一個流態(tài)復雜的動態(tài)過程。過閘水流最為常見的泄流狀態(tài)為門頂堰流與門底孔流同時出流,呈堰孔混合流態(tài)。底孔出流受門頂出流的影響,與下游水位有一定關(guān)系,同時底孔出流流態(tài)還會對門體的開啟產(chǎn)生反饋作用。隨著下泄流量的增加,上下游水位的變化,門體水平傾角達到設(shè)計最小,此時過渡到寬頂堰堰流流態(tài)。

對于水力自控翻板閘門過閘泄流量的計算目前尚無精確的理論計算公式,也沒有相關(guān)的規(guī)程規(guī)范可供參考。特別是采用了液控系統(tǒng)的翻板閘門,外力控制開啟閘門,特定的閘門傾角下,下泄流量很難確定。在過閘流量較小時,閘門水平傾角較大,門底開度較小,門體阻水明顯,門體對水流起主要控制作用,過閘總流量可分解為門頂堰流與門底孔流之和。對于過閘流量較大時,門體水平傾角較小,門體阻水作用不大,對泄流不起控制作用,其泄流量常常按一般的寬頂堰估算[1]。

通過建立門體0.600m×0.248m(寬×高)的斷面水槽模型,分別測量了門體不同傾角下獨立的門頂堰流、門底孔流、以及在水力自控情況下門頂門底混合出流時的泄流能力,推求翻板閘門常見泄流狀態(tài)下的流量計算公式。并結(jié)合以往數(shù)年不同翻板閘門工程的研究成果對公式進行了驗證。

2 門頂自由堰流

進行了8組門體不同傾角時門頂堰流的泄流能力試驗,門頂堰流流量計算采用公式：

式中：Q為下泄流量,m3/s；m為綜合流量系數(shù)；B為過流寬度,m；g為重力加速度,m/s2；H0為含行進流速的堰上水頭,m。

將試驗中翻板門直立(與水平成90°角)泄洪時的流量系數(shù)m與上游水頭H0進行擬合,得到公式如下：

式中：m為綜合流量系數(shù)。

因門體頂部構(gòu)造的不同及式(2)中H0包含了上游速頭,翻板門的流量系數(shù)值比不考慮速頭下的巴贊公式值略小[2],其流量系數(shù)經(jīng)驗計算公式：

式中：H為堰上水頭,m。

不同翻轉(zhuǎn)角度時門頂自由堰流的流量計算公式：

式中：σα為修正系數(shù)。

對于門體翻轉(zhuǎn)不同角度的出流,依照門體直立 (與水平成90°角)出流成果進行修正,門體與水平成不同角度的試驗修正值σα見表1及圖1,從圖1中可看出,門頂過流,在門體水平傾角小于30°時,過閘流量系數(shù)呈現(xiàn)逐漸加大的趨勢,大于30°時流量系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,水平成角度閘門開啟角度在30°左右時流量系數(shù)出現(xiàn)最大值。

表1 門體不同翻轉(zhuǎn)角度σα取值表

圖1 門體不同水平傾角與修正系數(shù)關(guān)系曲線圖

3 門底自由孔流

門底自由流一般按孔流流量計算公式為：

式中：u為孔流流量系數(shù)；e為門底開度,m。

翻板閘門因門型及重心的差異,即使翻轉(zhuǎn)相同角度,門體底部的開度e一般都不一樣。本次研究通過6組不同翻轉(zhuǎn)角度的試驗,得到翻板門門底不同開啟高度時流量系數(shù)m與相對開度e/H0的關(guān)系(見圖2)。

按照線性函數(shù)擬合得：

相關(guān)系數(shù)：R=0.98,應用范圍：0.090＜e/H0＜0.745

圖2 門底自由孔流u～e/H0關(guān)系曲線圖

4 堰孔混合出流

4.1 混合自由出流

計算翻板門門頂、門底同時自由出流泄流量時,可以采用前面所述的門頂堰流與門底孔流公式分別計算出各自下泄流量,其和即為下泄總流量。

此外,通過試驗研究,水力自控翻板閘門漲水自動翻轉(zhuǎn)泄洪過程中,門體成不同傾角時,總是有唯一的一個與之對應的上游水位和下泄流量。在門體水平角較小,下泄流量大,門體阻水效應不明顯時常采用別列津斯基公式[2]進行估算,見公式(7)和(8)。門體水平傾角較大時,若仍采用理論寬頂堰公式進行流量的計算,往往誤差較大。從圖3中可看出,門體翻轉(zhuǎn)一定角度,對河道產(chǎn)生阻水效應的是其在豎直方向上的投影部分,使得閘址同一上游水位下有門體時過流能力比無門體 (寬頂堰)時的泄流能力小[3]。

進口邊緣為直角的寬頂堰：

進口邊緣為修圓的寬頂堰：

式中：P為堰高,m；m為寬頂堰自由出流流量系數(shù)。

圖3 翻板門泄洪示意圖

通過本次試驗研究及對歷年翻板門試驗研究成果[4-7]的統(tǒng)計分析,在水力自控自由出流時,試驗實測的流量系數(shù)m實、門體成一定角度時實際的過流面積S1、同一上游水位H0下無門板時理論計算寬頂堰流量系數(shù)m理及此時寬頂堰處過流面積S2,m實/m理與S1/S2有較好的二項式關(guān)系(見圖4)。

圖4 自由出流門體不同傾角m實/m理～S1/S2關(guān)系曲線圖

其流量系數(shù)的比值隨S1/S2增加而增大,按照二項式擬合得：

相關(guān)系數(shù)：R=1.0,應用范圍：0.11＜S1/S2＜0.80

式中 ：S1=B×(H0-L×sinα),m2；S2=H0×B,m2。

翻板閘門水力自控下翻轉(zhuǎn)任意角度自由出流泄流量計算公式即為：

式中：L為翻板閘門高度,m；α為門體與水平方向夾角,°。

4.2 混合淹沒出流

堰孔淹沒出流常常發(fā)生于大流量泄洪,此時上下游水位均較高,過閘水流呈淹沒泄洪狀態(tài)。閘門開度大,水平傾角小,能達到了設(shè)計的倒平狀態(tài),門體水平傾角位于10°～15°。

本次試驗及以往相關(guān)研究成果表明,如果把翻板門泄流考慮為寬頂堰堰流,則對于翻板閘門倒平泄洪,在淹沒度小于0.80時,過閘水流不受下游水位的影響,此時為自由出流,其流量系數(shù)一般為寬頂堰理論流量系數(shù)的0.76～0.92倍[4-8],門頂水頭越大,過閘流量系數(shù)越大；當淹沒度大于0.80時,此時為淹沒出流,這些符合寬頂堰淹沒出流的規(guī)律,在計算翻板閘門的泄流量時近似的按寬頂堰出流考慮。其流量計算公式：

式中：σs為淹沒系數(shù)；c根據(jù)門頂水頭高低取0.76～0.92。

為了確定不同門型淹沒出流時淹沒系數(shù)與上下游水位的關(guān)系,將《水力自動閘門》中門高2.5,4.0m及浙江省水利河口研究院研究的門高5.0m翻板門,淹沒出流時 σs～△Z/H0的關(guān)系匯總于圖5中。工程設(shè)計中,淹沒出流時可先假定h下,求出上下游水位差△Z,從圖5中查出淹沒系數(shù),利用淹沒出流流量計算公式進行流量試算。

圖5 不同門型淹沒出流時 σs～△Z/H0關(guān)系曲線圖

5 工程應用分析

5.1 堰孔自由出流

以福建楊墩電站為例,楊墩電站位于建甌市徐墩鎮(zhèn)楊墩村,距建溪主流崇陽溪、南浦溪匯合口約2.5km。水力自控翻板閘門共16扇,總寬144.00m,閘門尺寸為9.00m×4.50m(寬×高),擋水高度4.30m。溢流堰采用寬頂堰,堰頂高程109.20m,堰高0.80m。

將擬合計算成果與模型試驗實測成果進行對比分析。利用公式(4)、(5)、(6)計算成果見表2[9],利用公式(8)、(9)、(10)計算成果見表3[9]。表2中,采用計算門頂自由堰流流量與底孔流量之和與試驗實測總流量進行比較,可以看出計算的總流量之和與試驗觀測的過閘流量除個別測點誤差略大為6.42%,其余測點誤差范圍在±5%以內(nèi)。表3中根據(jù)門體水力自控下自由出流時堰孔混合出流公式擬合計算流量同試驗實測流量多數(shù)測點的誤差均在±3%以內(nèi)。

表2 門頂及底孔泄流量試驗值與公式計算值比較表

表3 堰孔混合泄流量試驗值與公式計算值比較表

5.2 堰孔淹沒出流

以楊卜山翻板閘門為例。該閘位于金華市金東區(qū)孝順鎮(zhèn)馬腰孔村西南的東陽江上,距東陽江和南江匯合口下游約24km,閘址以上流域面積2938km2,攔蓄總庫容421萬m3。單扇門體尺寸為12.00m×3.50m(寬×高),溢流堰采用寬頂堰,堰頂高程40.68m,堰高1.50m。

堰孔混合淹沒出流時流量的試驗值與計算值(利用公式 (8)、(11)及圖5)見表4[7]。表4中堰孔混合估算流量多數(shù)測點誤差在±5%以內(nèi)。

表4 堰孔混合淹沒出流試驗值與公式計算值比較表

6 結(jié) 語

水力自控翻板閘門泄洪是一個不斷變化的動態(tài)過程,其泄流能力與門體高度、壩體堰高、上下游水位等多因素有關(guān),泄流量估算復雜。通過水槽模型對翻板門常見流態(tài)下泄流量的試驗觀測,結(jié)合多年來翻板閘門試驗研究成果,得出翻板閘門常見泄流狀態(tài)下的流量計算公式,將計算成果與試驗成果進行比較,相對誤差較小,可為翻板閘門的設(shè)計及工程運行的流量估算提供參考。

[1]李宗建,江儀貞,王長德.水力自動閘門 [M].北京：水力電力出版社,1987.

[2]金建華,王烽.水力學[M].長沙：湖南大學出版社,2004.

[3]張月霞,馮宇,易文敏,等.水力翻板閘門流量系數(shù)的試驗研究 [J].水力發(fā)電學報,2010,29(5)：220-225.

[4]史斌.5×10水力自控翻板門水力特性試驗研究 [R].杭州：浙江省水利河口研究院,2006.

[5]王富強.6×10翻板門斷面水工模型試驗研究 [R].杭州：浙江省水利河口研究院,2008.

[6]包中進.4×8水力自控翻板門水工斷面模型試驗研究 [R].杭州：浙江省水利水電科學研究院,2000.

[7]鮑倩.楊卜山水閘除險加固工程翻板門水工斷面模型試驗研究[R].杭州：浙江省水利河口研究院,2012.

[8]包中進,張錦娟.水力自控控制閘門的水力特性試驗研究[J].浙江水利科技,2002(5)：17-18.

[9]鮑倩.楊墩水電翻板門斷面水工模型試驗研究 [R].杭州：浙江省水利河口研究院,2010.