潮汐作用下水閘的泄流特性研究

劉猛，何萍，李凱

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心河口海岸交通行業(yè)重點實驗室，上海201201；2.上海明波水利設(shè)計有限公司，上海201100；3.鹽城市新洋港閘管理所，鹽城224333）

潮汐作用下水閘的泄流特性研究

劉猛1，何萍2，李凱3

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心河口海岸交通行業(yè)重點實驗室，上海201201；2.上海明波水利設(shè)計有限公司，上海201100；3.鹽城市新洋港閘管理所，鹽城224333）

依據(jù)物理模型試驗及理論分析方法開展了潮汐作用下水閘的泄流特性研究，取得了新認(rèn)識：1）將水閘工程及內(nèi)外銜接工程作為一個整體來研究其泄流特性是可行的；2）在外河水位與內(nèi)河水位確定條件下，水閘泄流流量與相對開度呈良好的線性關(guān)系；3）提出了區(qū)分閘孔出流條件與閘門全開條件的臨界開度的計算方法；4）提出了閘孔出流條件和閘門全開條件下的阻力系數(shù)計算公式；5）在綜合考慮上下游水位差、閘孔面積以及上下游水深比值等因素基礎(chǔ)上，提出了計算精度更高的閘孔出流條件下泄流流量計算公式。

潮汐；水閘；泄流特性；阻力系數(shù)；流量；長江口

影響水閘泄流（包括閘孔出流和堰流，其中堰流對應(yīng)閘門全開狀態(tài)，是閘孔出流的一種極限情況）流量的因素很多，閘底坎形式、閘門類型、上下游水深、閘門寬度、閘門開啟度以及水閘附近工程布置等都將影響水閘泄流流量的大?。?-6］。對于較為平順的水閘泄流，相關(guān)文獻［1-3］都做了一定研究，得到了一些理論公式，但實際工程往往受到多種復(fù)雜因素的綜合影響，目前的研究成果還不能給出適合所有情形的表達(dá)式。

潮汐作用下水閘的泄流特性更為復(fù)雜，因為外河水位變化頻繁且幅度大，而且內(nèi)河水位變化一般也較大，這種復(fù)雜多變的水位組合不僅僅影響閘門附近的水流形態(tài)，而且對內(nèi)外河銜接工程（如消力池、海漫段、防沖槽及連接段等）的水流形態(tài)影響非常顯著，難以通過傳統(tǒng)方法直接確定水閘泄流特性。

嚴(yán)家港泵閘位于長江口南港河段南岸，距上游吳淞口2.5 km。嚴(yán)家港水閘是嚴(yán)家港泵閘的重要組成部分（圖1），該閘兼有擋潮、防汛除澇和水環(huán)境治理等功能。嚴(yán)家港水閘為單孔，孔口寬10 m，底高程-1.00 m（上海吳淞高程，下同），水閘及內(nèi)外銜接工程長度約200 m，包括閘室、內(nèi)外河消力池、內(nèi)外河海漫段、內(nèi)外河防沖槽及內(nèi)外河連接段等（圖2）。嚴(yán)家港水閘具有典型的潮汐作用下水閘特征，外河平均潮差約2.40 m，最低潮位-0.43 m，最高潮位5.97 m，設(shè)計泄水最高潮位為2.15 m；內(nèi)河最高控制水位為3.75 m，預(yù)降水位為2.00 m，常水位為2.50～2.80 m。

本文以嚴(yán)家港水閘為例，將水閘工程及內(nèi)外銜接工程作為一個整體來研究其在各種條件下的泄流特性，回避了直接對閘室和內(nèi)外銜接工程復(fù)雜內(nèi)部水流特性的研究，探索較為普遍的整體泄流特性規(guī)律，取得了新的認(rèn)識。

圖1嚴(yán)家港泵閘平面布置圖Fig.1 Layout plan of Yanjiagang Pump Brake

1 數(shù)據(jù)與方法

物理模型根據(jù)重力相似準(zhǔn)則（λv=λ0.5h=5.92）設(shè)計，閘室段采用有機玻璃制作，其余部分采用混凝土制作，全面模擬了閘室、內(nèi)外河消力池、內(nèi)外河海漫段、內(nèi)外河防沖槽、內(nèi)外河連接段以及內(nèi)外河，本文涉及的水閘泄流特性試驗均為恒定流試驗。

綜合考慮外河潮汐特征以及開閘泄水時外河水位要求，試驗中外河試驗水位選擇5個，分別為0.00 m、0.89 m、1.50 m、1.80 m以及2.15 m，每個外河水位對應(yīng)5個不同的內(nèi)河試驗水位，每組試驗水位組合下閘門開啟高度為5個，試驗組次共125組，其中閘門全開工況25組，閘孔出流工況100組。

為了實現(xiàn)將水閘工程及內(nèi)外銜接工程作為一個整體來研究其在各種條件下的泄流特性，故選取上游參考斷面1-1距閘門約50 m，下游參考斷面2-2距閘門約160 m（圖1），2個參考斷面在各種試驗條件下均為漸變流斷面。列斷面1-1和2-2的能量方程為式中：Z1為斷面1-1水位，m；Z2為斷面2-2水位，m；α1、α2分別為斷面1-1和斷面2-2動能校正系數(shù)，取α1=α2=1；V1、V2分別為斷面1-1和2-2的平均流速，m/s；ξ為斷面1-1和2-2之間的阻力系數(shù)。由式（1）變換可得ξ的表達(dá)式

令Q為通過閘孔的流量，S1和S2分別為斷面1-1和2-2的過水面積，式（2）可變換為

圖2 3-3斷面示意圖Fig.2 Sketch of cross section 3-3

2 閘孔出流條件下泄流特性研究

外河水位0.89 m時，不同上游水位對應(yīng)的泄流流量Q與相對開度e為閘孔開度，m；H1為斷面1-1相對于閘底平面的水位，即上游堰上水深，H1=Z1+1.0，m）關(guān)系見圖3。由圖3可見：（1）在外河水位與內(nèi)河水位確定條件下，水閘泄流流量Q與相對開度eH1呈良好的線性關(guān)系；（2）內(nèi)河水位越高，上述線性關(guān)系斜率也越大，即水閘泄流流量Q隨相對開度e H1的變化速率越快。

斷面1-1和2-2之間的阻力系數(shù)ξ與相對開度e H1的關(guān)系見圖4，可用下式表達(dá)

式中：a1、b1均為待定參數(shù)，對應(yīng)于嚴(yán)家港水閘的a1、b1值分別為9.73和-2.14。閘孔出流條件下流量Q一般計算形式［3］可表達(dá)如下

式中：μ1為斷面1-1和2-2之間的綜合流量系數(shù)。

對比式（3）與式（5）可知，若以閘孔作為水閘泄流流量Q的計算參考斷面，μ1可以表示為

圖3Q與e H1的關(guān)系Fig.3 Relationship ofQand e H1

圖4ξ與的關(guān)系Fig.4 Relationship ofξand e H1

圖5Q與的關(guān)系Fig.5 Relationship ofQand

圖6Q與的關(guān)系Fig.6 Relationship ofQand

式中：A為閘孔面積，A=B×e，m2；a2和b2為待定參數(shù)，對應(yīng)嚴(yán)家港水閘a2、b2值分別為-0.001 7和1.112。

式中：a3為待定參數(shù)，對應(yīng)于嚴(yán)家港水閘的a3值為1.159。

由以上分析可知，對于某個水閘來說，水閘泄流流量Q與組合變量呈良好的線性關(guān)系，只要能通過物理模型試驗或原型觀測等手段獲得其比例系數(shù)，便可掌握該水閘閘孔出流條件下的泄流特性。

3 閘門全開條件下泄流特性研究

閘門全開條件下流量Q一般計算形式［3］可表達(dá)如下

式中：μ2為斷面1-1和2-2之間的綜合流量系數(shù)；B為閘孔寬度，m。

對比式（3）與式（9）可知，若以閘孔為水閘泄流流量Q計算的參考斷面，μ2可以表示為

通過深入分析可以發(fā)現(xiàn)，斷面1-1至2-2之間的水流阻力系數(shù)ξ與相對水位差之間呈良好的二階多項式關(guān)系（圖7），具體關(guān)系可以表示如下

式中：a4、b4及c4均為待定參數(shù)，對應(yīng)于嚴(yán)家港水閘的a4、b4、c4值分別為37.31、38.12和6.78。斷面1-1和2-2之間的綜合流量系數(shù)μ2與H2呈良好的線性關(guān)系（圖8），如下

式中：a5、b5均為待定參數(shù)，對應(yīng)于嚴(yán)家港水閘的a5、b5值分別為0.85和0.44。

依據(jù)試驗采集得到的斷面1-1和2-2水位數(shù)據(jù)，首先根據(jù)式（12）計算得到綜合流量系數(shù)μ2，然后根據(jù)式（9）計算得到閘門全開條件下水閘泄流流量Q計，最后將實測流量Q測與計算流量Q計繪于圖9。

圖7ξ與的關(guān)系Fig.7 Relationship ofξand

圖8μ2與H2的關(guān)系Fig.8 Relationship ofμ2andH2

由圖9可見，利用上述計算方法可以得到較好的閘門全開條件下水閘泄流流量Q值。

閘門開啟至全開過程中存在臨界開度ec，即當(dāng)閘門開度小于ec時，閘門開度變化對水閘泄流能力有影響；當(dāng)閘門開度大于ec時，閘門開度變化不再對水閘泄流能力有影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)（圖10），臨界相對開度可用下式表達(dá)

式中：a6、b6及c6均為待定參數(shù)，對應(yīng)于嚴(yán)家港水閘的a6、b6、c6值分別為-0.33、0.60和0.60。

圖9Q測與Q計的關(guān)系Fig.9 Relationship ofQ測andQ計

圖10ecH1與的關(guān)系Fig.10 Relationship ofecH1and

研究具體水閘時，將水閘及內(nèi)外銜接工程作為一個整體來研究其泄流特性是可行的，回避了直接研究各種淹沒條件以及閘上下游工程平面布置等因素對泄流特性的復(fù)雜影響。此外，研究成果的結(jié)構(gòu)形式簡單，應(yīng)用方便，如所有計算阻力系數(shù)ξ、流量系數(shù)μ及泄流流量Q的公式中僅含水位、開度等實踐中容易獲取的變量，未出現(xiàn)一些常見公式［1-5］中所含有的實踐中較難獲得的收縮系數(shù)、平均流速或包含流速的各種變量。

4 結(jié)語

依據(jù)物理模型試驗及理論分析方法，以典型水閘工程為例，深入開展了潮汐作用下水閘的泄流特性研究，取得了新的認(rèn)識：（1）在研究具體工程時，將水閘工程及內(nèi)外銜接工程作為一個整體來研究其泄流特性是可行的，不僅可以避免研究各種淹沒條件以及閘上下游工程平面布置等因素對泄流特性的復(fù)雜影響，而且研究成果的結(jié)構(gòu)形式簡單，應(yīng)用方便。（2）文中分別提出了閘孔出流條件和閘門全開條件下的水閘阻力系數(shù)ξ的計算公式及泄流流量Q的計算公式，并提出了區(qū)分閘孔出流條件與閘門全開條件的臨界開度ec的計算公式。（3）在計算閘孔出流條件下泄流流量Q時，宜綜合考慮上下游水位差ΔH、閘孔面積A以及上下游水深比值的影響，水閘泄流流量Q與組合變量良好線性關(guān)系。（4）在閘門全開條件下，綜合流量系數(shù)μ2與H2呈良好的線性關(guān)系。（5）在外河水位與內(nèi)河水位確定條件下，水閘泄流流量Q與相對開度1呈良好的線性關(guān)系。

［1］清華大學(xué)水力學(xué)教研組.水力學(xué)下冊［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［2］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力學(xué)下冊［M］.北京：高等教育出版社，1987.

［3］李家星，趙振興.水力學(xué)下冊［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2001.

［4］吳門伍，陳立，周家俞.大和水閘過閘流量分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2003，36（5）：51-54，78. WU M W，CHEN L，ZHOU J Y.Analysis of water discharge through sluice［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2003，36（5）：51-54，78.

［5］陳榮力.泄水閘大淹沒出流的泄流計算商榷［J］.水動力學(xué)研究與進展，2004，19（2）：183-189. CHEN R L.A study on the calculation of discharging capacity of sluice under highly submerged discharge［J］.Journal of Hydrody?namics，2004，19（2）：183-189.

［6］孟德臣，黎國森，邢順敬，等.葫蘆灣樞紐泄水閘泄流能力研究［J］.水道港口，2010，31（4）：282-284. MENG D C，LI G S，XING S J，et al.Study on discharge capacity of Huluwan hydro?junction release sluice［J］.Journal of Water?way and Harbor，2010，31（4）：282-284.

Study on discharge capacity of sluice under tidal action

LIU Meng1,HE Ping2,LI Kai3
（1.Shanghai Estuarine and Coastal Research Center,Key Laboratory of Estuaries&Coastal Engineering,Ministry of Transport,Shanghai 201201,China;2.Shanghai Mingbo Hydraulics Engineering Design Co.Ltd.,Shanghai 201100,China;3.Yancheng city new port sluice management,Yancheng 224333,China）

Based on the physical model test and theoretical analysis,the discharge capacity of sluice under the tidal action was studied,some new understanding achieved:1)It′s feasible to study the discharge characteristics by taking the sluice engineering and the internal and external cohesion engineering as a whole;2)There is a good lin?ear relationship between the discharge flow and the relative opening degree of the sluice,when the internal water level as well as the external one is determined;3)A method to calculate the critical opening degree is proposed which can be used to distinguish the sluice gate discharge from the gate fully opening condition;4)The formula to calculate the drag coefficient under sluice gate discharge and gate fully opening condition is proposed;5)The formu?la to calculate the discharge flow with higher accuracy under sluice gate discharge is proposed based on the consid?eration of several factors,such as the water level difference between upstream and downstream,the area of the gate hole,the water depth ratio of upstream and downstream,etc.

tide;sluice;discharge capacity;drag coefficient;discharge flow;the Yangtze Estuary

TV66；TV698

A

1005-8443（2015）04-0334-05

2015-02-10；

2015-03-09

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201301020）；國家自然科學(xué)基金（41306085）

劉猛（1983-），男，江蘇省宿遷人，副研究員，主要從事河口水沙運動及河口航道治理研究。

Biography：LIU Meng(1983-),male,associate professor.