陸渾灌區(qū)東一干渠分水閘過流問題分析計(jì)算

□劉社教　□趙麗娟　□張玲玲　□王英杰（河南省陸渾水庫(kù)管理局）

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陸渾灌區(qū)東一干渠分水閘過流問題分析計(jì)算

□劉社教□趙麗娟□張玲玲□王英杰
（河南省陸渾水庫(kù)管理局）

摘要：灌區(qū)上水的精準(zhǔn)計(jì)量是一件關(guān)乎灌區(qū)向好發(fā)展的大事。陸渾灌區(qū)總干渠的內(nèi)埠分水樞紐（簡(jiǎn)稱內(nèi)埠分水閘）就直接擔(dān)負(fù)著向東一干渠、東二干渠調(diào)配水的任務(wù)。由于在通水期內(nèi)埠分水閘閘門啟閉頻繁，各種閘前水位和閘門開度及閘后水位均影響到閘孔的過流量，通過分水閘的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)用觀測(cè)，對(duì)閘孔過流問題有了更好的認(rèn)識(shí)，方便今日的運(yùn)用管理。

關(guān)鍵詞：東一干分水閘；閘前水位；閘后水位；淹沒水位

1　概況

陸渾灌區(qū)是河南省一座可灌溉3市7縣（市）約12.00萬hm2耕地的大型灌區(qū)。陸渾灌區(qū)從1974年部分開灌以來，灌溉效益一度徘徊不前。自中央一號(hào)文件出臺(tái)以來，陸渾灌區(qū)得到迅猛發(fā)展，水的用途種類范圍大增，灌區(qū)水的準(zhǔn)確計(jì)量已關(guān)系到灌區(qū)的良好發(fā)展。

陸渾灌渠總干渠上的內(nèi)埠分水閘位于總干渠末端（樁號(hào)44+443）。閘身為開敞式整體結(jié)構(gòu)，混凝土地板砌墩墻，閘底板厚在1 m左右。東一干渠分水閘為兩孔，閘門尺寸為3.50 m× 5.20 m的平板鋼閘門，設(shè)計(jì)流量50 m3。東二干分水閘為一孔，閘門尺寸位3.20 m×5.20 m的平板鋼閘門。東一干分水閘下游砌塊石扭曲段長(zhǎng)為15m左右。在多年的通水使用中，因閘前后加水、減水、調(diào)水等原因，分水閘閘門經(jīng)常是頻繁啟閉。雖然在東一干渠分水閘下游2 km的地方設(shè)有簡(jiǎn)易測(cè)水橋，但每次測(cè)水需多人多方參加，并需專用車輛，按現(xiàn)行的一日二測(cè)水管理制度很難做到。特別是雨雪天，下到溝里觀測(cè)水位已屬不易，實(shí)測(cè)更難。過去在東一干渠水閘采用閘門開度的辦法推測(cè)流量，還制有閘孔開度與流量關(guān)系表。在近年的通水實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這一表與實(shí)測(cè)流量有出入，今做完善，使它更好地符合實(shí)際情況。①這個(gè)表在右閘門開度較小的情況下與實(shí)測(cè)相差不多，隨閘門開度的增加相差較多。②這表是在閘前水位4.20 m的情況下制成的，但在實(shí)際工作中，閘前水位會(huì)有很多情況出現(xiàn)。③這表是按一孔閘門的計(jì)算制成實(shí)際上東一干分水閘是兩孔閘門，過流量并非兩孔閘門開度的累加。④其它因素需考慮如閘前水尺不太精準(zhǔn)，閘后渠道和建筑物的影響。值得注意的是閘后水深影響，就是淹沒影響。還有閘后一定距離內(nèi)渠坡樹草淤積的間接影響。側(cè)收縮影響基本未考慮。

2　東一干分水閘設(shè)計(jì)水位的過流情況

東一干分水閘因未找到原設(shè)計(jì)資料，參照總干渠上燕王寨，葦園溝退水閘的情況，過流能力應(yīng)大于設(shè)計(jì)流量。東一干分水閘為2孔3.00 m×5.20 m的平板鋼閘門，閘底板與上下游渠道銜接較好，應(yīng)屬無坎寬頂堰，在實(shí)際工作中出閘水流常受閘門控制，是閘孔出流情況。東一干分水閘的驗(yàn)算應(yīng)是寬頂堰流，當(dāng)閘門開度在4.50 m或全開時(shí)，e/h=4.5/4.5=1>0.65為堰流。

2.1流量系數(shù)的選取

原設(shè)計(jì)為寬頂堰自由出流，不論直角或圓角寬頂堰，當(dāng)p1/H=0時(shí)，經(jīng)計(jì)算流量系數(shù)m=3.85×10-1，本次驗(yàn)算比較保守，選取m=3.75×10-1。

2.2側(cè)收縮系數(shù)的選取側(cè)收縮系數(shù)的選取（1）式。

式中：α0選取0.10，b為溢流孔凈寬，B為上游引渠寬。

經(jīng)計(jì)算b/B=4.93×10-1,ε1=9.27×10-1,東一干渠分水閘為對(duì)稱閘門，ε1=ε2。

2.3東一干分水閘的過流量

經(jīng)計(jì)算：Q=88.16 m3?？紤]淹沒影響，hs/H=4.30/4.50=0.95。今選hs/H=0.96,淹沒系數(shù)=0.59。東一干渠的過流量可達(dá)：Q= 88.15×0.59=52.01 m3/s。

通過上述計(jì)算，得知東一干分水閘過流量大于近期設(shè)計(jì)流量45 m3/s，也大于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)流量50 m3/s。這也驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)的正確性。在上述計(jì)算中，流量系數(shù)和淹沒系數(shù)在選取上還略有保守。近年來在東一干渠分水閘后有淤積抬高渠的水位，但尚未影響到閘后的淹沒水位。

3　東一分水閘實(shí)際運(yùn)行情況

雖然東一干渠分水閘能完全滿足設(shè)計(jì)流量，且略有余地。但在實(shí)際工作中由于調(diào)配流量的需要，東一干分水閘的運(yùn)行方式多是閘孔出流，常遇到兩扇門不對(duì)稱開啟或僅開啟一扇閘門，如2013年因左側(cè)閘門故障在較長(zhǎng)一段時(shí)間一直開的是右側(cè)閘門，所有這些都涉及到閘孔出流的準(zhǔn)確計(jì)算問題。

3.1閘孔出流

判斷堰流與閘孔出流的大致界限是：e/H≥0.65。東一干設(shè)計(jì)閘前水位4.50 m，可見e≤0.65×4.50=2.93 m為閘孔出流。每次通水期東一干分水閘是堰流或閘孔出流情形，應(yīng)取決于閘門開度和閘前水位。在近3 a的通水實(shí)踐中，由于分水閘所在總干渠渠段有一填方壩存在病險(xiǎn)問題和調(diào)度上的原因。導(dǎo)致東一干分水閘前水位一直控制在4 m或4 m以下。在4 m水位時(shí)間門開度e≤0.65×4=2.60 m為閘孔出流。

3.2閘門開度和過流量

為了說明問題，針對(duì)閘門的3種閘前水位4.50，4.00 m和3.50 m3種情況，就閘門的對(duì)稱開啟、不對(duì)稱開啟和開啟度不同的多種情況進(jìn)行了計(jì)算。公式是用Q=Hbe。流量系數(shù)H=0.60-0.176e/H。計(jì)算結(jié)果如表1。

表1　閘門開度和過流量計(jì)算表

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，左右孔閘門相應(yīng)開度和過流量相加。并不等于左右孔閘門開度相加的單孔過流量。在左右孔閘門開度數(shù)值相加恒值的情況下，對(duì)稱開啟的過流量略大于不對(duì)稱開啟的過流量。

而且隨著左右孔閘門相應(yīng)開度的增加，左右孔閘門相應(yīng)開度的過流量相加比左右孔閘門相應(yīng)開度相加的單孔過流量大的越來越多，這也是實(shí)際工作中需注意的。

3.3閘前水位為4.00 m的情況

東一干分水閘閘前設(shè)計(jì)水位為4.50 m，但在近幾年的實(shí)際工作中，閘前水位多保持在4 m和4 m以下。因分水閘前有一段填方壩工程質(zhì)量略差的原因。在實(shí)際工作中，因管理人員和啟閉機(jī)問題，分水閘往往是單開，大多情況是只開右孔閘門。

從表（1）可以明顯看出，以現(xiàn)在常有閘前水位4.00 m為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)閘門開度一定時(shí)，當(dāng)閘前水位增至4.50 m時(shí)，流量就增大。當(dāng)閘門開度越大時(shí)，增加的過流量就越大。反之當(dāng)閘水位落至3.50 m時(shí)，流量就減小，當(dāng)閘門開度越大時(shí)，減少的過流量就越大。

4　東一干分水閘實(shí)際過流情況的分析驗(yàn)算

4.1分水閘前后流態(tài)的變化

東一干分水閘前的水流是緩流，過閘是急流，閘后又是緩流，尚有淹沒流。淹沒形成的條件及淹沒對(duì)閘孔過流的影響程度是主要的。在長(zhǎng)期的通水實(shí)踐中，東一干分水閘多為淹沒出流，而且是不同于一些書本上的那種形式的淹沒出流。

4.2閘后水位淹沒影響的過流問題

閘前水深減去閘后水深的閘孔過流計(jì)算。一般認(rèn)為因?yàn)殚l后淹沒閘孔過流承受的水壓力就是二者之差。即閘前水位減去閘后水位。如閘前水位為4.20 m.閘后水位為2 m，左孔開度e= 0.05 m，經(jīng)計(jì)算Q0.05=0.68 m3/s。右孔開度e=0.90 m，經(jīng)計(jì)算Q0.90=10.93 m3/s?？梢奞合=Q0.05+Q0.90=11.61 m3/s。與實(shí)測(cè)結(jié)果Q=12.15 m3/s比較接近二數(shù)值之間是否存在耦合性及耦合性產(chǎn)生的條件尚不太清楚。

4.3書本上考慮淹沒影響的計(jì)算。

左孔開度e=0.05 m，經(jīng)計(jì)算Q0.05=0.60 m3/s，右孔開度e= 0.90 m，經(jīng)計(jì)算：Q0.09=16.07 m3/s，Q合=Q0.05+Q0.90=16.68 m3/s，與實(shí)測(cè)的Q=12.15 m3/s，有出入。

4.4不對(duì)稱和對(duì)稱開啟閘門

通過上述計(jì)算如閘門不對(duì)稱開啟就有可能一側(cè)是自由出流，另一側(cè)是淹沒出流。如兩孔閘門對(duì)稱開啟，兩扇閘門就有可能有淹沒出流的情況或說出現(xiàn)概率的機(jī)會(huì)就會(huì)增多。

5　結(jié)語(yǔ)

通過上述的分析，計(jì)算和論證。建議陸渾灌渠東一干分水閘在每次通水中，應(yīng)進(jìn)行≥2次的流量實(shí)測(cè)，在實(shí)測(cè)有困難的情況下，其它過流量應(yīng)根據(jù)以往測(cè)驗(yàn)前水位流量關(guān)系和分水閘的開啟過流情況進(jìn)行比對(duì)或微調(diào)，從而得到過流的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。同時(shí)由于幾十年來東一干分水閘一直未達(dá)到按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用。2013年?yáng)|一干渠過流量?jī)H短時(shí)達(dá)30 m3/s，尚無分水閘觀測(cè)數(shù)據(jù)，上述計(jì)算有待修正完善。

（責(zé)任編輯：劉長(zhǎng)垠）

收稿日期：2015-10-30

作者簡(jiǎn)介：劉社教，男（1965-），高級(jí)工程師，主要從事水利工程的設(shè)計(jì)，施工和管理。

中圖分類號(hào)：TV66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）02-0095-02