南水北調(diào)工程江都東閘加固前后推流過程淺析

王駿秋 王 江 王 成(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

南水北調(diào)工程江都東閘加固前后推流過程淺析

王駿秋 王 江 王 成(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

作為南水北調(diào)東線源頭配套工程，江都東閘節(jié)制閘經(jīng)加固改造后，因出流環(huán)境、水力要素發(fā)生了變化，歷年所采用的堰閘流量系數(shù)法率定水位流量關系曲線已不再適合當前過閘流量的推求。為更合理地掌握水工建筑物的出流規(guī)律，收集了工程加固后淹沒孔流流態(tài)下10 a的實測流量資料，改用堰閘過水平均流速法，率定出新的水位流量關系曲線，并對逐年的水位流量關系曲線進行對比和分析。

節(jié)制閘；堰閘；淹沒孔流；水位流量；曲線對比分析；加固處理；南水北調(diào)工程

1 工程概況

江都東閘位于揚州市江都區(qū)境內(nèi)，隸屬通揚運河水系，設計流量為550 m3/s，為寬頂平底節(jié)制閘，Ⅳ級水工建筑物。作為南水北調(diào)東線源頭(江都水利樞紐)的配套工程，當抽水站抽引江水向北供水時，江都東閘可以關閘擋水阻止江水下泄。與此同時，當里下河地區(qū)需要灌溉時，可以開閘自流引水；當江都抽水站開機排澇時，可以開閘排泄里下河澇水。2005年初，江都東閘對閘身、閘墩及排架進行加固改造，同年11月拆除公路橋和工作橋進行重建。經(jīng)過近3 a的施工建設，加固改造工程基本完成。

2 加固改造前歷年水位流量關系

1989～1990年期間，江都東閘開啟淹沒孔流時，采用流速儀船測法進行流量測驗，共實測流量測點27個。根據(jù)《水工建筑物測驗規(guī)范》規(guī)定，選用節(jié)制閘推流比較常見的堰閘流量系數(shù)法，堰閘淹沒孔流流量推算公式如下。

Q=M2Be△Z

(1)

式中，Q為實測流量，m3/s；M2為流量系數(shù)，B為閘門開寬，m;e為閘門開啟高度，m;△Z為閘上下游水位差，m。根據(jù)式(1)，建立△Z.e及M2相關關系，率定水位流量關系曲線。27個關系測點兼顧了高、中、低水位，呈帶狀均勻分布于趨勢線的兩側，點線關系基本吻合。隨著相關因素△Z.e升高，其淹沒孔流流量系數(shù)值M2穩(wěn)定在 3.82 左右。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，對水位流量關系曲線做3種檢驗(符號檢驗，適線檢驗，偏離值檢驗)，其統(tǒng)計量均符合規(guī)范臨界值。

1991～1994年期間，逐年對江都東閘淹沒孔流進行校測72次，所有測點都均勻分布于關系線的兩側，并能控制相關因素全部變幅的89.1%(實測變幅1.88 m，1991～1994年實際變幅2.11 m)，水位流量關系相對穩(wěn)定。1995年，江都東閘根據(jù)江蘇省水文水資源勘測局下達的[水文(95)字第50號]文，對淹沒孔流實行間測，隔4 a檢測一次，遇到特殊水情或者超出相關因素的變幅范圍，及時檢測，以保證資料的準確性和完整性。

1997年，江都市政府在新通揚運河河口尖沙嘴處(江都東閘下游約450 m)新建龍川大橋，大橋橫跨新通揚運河、送水河及引江河。根據(jù)流量間測要求，對節(jié)制閘淹沒孔流進行校測，1997年校測11次，2004年校測16次。將1991～2004年的所有測點點繪在關系圖上(見圖1)。

圖1 流量系數(shù)與開啟高度水位差乘積關系曲線

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，選取顯著性水平α為 0.05，采用逐年實測點分別對1989～1990年率定的水位流量關系線做學生氏t檢驗，其計算結果見表1。

表1 學生氏t檢驗

從圖1和表1中可明顯看出，實測點呈帶狀分布在關系曲線兩側，絕大多數(shù)測點與關系線吻合度較好，且相對于關系線正偏與負偏測點大致相等，最大誤差5.3%，偏離關系線的誤差符合允許范圍(中上部為±8%，下部為±10%)；各年的學生氏t檢驗值均在允許范圍內(nèi)，水位流量關系相對穩(wěn)定。由此表明，江都東閘在工程加固前，歷年來水位流量關系曲線無明顯變化，龍川大橋施工建設對曲線也沒有明顯影響。

3 工程加固前后水位流量關系變化分析

2006年 6月，江都東閘水下部分改造基本完成后，采用轉子式流速儀對淹沒孔流進行校測，測得16個流量測點，同樣采用堰閘流量系數(shù)法，把所測點點繪在1989～1990年關系線上(見圖2)。

圖2 流量系數(shù)與開啟高度水位差乘積關系曲線(1989～1990年)

如圖2所示，2006年流量測點點據(jù)非常散亂，未形成明顯點帶，有很大的任意性，無法確定關系線下部趨勢走向，且相比1989～1990年關系線系統(tǒng)偏小。這說明，堰閘流量系數(shù)法已不能滿足當前的推流需求。隨后，嘗試改用堰閘過水平均流速法，利用公式

V=Q/Be

(2)

式中，V為平均流速，m/s。采用△Z及V兩個相關因素，對2006年的測點重新定線(見圖3)。

圖3 平均流速與水位差關系曲線

圖3中，新定關系線為一條光滑的冪函數(shù)曲線，點線關系較為集中，16個測點基本兼顧了高、中、低水位差，偏離趨勢線正偏與負偏測點大致相等，上線吻合度完好。

水位流量關系相對穩(wěn)定的閘壩，在經(jīng)過加固改造以后，在相同的條件下過水流量開始改變。為了分析其原因，將1989～1990年的測點同樣用堰閘過水平均流速法定線，與2006年所定曲線放在同一圖表中進行對比分析(見圖4)。

圖4 平均流速與水位差關系曲線

從圖4可以看出，2006年流量測點與1989～1990年關系線存在明顯的系統(tǒng)誤差，隨著△Z的增大，2006年曲線與1989～1990年的曲線偏離也越來越大(△Z在0.5，1.0 m和1.5 m時，相差分別為12.1%、13.3%、14.3%)。

針對這一問題，對節(jié)制閘的水下改造情況進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，改造前平底閘底部為水泥板，過閘水流較為通暢。改造后的閘門下部增加了高0.8 m的過水坎，當?shù)讓铀鹘?jīng)過節(jié)制閘時，撞擊到過水坎，產(chǎn)生曲形回流，致使閘底水流發(fā)生了變化，水流形態(tài)由漸變流轉變成急變流，紊流度變大，雷諾系數(shù)Re也相應增大，過閘流量與閘底回流流速成正比。

水力學原理也說明，粘滯性是液體的特性，Re就是表征液流粘滯力與慣性力程度的指標，當Re變大，粘滯力也會因上層水流受到反向粘滯作用變大，致使摩擦阻力和水頭損失也增大，所以過閘流量就會相應減少。另外據(jù)實地觀察，由于節(jié)制閘上扉門底抬高，致使閘門在開啟高度不高時漏水流量減少，實測流量也偏小。

4 工程加固后水位流量關系穩(wěn)定性分析

為檢驗江都東閘工程加固后新定水位流量關系曲線的穩(wěn)定程度，于2007～2015年汛期，采用先進的測流儀器超聲波多普勒流量流速剖面儀(ADCP)，對淹沒孔流進行校測。在施測期間，考慮到閘門變動時會產(chǎn)生折沖水流，下游水流易產(chǎn)生脈動現(xiàn)象，故將所有閘門固定在同一開啟高度，上、下游水位差變化幅度由配套水工建筑物江都西閘(上游約1 500 m)升降閘門開啟高度加以控制，使紊亂江水經(jīng)過江都西閘到達江都東閘上游時流態(tài)趨于穩(wěn)定，這樣才能更好地控制測驗精度，保證測驗成果滿足當年推流變幅。

2007～2015年期間，采用堰閘過水平均流速法，逐年對推流曲線開展校測工作，然而每年的校核點經(jīng)過計算并點繪在曲線圖上之后分布不佳。2007年實測流量測點15個，點繪在2006年水位流量關系曲線圖上,測點上線吻合度較差，正偏為13個，負偏為2個，數(shù)目相差甚多，顯著性水平α=0.05時，t=2.25，大于t1-α/2=2.13，學生氏t檢驗不能通過，表明原曲線已不再適合本年流量的推求，須合并2006年與2007年的31個測點，率定出新的水位流量關系曲線。2008年實測21個流量測點，所有實測點均為正偏，相比2007年關系線系統(tǒng)明顯偏大。而在2009～2015年逐年流量校測中，每年水位流量關系曲線均有所變動。

由上可見，江都東閘節(jié)制閘自2006年以來工程加固后，水位流量關系曲線的趨勢走向、偏離大小、傾斜程度等均發(fā)生了系列性變化，且無任何規(guī)律可尋。非穩(wěn)定水位流量關系導致江都東閘淹沒孔流流量測驗無法滿足向上級部門申報流量間測的基本條件，須每年校測。

為了研究工程加固后率定的水位流量關系曲線不穩(wěn)定的原因，基于式(2)，從節(jié)制閘改造項目、測驗控制精度和水力因素變化情況等多方面展開逐一分析。Q為測回流量的算術平均值(剔除測回差值大于5%的數(shù)據(jù))，符合《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》的規(guī)定。B為節(jié)制閘閘孔總寬度，即固定為78 m(13×6)。e為閘門開啟高度，是由固定式卷揚啟閉機通過兩根鋼繩懸掛閘門控制升降，升降高度根據(jù)閘位計測量所得。

江都東閘工程加固之前，節(jié)制閘閘門的鋼繩維護保養(yǎng)少，e的精度相對較高。當時水文站采用轉子式流速儀測驗，施測1份數(shù)據(jù)歷時近1 h，階段性測驗工作需要幾天乃至幾周才能完成，測驗期間節(jié)制閘受工程調(diào)度控制，閘門調(diào)整次數(shù)較多，開啟高度e即使有微小的誤差也會在頻繁的升降變動中相互抵觸消除，所推求的水位流量關系曲線相對穩(wěn)定。

在江都東閘工程加固之后，工作人員會在每年的汛期前后，定期對懸掛在閘門上的粗鋼繩進行保養(yǎng)，但保養(yǎng)后卻并未對閘門的開啟高度重新進行校對，導致e出現(xiàn)誤差。此外，江都東閘水文站在加固以后引進了ADCP測驗儀器。ADCP是利用聲學多普勒頻移效應進行流速或流量測驗的儀器，比傳統(tǒng)的轉子式流速儀器測驗歷時短、不擾動流場、測速幅度大。在使用ADCP對江都東閘的流量測驗中，無需變動閘門開啟高度，通過江都西閘的工程調(diào)控，1 d內(nèi)就能完成全年的校測任務。但是所采用的e值是存在誤差的固定值。

綜上分析認為，江都東閘工程加固后率定的水位流量關系曲線之所以不穩(wěn)定，是由閘門開啟高度e的誤差造成的。對此提出以下幾點建議。

(1) 流量測驗中必須精確閘門開啟高度。若條件允許，可在節(jié)制閘上、下扉門安裝防水紅外線測距設備，保證每次粗鋼繩保養(yǎng)后閘門開啟高度的準確性，從而率定出準確的水位流量關系曲線。

(2) 加強閘門在不同開啟高度下的流量測驗工作。如果在測驗期間閘門發(fā)生變動，可適當延長下一測回的始測時間，控制測驗精度，等水流平穩(wěn)后再進行測驗。

(3) 適當延長施測周期。根據(jù)潮汐漲落規(guī)律，充分把握測驗時機，實測成果需兼顧到高、中、低各級水位變幅以及抽水站抽引、排澇、發(fā)電、停機等各種工況，必要時及時加測，總結分析出流規(guī)律。

(4) 加強ADCP和傳統(tǒng)轉子式流速儀的流量比測工作，以驗證ADCP在中型閘壩流量測驗中的適用性。

5 結 語

江都東閘為解決我國北方水資源嚴重短缺問題，為里下河和濱海墾區(qū)提供灌溉用水、解決水資源短缺、改善下洼地區(qū)農(nóng)田用水條件以及澇年排泄洪水入江都發(fā)揮了巨大作用。因此，江都東閘準確可靠的引排流量數(shù)據(jù)是防洪減災、工程管理運用、區(qū)域水量平衡計算及水文情報的重要依據(jù)。這就要求水文工作人員加強對江都東閘的流量測驗，取得更多準確數(shù)據(jù)，逐步完善水位流量關系曲線的精度，為防洪、抗旱、治澇、灌溉、供水等提供更加精確的水情信息。

(編輯：唐湘茜)

1006-0081(2017)01-0034-03

2016-10-30

王駿秋，男，江蘇省江都水利工程管理處，工程師.

TV132.13

A