孝感市堰閘水文站流態(tài)判別方法探討

方星萍

【摘要】：為宣泄洪水或引水灌溉，常修建水閘或溢流壩等泄水建筑物。要較準(zhǔn)確推算出通過堰閘的水量，首先要根據(jù)堰閘型式、閘門開啟情況來判別通過堰閘的水流流態(tài)，然后選擇合適的水力學(xué)公式分析獲得不同出流情況下水力因素與流量系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以推算堰閘的過水流量，為當(dāng)?shù)胤姥纯购岛退Y源評(píng)價(jià)服務(wù)提供了可靠的依據(jù)。現(xiàn)以漢川泵站為例對(duì)孝感市堰閘水文站流態(tài)判別方法進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】：堰閘水文站；流態(tài)判別；探討

1、基本情況

1.1 孝感市基本水文站網(wǎng)及測(cè)站特性概況

孝感市境內(nèi)有國(guó)家基本水文站11處，其中有7處是受水利工程控制的堰閘、水庫水文站，有4處是受河槽控制的河道水文站。7處堰閘、水庫水文站控制河段情況分別為：4處堰閘水文站為汈汊湖區(qū)進(jìn)出口控制站；2處堰閘水文站為漢北河出口控制站；1處水庫水文站為涢水中游干流控制站。4處河道水文站控制河段情況為；1處為涢水干流控制站；2處為澴水干流控制站；1處為大富水干流控制站。

1.2 孝感市堰閘水文站堰閘型式

7處堰閘閘門和堰的型式均相同，閘門型式為平底直升式，堰的形狀為無坎寬頂堰，堰頂為矩形。

1.3 漢川泵站基本情況

漢川泵站為汈汊湖區(qū)出口控制站之一，主要控制交往水量，屬二類精度堰閘站。測(cè)驗(yàn)河段為人工開挖河道，U型河槽，順直整齊，河床由粘壤土組成，斷面穩(wěn)定，基本無沖淤，河底在夏秋季節(jié)生長(zhǎng)水草。共有6個(gè)斷面整編定名為漢川泵站（一泵）、漢川泵站（二泵）、漢川泵站（船閘進(jìn)水、船閘出水）、漢川泵站（排水閘有欄、排水閘無欄）、漢川泵站（高閘）、漢川泵站（低閘）統(tǒng)稱為漢川泵站。各斷面的情況分別如下：

一泵建在基本水尺斷面下游320m處，位于斷面左側(cè)，裝有泵機(jī)6臺(tái)，每臺(tái)功率2300kw，中心高程16.05m；二泵建在一泵斷面右岸引水渠上，裝有泵機(jī)4臺(tái)，每臺(tái)功率2800kw，中心高程16.80m；船閘建在基本水尺斷面下游320m處，位于斷面中間，共1孔，孔寬8.0m，孔高13.80m，閘底高程為16.84m；排水閘建在基本水尺斷面下游320m處，共6孔，左3孔建在一泵與船閘左側(cè)之間，右3孔建在船閘右側(cè)，6孔的孔寬、孔高、閘底高程均相同，每孔寬6.5m，孔高8.00m，閘底高程18.37m；高閘建在二泵左側(cè)，共4孔，每孔寬5.0m，孔高5.00m，閘底高程20.00m；低閘建在二泵右側(cè)，共3孔，每孔寬5.0m，孔高6.00m，閘底高程16.30m。

2、流態(tài)判別

本站堰閘為平底閘，屬寬頂堰。全年采用人工判別流態(tài)，流態(tài)判別方法是：當(dāng)閘門提出水面為堰流，反之為孔流，當(dāng)△Z/hu≤0.22為淹沒堰流，反之為自由堰流。當(dāng)閘門未提出水面，閘門開高加閘底高程（船閘16.84m，排水閘18.37m）大于下游水位為自由孔流，反之為淹沒孔流。

其中：堰流與孔流的分界判別方法符合《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》3.2.6中第3條規(guī)定；當(dāng)堰閘閘門或胸墻接觸水面，并對(duì)過水閘水流起到約束作用時(shí)為孔流；閘門或胸墻不接觸水面時(shí)為堰流。

自由孔流判別方法符合《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》3.2.6中第5條：寬頂堰閘（包括平底閘）閘下水位低于閘門底邊，即閘下水頭小于閘門開啟高度（hl

淹沒孔流判別方法符合《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》3.2.6中第6條：寬頂堰閘（包括平底閘）閘下出現(xiàn)淹沒水躍，水躍前端接觸閘門，閘下水頭高于閘門底邊，即閘下水頭大于閘門開啟高度（hl>e）。

自由堰流與淹沒堰流判別方法與《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》不一致，其判別方法由實(shí)測(cè)資料分析而得，具體分析方法如下：

由水力學(xué)得知：當(dāng)寬頂堰為堰流時(shí)，下游水位低于臨界水深線，即：下游水深hl小于臨界水深hk（hlhk）時(shí)，堰頂將產(chǎn)生水躍，收縮斷面水深增大為hl，整個(gè)堰頂水流變?yōu)榫徚鳡顟B(tài)，下游水位影響過流能力，寬頂堰成為淹沒出流。

臨界水深計(jì)算公式為：臨界水深hk=[Q2/（gB2）]^（1/3） g=9.8，hk：臨界水深，Q：實(shí)測(cè)流量，B：閘門總寬。

根據(jù)前蘇聯(lián)教授別列辛斯基的試驗(yàn)：當(dāng)hl≥1.3hk時(shí)發(fā)生淹沒。由于臨界水深hk計(jì)算比較麻煩，在實(shí)際工作中不便應(yīng)用?？梢越ⅰ鱖/hu-бC1關(guān)系，當(dāng)hl≥1.3hk時(shí)，為淹沒堰流；hl<1.3hk時(shí)為自由堰流。自由堰流點(diǎn)子必然散亂，自由堰流與淹沒堰流之間也必然出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的△Z/hu值為堰流淹沒臨界點(diǎn)，△Z/hu小于此臨界點(diǎn)時(shí)堰流發(fā)生淹沒。

通過建站以來實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，確定自由堰流與淹沒堰流臨界點(diǎn)的△Z/hu值。選取船閘1976-1985年84次實(shí)測(cè)堰流資料進(jìn)行計(jì)算（點(diǎn)繪△Z/hu-流量系數(shù)關(guān)系圖即圖2-1）。從圖上可以看出：△Z/hu=0.22時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，說明△Z/hu=0.22為所求的臨界值。

圖2-1 △Z/hu-流量系數(shù)關(guān)系圖

結(jié)論

本站是受工程控制的堰閘站。采用人工判別流態(tài)，判別方法為：當(dāng)閘門提出水面為堰流，反之為孔流，當(dāng)△Z/hu≤0.22為淹沒堰流，反之為自由堰流。自由孔流與淹沒孔流判別方法：當(dāng)閘門未提出水面，閘門開高加閘底高程（船閘16.84m，排水閘18.37m）大于下游水位為自由孔流，反之為淹沒孔流。

通過本次分析為孝感市其他堰閘站流態(tài)判別方法提供了參考與借鑒。也為孝感局水文監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)改革、巡測(cè)制度的建立提供技術(shù)支撐。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）.

[2]《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》（SL537-2011）.