崗南水庫正常溢洪道泄量曲線修訂及問題分析

【摘要】崗南水庫正常溢洪道：初建于1960年，為河岸開敞式溢流堰，共4孔閘門，每孔凈寬12米，安設(shè)12×12.3米弧形鋼閘門，先后經(jīng)過初建、續(xù)建、改造等幾個(gè)階段，特別是在2003—2008年崗南水庫實(shí)施了除險(xiǎn)加固工程建設(shè)。工程建設(shè)竣工后水庫工程設(shè)施發(fā)生了很大的變化，加固以后，原來的泄量曲線已經(jīng)不能滿足目前的運(yùn)用，此論文利用水力學(xué)公式對(duì)正常溢洪道進(jìn)行重新計(jì)算，并對(duì)在計(jì)算中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，從而求出一個(gè)更具準(zhǔn)確性和完整性的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】泄量曲線計(jì)算修正；堰流；閘孔出流；結(jié)果分析

1、崗南水庫正常溢洪道概況

崗南水庫正常溢洪道修建于1960年，位于水庫左岸0號(hào)副壩處，為河岸開敞式溢流堰，共4孔閘門，每孔凈寬12米，安設(shè)12×12.3米弧形鋼閘門，堰型為駝峰堰，堰頂高程191.0米，最大泄量6640m3/s。由于正常溢洪道閘室基礎(chǔ)后部有軟弱夾泥層，1989年8月對(duì)正常溢洪道進(jìn)行了加固，拆除舊挑坎并延長陡坡段140米。2001年崗南水庫實(shí)施了正常溢洪道改建工程，改建了啟閉機(jī)室，更新了啟閉機(jī)，同時(shí)對(duì)工程區(qū)內(nèi)的變配電設(shè)施進(jìn)行了全面的更新改造。2003—2008年崗南水庫除險(xiǎn)加固工程，對(duì)4孔弧形閘門和埋件進(jìn)行了更新改造。

2、泄量曲線計(jì)算修正原因

崗南水庫在修建的過程中，由于受當(dāng)時(shí)社會(huì)環(huán)境的影響，工程基本上是邊設(shè)計(jì)邊施工。正常溢洪道在經(jīng)過初建、續(xù)建、改造等幾個(gè)階段，特別是2003—2008年崗南水庫實(shí)施了除險(xiǎn)加固工程竣工后水庫設(shè)施發(fā)生了很大的變化，水庫大壩高程由原來的209m加高到210.5 m，庫容由原來的15.71億m3，增大到17.01億m3，水庫的特征值相應(yīng)也發(fā)生了一些變化；而現(xiàn)在所用的泄量曲線依舊是初建時(shí)計(jì)算，最高水位為209m對(duì)應(yīng)的泄量。加固以后校核洪水位為209.59m，水位泄量曲線表中查詢不到水位210m時(shí)的泄量；且水庫庫水位是以 “米” 為單位，水位中相對(duì)應(yīng)的每米之間的泄量是通過直線形式內(nèi)插計(jì)算而得，這樣得到的泄流量數(shù)據(jù)相對(duì)來說并不精確。所以，在使用時(shí)已不能完全滿足查詢及有關(guān)計(jì)算的需要。另外由于原來的計(jì)算機(jī)技術(shù)的落后，給計(jì)算帶來很大的困難，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)用使計(jì)算更為簡單，為了更精確也更全面的的掌握正常溢洪道的泄流情況，對(duì)現(xiàn)有泄量曲線進(jìn)行了重新計(jì)算修訂并繪制。

3、單孔閘門不同開度泄量計(jì)算分析

3.1堰型確定

崗南水庫正常溢洪道堰型為駝峰堰，1989年加固工程對(duì)

正常溢洪道溢流～挑坎曲線做了局部修改，修改后的曲線更加圓滑平順，如下圖。

如圖所示，經(jīng)計(jì)算比較可知：泄水閘孔堰頂厚度在0.67H<δ<2.5H范圍內(nèi)（H為堰頂水頭），因此可以確定正常溢洪道泄水閘的底檻為駝峰堰，泄量計(jì)算中所用公式為克—奧Ⅰ型堰的計(jì)算公式。

3.2出流分析

由閘門啟閉泄流過程可知：閘門提起初始時(shí)，出流為閘孔出流，當(dāng)閘門開度e逐漸增大到一定程度時(shí)，閘門底邊緣與堰頂水面脫離，水流逐漸地變?yōu)檠吡鳎幌喾?，在堰流情況下，當(dāng)閘門關(guān)閉到一定開度時(shí)，閘門底邊緣接觸水面，約束了過堰水流，此時(shí)水流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚l孔出流，查《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》可知：閘底坎為曲線型堰時(shí)，當(dāng)e/H≤0.75時(shí)水流為閘孔出流，當(dāng)e/H>0.75時(shí)水流為堰流（e為開度，H為堰上水頭）。由于正常溢洪道堰上水頭為192m～210 m，相對(duì)于堰底高程191 m的最大水頭為19 m，而閘門開度可由0 m逐漸提高到19 m，因此，正常溢洪道在泄流過程中既存在閘孔出流，又存在堰流。

3.3公式選用

由3.2分析可知，正常溢洪道泄流過程中既存在閘孔出流，又存在堰流，因此在泄流計(jì)算中應(yīng)該分別選用各自公式。

3.3.1堰流計(jì)算按駝峰堰計(jì)算公式

參考《水力學(xué)》一書中流量公式確定

①查《水力學(xué)》河海大學(xué)成教院P36可知，在考慮下游淹沒影響及側(cè)收縮的影響，堰流基本公式為：

（1-1）

ξ—側(cè)收縮系數(shù)

σ—淹沒系數(shù)

m—自由溢流的流量系數(shù)

b—每孔凈寬

H0—包括行近流速的堰前水頭

② 側(cè)收縮系數(shù)σ1的確定，查《水力學(xué)》河海大學(xué)成教院P42按常用公式計(jì)算：

σ1=1-0.2 [（n-1）ζ0+ζk] H0/（n*b） （1-2）

n—溢流孔數(shù)

b-每孔的凈寬

H0―包括行近流速的堰前水頭

閘墩系數(shù)ζ0 的確定，根據(jù)《水力學(xué)》河海大學(xué)成教院P42表8.2可知，閘墩頭部的平面形狀為半圓形，e/H>0.75條件下單孔不考慮，雙孔按0.45計(jì)算。

邊墩形狀系數(shù)ζk的確定，根據(jù)《水力學(xué)》河海大學(xué)成教院P43表8.3可知，邊墩平面形狀為圓弧形時(shí)，系數(shù)按0.7計(jì)算。

③淹沒系數(shù)σ2的確定

經(jīng)分析可知：正常溢洪道提閘泄流時(shí)，水躍發(fā)生位置較遠(yuǎn)，下游水位對(duì)過堰流量不構(gòu)成影響，因此，計(jì)算時(shí)淹沒系數(shù)可以按“1”處理。

由于行近水頭比較小，可忽略不計(jì)，因此本次計(jì)算中用H代替H0，取相應(yīng)的水頭進(jìn)行計(jì)算。

④流量系數(shù)m的確定

正常溢洪道初建以后，在1989年續(xù)建過程中對(duì)溢流堰面～挑坎曲線進(jìn)行了局部修改，使之更加圓滑平順，2001年改建加固中，堰面及底坎堰型未發(fā)生變化，故本次計(jì)算中，有關(guān)堰流部分計(jì)算的流量系數(shù)m仍然選用初建計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)，采用0.42。

3.3.2閘孔出流計(jì)算公式

實(shí)用堰的閘孔出流的孔口處水流不僅在表面有垂直收縮，而且底部也有垂向收縮，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)e/H≤0.75時(shí)水正常流溢洪道出流為閘孔出流，流量公式采用：

①閘孔出流流量計(jì)算基本公式《水力計(jì)算手冊(cè)》P53

②淹沒系數(shù)σ1的確定

和堰流計(jì)算相同：正常溢洪道提閘泄流時(shí)，水躍發(fā)生位置較遠(yuǎn)，下游水位對(duì)過堰流量不構(gòu)成影響，計(jì)算時(shí)淹沒系數(shù)仍然按“1”處理。另外，在實(shí)際泄流過程中，由于行近水頭比較小，可忽略不計(jì)，因此本次計(jì)算中用H代替H0。

②流量系數(shù)μ0的確定 查《水力計(jì)算手冊(cè)》

4、計(jì)算過程及結(jié)果比較分析

4.1計(jì)算過程

本次正常溢洪道泄流曲線修訂包括單孔閘門不同開度泄量計(jì)算，雙孔閘門不同開度泄量計(jì)算及4孔閘門不同開度泄量，在計(jì)算過程中使用的公式是一樣的，所以雙孔及4孔開度的泄量公式和計(jì)算不再具體介紹。

本次所有計(jì)算數(shù)據(jù)均通過excel計(jì)算得出，在0.10.75條件下采用堰流公式（1-1）來計(jì)算。在本次計(jì)算過程中將水庫水位-泄量的中水位單位精度由“米”提高到“厘米”。而且在計(jì)算下泄流量時(shí)過程中，每一個(gè)水位對(duì)應(yīng)的泄量都通過公式計(jì)算所得。

同時(shí)在使用閘孔出流公式時(shí)，原來的流量系數(shù)m0在水位為每一米時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)流量系數(shù)，而在此次修訂過程中對(duì)每一米之間的流量系數(shù)進(jìn)行了內(nèi)插，從而使計(jì)算結(jié)果更加精確和合理。

4.2計(jì)算過程中問題的分析與處理

本次計(jì)算正常溢洪道泄流曲線過程中，如果按照嚴(yán)格的理論公式來計(jì)算的話，即在e/H=0.75的臨界狀態(tài)下，e/H略小于等于0.75時(shí)對(duì)應(yīng)的公式應(yīng)該使用孔流公式計(jì)算，而到達(dá)e/H略大于0.75時(shí)則采用堰流公式計(jì)算結(jié)果，按照理論值應(yīng)該前一個(gè)流量結(jié)果小于下一個(gè)流量結(jié)果，而此時(shí)按照計(jì)算所得結(jié)果卻出現(xiàn)了相反的情況，也就是統(tǒng)一開度情況下水位低比水位高的相對(duì)應(yīng)的泄量還要小，這種情況實(shí)際上是不合理的，所以在計(jì)算過程中我們對(duì)e/H=0.75附近的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行了調(diào)整，使泄流曲線的計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，泄量曲線的繪制相應(yīng)選用修正計(jì)算中的數(shù)據(jù)結(jié)果來繪制。

4.3計(jì)算結(jié)果分析

正常溢洪道水位泄量經(jīng)過重新計(jì)算和修正，達(dá)到了兩個(gè)結(jié)果：①泄量曲線由原來的最高水位209m對(duì)應(yīng)的泄量提高到210m對(duì)應(yīng)的泄量，使原來的泄量曲線更加完整。②在本次計(jì)算過程中將水庫水位-泄量的中水位單位精度由“米”精確到“厘米”， 提高了精度。而且在計(jì)算下泄流量時(shí)過程中，舍棄了原來的直線內(nèi)插，保證每一個(gè)結(jié)果都通過公式來計(jì)算所得，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度。

對(duì)本次正常溢洪道泄量曲線修訂過程中也出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析：①從結(jié)果來看，雙孔泄量與原有的泄量曲線是一致的。②單孔和四孔泄量曲線從計(jì)算結(jié)果上看與原來的所用的泄量曲線有些出入，當(dāng)水庫在低水位泄流時(shí)用閘孔出流及堰流公式所計(jì)算的泄量與原有的水位泄量表中的結(jié)果基本吻合；當(dāng)水位超過204m，開度超過6m以后，堰流公式所計(jì)算的泄量與原有的泄量結(jié)果開始出現(xiàn)不一致的情況，而且是隨著開度的增大，以及水位的增高，差值越來越大，由一開始相差20m3/s流量到最大差值達(dá)到500m3/s的流量，最大達(dá)到相差8%。經(jīng)過分析認(rèn)為出現(xiàn)較大差值的原因可能與所選的流量系數(shù)m有關(guān)系。通過查閱大量的檔案資料，只有在1988年修訂的曲線上查到正常溢洪道所選的m取值為固定值0.42，但是用0.42代入當(dāng)時(shí)所采用堰流公式中，并不能計(jì)算得到與之相符的泄量結(jié)果。經(jīng)查閱相關(guān)水力學(xué)書籍發(fā)現(xiàn)流量系數(shù)與水頭、堰高、總水頭、設(shè)計(jì)水頭等很多因素有關(guān)，實(shí)際泄流時(shí)，水頭超過設(shè)計(jì)水頭時(shí)，水舌與壩面輪廓脫離，脫離部分的空氣不斷被水頭帶走，形成真空，從而使有效水頭增加，這時(shí)的流量系數(shù)m就會(huì)大于設(shè)計(jì)流量系數(shù)，而且真空現(xiàn)象是不穩(wěn)定的，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替顯現(xiàn)的情況，從而導(dǎo)致流量系數(shù)的不穩(wěn)定。通常在這種情況下，一般要通過水力學(xué)實(shí)驗(yàn)來獲取流量系數(shù)m的取值。目前，對(duì)于已經(jīng)建成多年的水庫來說，要進(jìn)行這種水力學(xué)實(shí)驗(yàn)還是很困難的。

5、結(jié)語

崗南水庫大壩加高后，通過對(duì)正常溢洪道泄量曲線進(jìn)行修訂，提高了原有泄量曲線的完整性和精度。但是在計(jì)算過程中我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題，就是堰流公式所計(jì)算的泄量與原有的泄量數(shù)值出現(xiàn)不一致的情況。分析認(rèn)為：水力學(xué)公式中流量系數(shù)、淹沒系數(shù)及側(cè)收縮系數(shù)在不同的水利工程中很難直接確定， 而流量系數(shù)又與水頭、堰高、總水頭、設(shè)計(jì)水頭等很多因素有關(guān)，許多數(shù)據(jù)無法用理論計(jì)算來解決，有些是運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)值來獲得，有些只能在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行率定。在以后的水庫運(yùn)行過程中將根據(jù)實(shí)測結(jié)果逐步進(jìn)行修正，從而得到更加完整和準(zhǔn)確的泄量曲線。

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