蚌埠閘12孔節(jié)制閘非汛期水閘流量計(jì)算

摘要：針對(duì)蚌埠閘12孔節(jié)制閘流量參考值較少的現(xiàn)狀，通過水力學(xué)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：水力學(xué);水閘流量;計(jì)算

1 緒論

蚌埠閘樞紐工程位于淮河中游蚌埠市，閘上流域面積12.1萬km2。為了保證蚌埠閘上沿淮及淮北平原農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)工業(yè)和居民生活用水以及船泊通航要求，非汛期蚌埠閘的控制運(yùn)用以蓄水為主。目前12孔節(jié)制閘主要承擔(dān)非汛期水位調(diào)控任務(wù)，多年來僅有下游吳家渡8時(shí)流量值供參考，一旦水閘調(diào)度任務(wù)頻繁，更多時(shí)用經(jīng)驗(yàn)值粗算流量，本文通過水力學(xué)方法來計(jì)算12孔節(jié)制閘下泄流量。

2 工程概況

蚌埠閘樞紐工程主要由28孔節(jié)制閘、12孔節(jié)制閘、老船閘、復(fù)線船閘、水電站、分洪道等部分組成。蚌埠閘12孔節(jié)制閘為寬頂堰，底板高程9.132m，每孔凈寬10m，閘身全長(zhǎng)144m，閘門為弧形鋼閘門，門軸高8m，弧門半徑12m。閘上設(shè)計(jì)洪水位23.22m（廢黃河高程系，下同），閘下23.10m。

3 水流狀態(tài)判斷

因本文主要探討12孔節(jié)制閘非汛期水位調(diào)控，其閘上水位18.0～18.3m，由水力學(xué)公式eH（e—閘門開度，H—堰頂算起閘前水深）堰流和閘孔出流界限值0.65，反推可知閘門開度e界限值為5.76～5.96。由蚌埠閘多年水閘實(shí)際調(diào)度資料可知，非汛期12孔節(jié)制閘水位調(diào)度時(shí)最大開度emax

SymbolcB@ 2.5，故12孔節(jié)制閘水流狀態(tài)應(yīng)為閘孔出流。

4 自由出流與淹沒出流判斷

當(dāng)水流行進(jìn)閘孔時(shí)，在閘門的約束下流線發(fā)生急劇彎曲;出閘后流線繼續(xù)收縮，并約在閘門下游（0.5～1）e處出現(xiàn)水深最小的收縮斷面。收縮斷面的水深hc一般小于臨界水深hk，水流為急流狀態(tài)。而閘后的下游水深hi一般大于臨界水深hk，水流成緩流狀態(tài)。水流從急流到緩流時(shí)要發(fā)生水躍，水躍位置隨下游水深hi而變化。閘孔出流受水躍位置的影響，可分為自由出流和淹沒出流兩種。

設(shè)收縮斷面水深hc的躍后水深為共軛水深h″c。若hi

SymbolcB@ h″c則為自由出流;若hi>h″c則為淹沒出流。躍后水深可由h″c=hc21+8v2cghc-1求得，式中收縮斷面hc=e·ε，收縮斷面流速vc=με2gH，三式聯(lián)立簡(jiǎn)化為h″c=eε21+16μ2Heε3-1。

流量系數(shù)μ與弧形閘門垂直收縮系數(shù)ε由閘門下緣切線與水平夾角a通過經(jīng)驗(yàn)公式和查表求得。

閘門下緣切線與水平夾角a=arccos（C-er）=arccos（8-e12）（C—門軸高，r—弧門半徑）

流量系數(shù)μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

例：已知蚌埠閘閘上水位18.41m，閘下水位13.79m，開度12×0.5，下游某水文站8時(shí)通過測(cè)流推得流量460m3/s，通過計(jì)算對(duì)比Q算、Q測(cè)、Q估。

解：（1）判斷閘孔處流還是堰流。

eH=0.518.41-9.132=0.054<0.65為閘孔出流

（2）判斷自由出流還是淹沒出流。

閘門下緣切線與水平夾角a=arccos（C-er）=arccos（8-0.512）=51.318°，查表1通過內(nèi)插法求得弧形閘門垂直收縮系數(shù)ε=0.7142。

流量系數(shù)μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

=（0.97-0.81×51.318°180°）-（0.56-0.81×51.318°180°）×0.518.41-9.132=0.7213

共軛水深h″c=eε21+16μ2Heε3-1

=0.5×0.714221+16×0.72132×18.41-9.1320.5×0.71423-1

=3.503

因hi=13.79-9.132=4.658>h″c，故為淹沒出流，用式②計(jì)算流量。

（3）計(jì)算淹沒系數(shù)σs。

由潛流比hi-h″cH-h″c=13.97-9.132-3.50318.41-9.132-3.503=0.2，查表2得淹沒系數(shù)σs=0.78。

（4）計(jì)算流量。

Q算=σsμBe2gH=0.78×0.7213×12×10×0.5×2×9.8×18.41-9.132=455.2m3/s

（5）Q算、Q測(cè)、Q估對(duì)比。

Q估=neQ=12×0.5×80=480m3/s，Q算=455.2m3/s，Q測(cè)=460m3/s

明顯可見，Q估值偏大，Q算、Q測(cè)較為接近。

6 計(jì)算簡(jiǎn)便化

在早期計(jì)算流量過程，需頻繁查表計(jì)算垂直收縮系數(shù)ε和淹沒系數(shù)σs，多有不便。經(jīng)筆者在Excel中采用if命令對(duì)計(jì)算過程予以簡(jiǎn)化，使得計(jì)算工作大為減輕，只需人工輸入上下游水位、閘門開啟孔數(shù)n及開度e即可獲得流量值，如下圖。

7 結(jié)語(yǔ)

在水閘自動(dòng)化改造過程中，本計(jì)算方法已應(yīng)用于水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，通過自動(dòng)采集水位、閘門運(yùn)行參數(shù)，可實(shí)時(shí)顯示蚌埠閘12孔節(jié)制閘當(dāng)前下泄流量，為水閘調(diào)度運(yùn)用時(shí)提供實(shí)時(shí)流量參數(shù)，保證了水閘安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳持恭.水力學(xué).高等教育出版社，2001.

[2]蚌埠閘調(diào)度運(yùn)用辦法（暫行）.

[3]蚌埠閘控制運(yùn)行記錄（2010～2017）.

作者簡(jiǎn)介：路國(guó)強(qiáng)（1982），男，本科，工程師，主要從水閘工程管理工作。