泗陽閘水力學模型出流能力的分析驗證

馬余良，趙天昌，許 攀，馬 悅，張前進

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

原泗陽閘建成于1960年，共17孔，閘孔凈寬4.0 m，設計流量1 000 m3/s，屬沂沭泗水系，通過中運河串聯(lián)駱馬湖、洪澤湖，實現(xiàn)淮沂互調(diào)互濟，為中運河上重要的水工控制建筑物。主要功能有排洪和節(jié)制水位，排洪主要是排泄駱馬湖下泄的洪水及黃墩湖地區(qū)、中運河沿岸的澇水；節(jié)制水位主要是保證中運河沿線灌溉、航運及城鎮(zhèn)用水的需要。該閘經(jīng)過多年的運行，雖然歷經(jīng)多次的除險加固，但工程仍然存在嚴重的安全隱患，經(jīng)安全鑒定為四類閘，于2012年拆除，并在原泗陽閘下游約50 m處進行新建。

新建的泗陽閘共7孔，閘孔凈寬10.0 m，弧形鋼閘門［1］，采用圓角梯形堰，堰頂高程為11.50 m，上游堰高3.0 m。按50年一遇標準設計，100年一遇標準校核，設計流量仍為1 000 m3/s，閘一側設2孔3 m凈寬的小水電孔，共2臺機組，每臺裝機容量160 kW，發(fā)電總裝機容量為320 kW，設計流量10.0 m3/s。

2 水力學模型出流能力試驗

新建的泗陽閘采用圓角梯形堰，建設單位委托河海大學建立該閘水力學試驗模型，研究新型圓角梯形堰在堰流、孔流方式下的泄流能力，為工程運行管理及優(yōu)化控制運行提供科學依據(jù)。

試驗模型的斷面采用2孔閘孔寬度進行模擬，上游模擬至閘上游約130 m處，下游模擬至閘下約150 m處，模型全長約20 m［2］。

2.1 閘門全部開啟運行時的出流能力

當閘門全部開啟運行時，閘孔出流水流為淹沒式堰流，試驗中通過對模型的上、下游水位進行調(diào)節(jié)，分別測得不同水位組合情況下的閘孔出流流量，淹沒式堰流計算式為

式中：m為流量系數(shù)；H為上游水頭，m；B為閘孔凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s。

根據(jù)試驗所測得的流量及上、下游水位等數(shù)據(jù)，利用式（1）可以計算出公式中的流量系數(shù)m，由試驗結果可知，流量系數(shù)m與相對淹沒度hs/H的相關關系從整體上來看關系較好。

2.2 閘門部分開啟運行時的出流能力

當閘門部分開啟運行時，由于下游水位的變化會影響閘孔出流能力，閘孔出流又可分為自由式孔流和淹沒式孔流2種流態(tài)。

自由式孔流流量計算式為

式中：μ為流量系數(shù)；e為閘門開啟高度，m。

根據(jù)試驗所測得的閘孔流量、水位等數(shù)據(jù)，利用式（2）可以計算出流量系數(shù)μ，試驗數(shù)據(jù)結果表明，流量系數(shù)μ與e/H的相關關系良好。

為了工程控制運用的方便，將流量系數(shù)μ與e/H關系曲線擬合為以下公式：

淹沒式孔流流量計算式為

式中：Cs為流量系數(shù)。

同樣，根據(jù)試驗所測得相關數(shù)據(jù)，可以計算出流量系數(shù)Cs，流量系數(shù)Cs與hs/e具有良好的相關關系。

利用回歸分析將流量系數(shù)Cs與hs/e關系曲線進行分析便于工程控制時使用，通過擬合最終可以得到：

3 現(xiàn)狀工程出流能力分析

泗陽閘水文站于2020年1月由水位站升級為水文站，在2020—2021年泗陽閘行洪期間，對該閘過閘流量進行了實測率定。測流斷面位于閘下游440 m處，為基本水尺斷面處，流量測驗方式采用纜道ADCP法［3］，閘上、下游水位觀測均采用遙測水位，閘孔出流流態(tài)為人工現(xiàn)場目測，共施測自由式孔流7次，淹沒式孔流9次，小水電未運行，實測的流量為閘孔過流流量，采用逐步圖解法分別對自由式孔流、淹沒式孔流出流能力進行率定［4］。

3.1 自由式孔流流量

自由式孔流流量計算式［5］為

式中：Mb為流量系數(shù)；α、β為指數(shù)，通常β取值0.5。

自由式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 自由式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)

由表1可知，自由式孔流實測出流能力率定線系統(tǒng)誤差為-0.39%，標準差為2.15%，置信水平95%的隨機不確定度為4.30%，

3.2 淹沒式孔流流量

淹沒式孔流流量計算式為

式中：M c為流量系數(shù)；α、β為指數(shù)，通常β取值0.5；ΔZ為閘上下游水位差，m。

淹沒式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，淹沒式孔流實測出流能力率定線系統(tǒng)誤差為0.08%，標準差為2.94%，置信水平95%的隨機不確定度為5.88%。

表2 淹沒式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)狀工程與水力學模型出流能力對比

2020—2021年實測流量期間，該閘未出現(xiàn)淹沒式堰流，故本文未對此流態(tài)下的水力學模型出流能力與實測率定出流能力做對比分析，僅對自由式孔流和淹沒式孔流2種流態(tài)的出流能力對比分析，成果分別見表3、表4。

由表3、表4的實測流量與水力學模型泄流能力對比分析可以看出，泗陽閘在自由式孔流出流的情況下，試驗研究水力學模型計算流量與該閘運行中的實測流量誤差在-3.85%～1.46%之間，平均誤差為1.17%；在淹沒式孔流出流的情況下，試驗研究模型計算流量與該閘運行中的實測流量誤差在-4.02%～3.87%之間，平均誤差為0.35%。

表3 自由式孔流出流能力對比

表4 淹沒式孔流出流能力對比

5 結論

通過泗陽閘模型計算的出流能力與實測率定出流能力比較分析，泗陽閘水力學模型試驗研究數(shù)據(jù)可靠，建成后的實際過流能力也達到預期目標，與水力學模型出流能力基本一致，符合水力學模型設計要求。