綜合流量系數(shù)在攔河閘壩泄流能力分析中的應(yīng)用

苗艷麗,邱愛(ài)華

(德州市陵城區(qū)水利局,山東 德州 253500)

0 引 言

調(diào)洪工程是河道工程中的重要組成部分。通過(guò)制定合理的調(diào)洪工程方案,有利于降低洪澇對(duì)河道附近居民的威脅程度,促進(jìn)對(duì)附近居民生命財(cái)產(chǎn)的保護(hù)[1-3]。在制定調(diào)洪工程方案時(shí),考察河道及其周邊環(huán)境的情況是必不可少的環(huán)節(jié)。在調(diào)洪工程中,攔河閘壩是一項(xiàng)重要的水利設(shè)施。在枯水期,能夠?qū)ι嫌嗡贿M(jìn)行調(diào)節(jié),使城鎮(zhèn)、灌溉等的需水量得到滿足;在洪水期,通過(guò)打開(kāi)閘門,使上游水位處于警戒水位下,并使下泄流量處于下游河道安全泄量?jī)?nèi)[4]。此外,攔河閘還能對(duì)多沙河流進(jìn)行排淤泄沙,使多沙河流河床的水沙處于平衡狀態(tài)。因此,合理利用攔河閘壩,可以促進(jìn)調(diào)洪工程、水庫(kù)調(diào)度等工作的開(kāi)展。

為了更好地利用攔河閘壩,許多學(xué)者對(duì)攔河閘壩的工作情況進(jìn)行了相關(guān)研究。在某攔河蓄水鋼閘門中,針對(duì)主梁腹板應(yīng)力分布優(yōu)化問(wèn)題,采用閘門主梁優(yōu)化方法,對(duì)主梁腹板應(yīng)力分布進(jìn)行了改善,并借助有限元軟件進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果顯示,主梁優(yōu)化方法能夠提高閘門的性能[5]。為了測(cè)定水庫(kù)閘門泄流曲線流量系數(shù),在洪水調(diào)度資料的基礎(chǔ)上,運(yùn)用水量平衡方程進(jìn)行反推,最終得到泄流曲線率定結(jié)果。結(jié)果顯示,得到的率定結(jié)果準(zhǔn)確率較高,與實(shí)際情況相符[6]。

本文以陵城區(qū)攔河閘壩為研究對(duì)象,通過(guò)流量系數(shù)法,分析其泄流能力以及總泄流與單孔泄流的關(guān)系。

1 基于綜合流量系數(shù)的陵城區(qū)攔河閘壩泄流能力分析

1.1 陵城區(qū)調(diào)洪工程及攔河閘壩泄流能力分析法

在河道工程中,防洪是重要的環(huán)節(jié)。掌握河道及其周邊環(huán)境情況,有利于防洪工作的開(kāi)展。以陵城區(qū)為例,其隸屬于山東省德州市轄區(qū),南連平原縣,北靠寧津縣,東接臨邑縣、樂(lè)陵市,西與德州經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)相鄰。地勢(shì)由西南向東北傾斜,呈西高東低之勢(shì)。全區(qū)地貌類型劃分為三大類。即馬西漫灘高地、北緩平坡地;陵中槽狀洼地形;陵?yáng)|扇形高地形。境內(nèi)有馬頰河、德惠新河2條干流及23條支流河道,總長(zhǎng)度442.57km。其中,馬頰河、德惠新河、篤馬河、朱家河、禹臨河為主要河道。境內(nèi)有區(qū)管水閘70座。對(duì)于陵城區(qū)而言,澇災(zāi)是其自然災(zāi)害之一,在以往的年份中出現(xiàn)的次數(shù)較為頻繁,導(dǎo)致河道附近的村鎮(zhèn)受到不同程度的損害。

針對(duì)這種情況,水利主管部門建立了相關(guān)調(diào)洪工程。在調(diào)度過(guò)程中,遵循兩個(gè)原則,即汛期水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用原則、攔河閘壩調(diào)度運(yùn)用原則。在汛期水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用原則中,需統(tǒng)籌水庫(kù)河道防洪安全,科學(xué)調(diào)度洪水。在攔河閘壩調(diào)度運(yùn)用原則中,堅(jiān)持以人為本、安全第一、局部服從整體、興利服從防洪的原則,科學(xué)處理防洪與興利的關(guān)系。

在攔河閘壩調(diào)度運(yùn)用過(guò)程中,了解攔河閘壩的泄流能力非常必要[7]。泄流能力會(huì)對(duì)調(diào)度方案制定的合理性等情況產(chǎn)生較大影響,直接影響流域水情測(cè)預(yù)報(bào)工作的開(kāi)展。因此,研究對(duì)陵城區(qū)某攔河閘壩單孔閘門泄流能力進(jìn)行研究。在該攔河閘壩中,水閘孔數(shù)5個(gè),閘底高程8.7m。在攔河閘壩單孔閘門泄流能力分析過(guò)程中,采用流量系數(shù)法,其原理圖見(jiàn)圖1。

由圖1可知,首先對(duì)流量率定的流量系數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,在不同流態(tài)、閘門開(kāi)啟等情況下,利用水力學(xué)基本公式,分析相關(guān)水力因素和流量系數(shù)關(guān)系,獲得對(duì)應(yīng)的相關(guān)關(guān)系曲線或關(guān)系方程。在此基礎(chǔ)上,對(duì)堰閘過(guò)水流量進(jìn)行推算。其中,不同流態(tài)下流量的相關(guān)計(jì)算公式如下:

式中:Q1為自由堰流流量,m3/s;Q2為淹沒(méi)堰流流量,m3/s;Q3為自由孔流流量,m3/s;Q4為淹沒(méi)孔流流量,m3/s;hu、hl分別為上游水頭、下游水頭,m;B為閘門總寬,m;e為閘門開(kāi)啟高度,m;ΔZ為水頭差,m;C為自由堰流的綜合流量系數(shù);C1為淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù);M為自由孔流的綜合流量系數(shù);M1為淹沒(méi)孔流的綜合流量系數(shù)。

圖1 流量系數(shù)法原理

對(duì)不同流態(tài)的流量進(jìn)行實(shí)測(cè),利用測(cè)得的結(jié)果與式(1)進(jìn)行反算,可以得到相應(yīng)流態(tài)的綜合流量系數(shù)。

1.2 攔河閘壩不同流量及泄流能力分析

在攔河閘壩中,當(dāng)全部打開(kāi)5孔泄洪閘時(shí),閘門底坎會(huì)位于水面之上。此時(shí),對(duì)于閘壩而言,其過(guò)流形式是堰流。由相關(guān)設(shè)計(jì)資料可知,其淹沒(méi)系數(shù)范圍在0.8～0.9。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)相關(guān)規(guī)定,上游水頭和下游水頭的比值大于等于0.8,表明當(dāng)前閘壩過(guò)流的形式歸類為淹沒(méi)堰流[8-10]。參考規(guī)范中閘孔總凈寬計(jì)算公式,進(jìn)行流量公式的推導(dǎo),計(jì)算公式如下:

式中:Q5為堰流流量;σ為堰流淹沒(méi)系數(shù);ε為堰流側(cè)收縮系數(shù);m為堰流流量系數(shù);B0為閘孔總凈寬;h0為計(jì)入行近流速水頭中的堰上水深。

選擇2020年攔河閘開(kāi)度相對(duì)固定時(shí)段,由于該年份中單孔閘門開(kāi)度超過(guò)4m的時(shí)段不穩(wěn)定,因此選擇其開(kāi)度都不大于4m的時(shí)段。對(duì)于時(shí)段中開(kāi)度超出4m的M1,可通過(guò)實(shí)際流量對(duì)其進(jìn)行修正。其中,在相關(guān)時(shí)段穩(wěn)定性判斷中,閘門開(kāi)啟后,在某開(kāi)度下可穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不小于3h,則對(duì)應(yīng)時(shí)段具有穩(wěn)定性;反之,會(huì)加大單孔泄流能力的誤差,從而影響率定結(jié)果。選擇時(shí)段和部分初始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 部分初始數(shù)據(jù)

2 攔河閘壩泄流能力中綜合流量系數(shù)的應(yīng)用分析

由圖2可知,不同上游水位下,對(duì)應(yīng)的M值存在一定差異。整體上看,隨著上游水位的增加,對(duì)應(yīng)的M值逐漸增大。當(dāng)上游水位為12.45m時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.34;當(dāng)上游水位為13.81時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.39,比上游水位為12.45m時(shí)大0.05;當(dāng)上游水位為14.93時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.40;而上游水位為15.89時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.43。

在此基礎(chǔ)上,通過(guò)式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到相關(guān)閘孔過(guò)流能力結(jié)果,見(jiàn)圖3。

圖3 相關(guān)閘孔過(guò)流能力結(jié)果

由圖3(a)可知,隨著上游水位的升高,對(duì)應(yīng)的M值不斷增大。在上游水位為12.00m時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.31;在上游水位為13.00m時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.36,比上游水位為15.00m時(shí)小0.06;而上游水位為16.00m時(shí),對(duì)應(yīng)的M值為1.45。由圖3(b)可知,隨著上游水位的升高,單孔堰流的過(guò)流能力在逐漸增強(qiáng),且增強(qiáng)的速度逐漸增大。當(dāng)上游水位為12.00m時(shí),單孔堰流的過(guò)流能力為24m3/s,比上游水位為13.00m時(shí)小8m3/s;當(dāng)上游水位為14.00、15.00m時(shí),兩者的單孔堰流的過(guò)流能力分別為42、53m3/s,前者的單孔堰流的過(guò)流能力比后者小11 m3/s;而相較于上游水位為12.00m等水位,上游水位為16.00m時(shí)的單孔堰流過(guò)流能力更強(qiáng),為75 m3/s。

表2 部分計(jì)算結(jié)果

由表2可知,不同時(shí)段下,根據(jù)不同的開(kāi)啟閘門孔數(shù)和單孔開(kāi)度以及單孔泄流量等情況下,對(duì)應(yīng)的M1值不同。當(dāng)開(kāi)啟閘門孔數(shù)為2個(gè)、單孔開(kāi)度為0.65m、單孔泄流為25 m3/s、水位差為5.22m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為3.37;開(kāi)啟閘門孔數(shù)相同均為2個(gè)時(shí),逐漸增大單孔開(kāi)度,閘下水位慢慢升高,閘上水位和閘下水位之間的水位差呈減小趨勢(shì),當(dāng)單孔開(kāi)度為1.25m、單孔泄流為47m3/s時(shí),閘上水位和閘下水位分別為15.49和11.19m,水位差為4.30m,比單孔開(kāi)度為0.80m、單孔泄流為31m3/s時(shí)的水位差大0.85m,后者的閘上水位、閘下水位分別為15.89、10.74m;相較于其他單孔開(kāi)度小于等于1.45m對(duì)應(yīng)的水位差,開(kāi)啟閘門孔數(shù)為5個(gè)時(shí),單孔泄流為59 m3/s對(duì)應(yīng)的水位差更小,其水位差為4.29。此時(shí),計(jì)算出的M1值更大,M1值為3.93。

對(duì)比不同時(shí)段不同單孔開(kāi)度以及單孔泄流量等情況下M1值發(fā)現(xiàn),在單孔開(kāi)度增大、水位差減小的過(guò)程中,M1值呈增大趨勢(shì)。為了進(jìn)一步分析這種變化趨勢(shì),在單孔閘門開(kāi)度小于4.0m時(shí),研究在閘門開(kāi)度與對(duì)應(yīng)的M1值的基礎(chǔ)上,繪制相關(guān)關(guān)系曲線,具體見(jiàn)圖4。

圖4 關(guān)系曲線圖

由圖4可知,隨著閘門開(kāi)度的增大,對(duì)應(yīng)的M1值分布在趨勢(shì)線附近,并逐漸增大。當(dāng)單孔開(kāi)度為2.0m時(shí),存在兩個(gè)M1值點(diǎn),兩個(gè)點(diǎn)距離較小,兩個(gè)點(diǎn)的值分別為4.05和4.09;當(dāng)單孔開(kāi)度為2.5m時(shí),對(duì)應(yīng)兩個(gè)M1值點(diǎn)的值分別為4.10和4.12,前者的M1值比后者小0.02;單孔開(kāi)度為3.2m時(shí),對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在單孔開(kāi)度為3.0m時(shí)所在點(diǎn)的上方,即單孔開(kāi)度為3.2m時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的M1值更大,其M1值分別為4.31、4.33。由此可見(jiàn),當(dāng)單孔閘門開(kāi)度小于4.0m時(shí),通過(guò)增大單孔閘門開(kāi)度,可獲得更大的綜合流量系數(shù)M1。

在此基礎(chǔ)上,可以給出不同閘門開(kāi)度范圍下的綜合流量系數(shù)M1參考值。當(dāng)閘門開(kāi)度在0.0～1.0m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為3.3;當(dāng)閘門開(kāi)度在1.0～1.5m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為3.6;當(dāng)閘門開(kāi)度在1.5～2.0m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為4.0;當(dāng)閘門開(kāi)度在2.0～2.5m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為4.1;當(dāng)閘門開(kāi)度在2.5～3.0m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為4.2;當(dāng)閘門開(kāi)度在3.0～3.5m時(shí),對(duì)應(yīng)的M1值為4.3。

對(duì)攔河閘壩泄流能力進(jìn)行校核分析,選取的泄洪閘流量關(guān)系數(shù)據(jù)所處的時(shí)段屬于非典型時(shí)段,對(duì)求解獲得的泄流量數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,分析其準(zhǔn)確性情況。把設(shè)計(jì)單位參考投產(chǎn)初期河道地質(zhì)條件得到的結(jié)果作為設(shè)計(jì)1,其沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證;在最新清淤后的地質(zhì)條件下,考慮2020年前兩年情況的率定結(jié)果,將其作為設(shè)計(jì)2,將設(shè)計(jì)1和設(shè)計(jì)2進(jìn)行對(duì)比,得到相關(guān)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5(a)可知,隨著閘門開(kāi)度的增大,實(shí)測(cè)值與3種方法的計(jì)算值隨之增大;相較于設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)2所在單孔泄流量折線,研究采用方法所在單孔泄流折線較為貼合實(shí)測(cè)折線。當(dāng)閘門開(kāi)度為0.65m時(shí),實(shí)測(cè)值為26m3/s,比研究采用方法大1m3/s,比設(shè)計(jì)1大2 m3/s,比設(shè)計(jì)2小3 m3/s;當(dāng)閘門開(kāi)度為1.25m時(shí),實(shí)測(cè)值為47m3/s,而研究采用方法的單孔泄流量為47m3/s,兩者的單孔泄流量相同;當(dāng)閘門開(kāi)度為3.20m時(shí),實(shí)測(cè)值為135m3/s,比研究采用方法大1 m3/s,比設(shè)計(jì)1大18 m3/s,比設(shè)計(jì)2小14 m3/s。

由圖5(b)可以看出不同方法計(jì)算出的單孔泄流量與實(shí)測(cè)值的誤差。當(dāng)閘門開(kāi)度為0.80m,研究方法與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差為-3.13%,而設(shè)計(jì)1對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差為15.63%,比設(shè)計(jì)2的絕對(duì)誤差大3.13%;當(dāng)閘門開(kāi)度為1.25m時(shí),研究方法對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差比其他兩種方法均小,研究方法對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差為0.00%;當(dāng)閘門開(kāi)度為3.00m時(shí),研究方法對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差為4.17%,該絕對(duì)誤差是研究方法所有絕對(duì)誤差中的最大值,其比設(shè)計(jì)1的最大絕對(duì)誤差小14.16%,比設(shè)計(jì)2的最大絕對(duì)誤差小8.33%。此外,通過(guò)對(duì)3種方法的平均絕對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算,得到研究方法的平均絕對(duì)誤差為2.03%,比設(shè)計(jì)1小10.21%,比設(shè)計(jì)2小7.55%。由此可見(jiàn),研究采用方法的誤差較小,可以應(yīng)用在攔河閘壩泄流能力分析中。

圖5 單孔泄流量及計(jì)算誤差

3 結(jié) 論

為了研究陵城區(qū)調(diào)洪工程中攔河閘壩的泄流能力,本文介紹了陵城區(qū)及其調(diào)洪工程,采用流量系數(shù)法,根據(jù)陵城區(qū)攔河閘的實(shí)際情況,分析了堰流流量、孔流流量,并對(duì)泄流能力進(jìn)行了校核。結(jié)果顯示,在堰流流量分析中,隨著上游水位的升高,對(duì)應(yīng)M值不斷增大,單孔堰流過(guò)流能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)上游水位為12.00m時(shí),此時(shí)單孔堰流的過(guò)流能力為24m3/s。在孔流流量分析中,閘門開(kāi)度增大,M1值隨之增大。在泄流能力校核中,研究方法的絕對(duì)誤差最小為2.03%,明顯小于其他方法,表明研究方法可有效用于攔河閘泄流能力的分析。