山東德州四女寺南進洪閘過閘流量分析

孟躍晨，賈 健

（海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州253009）

山東德州四女寺南進洪閘過閘流量分析

孟躍晨，賈 健

（海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州253009）

采用理論計算分析與模型試驗相結合的方式，通過研究堰流和孔流的界限、影響閘孔出流流量偏離與閘門上下游水位、閘門開啟高度等因子的定量關系及自由出流和淹沒出流的條件，確定弧形閘門的流量系數、淹沒系數和垂直收縮系數等，得到四女寺樞紐南進洪閘的水力計算方法，找到影響弧形閘門閘孔出流的流量、開啟高度、上下游水位差的表征關系式，并通過試驗和經驗圖表進行了驗證。

過閘流量；四女寺南進洪閘

在水利工程中，為了控制水位和流量，常在河道、渠道或水庫、海口中修建水閘，利用閘門控制流量和調節水位。工程中常見的閘孔有寬頂堰上的閘孔和實用堰上的閘孔2類；從閘門的形式來分，常見的又有平面閘門下的閘孔和弧形閘門下的閘孔2種，不同形式的閘孔有不同的過水能力。另外，按照下游水位是否影響堰和閘孔的過水能力，堰流和孔流有自由出流和淹沒出流2種情況。弧形閘門在世界各國得到廣泛應用，1949年以來中國在水利工程中應用了各種孔口尺寸、各種類型的弧形閘門作為水道的工作閘門，在主要尺度方面步入了世界大型弧形閘門的行列。

1 工程概況

四女寺樞紐工程位于山東省德州市德城區、武城縣和河北省故城縣的2省3縣（區）交界處。四女寺水利樞紐是漳衛南運河中下游的主要控制性工程，其上游接衛運河，下游分別接漳衛新河與南運河。樞紐工程由南進洪閘、北進洪閘、節制閘及船閘組成，興建于1958年，其中南進洪閘設計行洪流量1500m3∕s，是一座既能防洪、除澇又能航運、灌溉、輸水的大型水利設施。四女寺樞紐南進洪閘總寬135.6m，共12孔，每孔凈寬10.0m，閘門高5.2m，閘門寬10.0m，每孔裝1臺2×15t電動卷揚繩鼓式啟閉機，繩鼓直徑為35.0cm，閘頂高程27.77m（黃海基準面，下同），底板高程19.77m，共分4塊，每塊3孔。閘全長115.9m，閘底板長14.5m，上接15.0m長鋪蓋及其27.0m防沖槽和護底，下接17.4m長消力池及42.0m長海漫和防沖槽。

2 閘孔出流水力計算

根據工程需要，通過四女寺樞紐南進洪閘的水流可以是堰流或孔流，當閘門啟出水面，不影響泄流量時為堰流；當閘門未啟出水面，影響泄流量時則為孔流。堰流和孔流的界限與閘門形式位置、閘門開啟高度等因素有關。要準確地進行區分較為困難，一般采用下列經驗公式近似判別：

式中：e為閘門開啟高度（m）；H為堰孔水頭（m）。

四女寺樞紐南進洪閘屬于寬頂堰上的水閘，閘孔出流有自由出流和淹沒出流2種情況。當下游水位較低使閘孔下游發生遠離水躍、下游水位不影響閘孔泄流量時，為自由出流，如圖1所示。

圖1 弧形閘孔自由出流示意

當下游水位較高使閘孔下游發生淹沒水躍、影響閘孔泄流量時，為淹沒出流，如圖2所示。

圖2 弧形閘孔淹沒出流示意

2.1 自由出流水力計算

圖1所示為閘孔自由出流，水流通過閘孔后，因慣性影響發生垂向收縮，水面下凹，水深逐漸減小。設閘門開啟高度為e，則距閘門2～3倍e的下游收縮斷面c處的水深達到最小，收縮斷面處的流線近似平行，可認為是緩變流斷面。

式中：H為閘上水頭（m）；v0為閘前行進流速（m∕s）；vc為收縮斷面平均流速（m∕s）；ζ為閘孔局部水頭損失系數；g為重力加速度，一般取g=9.8m∕s2；hc為收縮斷面水深（m）。

式中：H0為閘前水頭（m）為閘孔流速系數；其他符號意義同上。

設閘孔寬度為B，令hc=ε'e，則收縮斷面面積計算公式為：式中：AC為收縮斷面面積（m2）；ε'為垂向收縮系數；B為閘孔寬度（m）；其他符號意義同上。

通過閘孔的流量計算公式為：式中：Q為過閘流量（m3∕s）；μ=?ε'，為流量系數，與過閘水流收縮程度、收縮斷面的流速分布和閘孔水頭損失等有關；其他符號意義同上。

式中：μ1為流量系數；其他符號意義同上。

弧形閘門的流量系數與閘門相對開啟高度和閘門底緣切線與水平線的夾角有關，這些因素直接影響水流的垂向收縮和水頭損失的大小。弧形閘門的μ1值可根據南京水利科學研究院的經驗公式計算：

四女寺樞紐南進洪閘c=4500mm，R=7500mm。通過閘門開啟高度可以求得閘門底緣切線與水平線的夾角，從而可以求得流量系數。弧形閘門底緣切線與水平線的夾角與垂直收縮系數的關系，見表1。

表1 弧形閘門底緣切線與水平線的夾角（θ）與垂直收縮系數（ε'）關系

四女寺樞紐南進洪閘閘門為弧形閘門，其流量系數可按下面經驗公式計算：

2.2 淹沒出流水力計算

閘孔從自由出流到淹沒出流的過程可從明渠干擾波的傳播來說明。明渠中干擾波的波速隨水深的增大而增大，當波速大于明渠水流流速時，波向上游傳播，當波傳至某處，恰使波速與流速相等時，波即固定不動。

閘孔后水躍位置向上越過收縮斷面時，為淹沒出流，定量判別方法為：

設收縮斷面的水深為hc，當恰好發生臨界水躍時，躍前水深為hc，相應的躍后水深為，則淹沒判別標準為：

當ht≤時，為自由出流；當ht＞時，為淹沒出流。h' c'計 算公式為：

式中：hc為躍前水深（m）；為躍后水深（m）；ht為下游水深（m）；其他符號意義同上。

根據南京水利科學研究院的實驗研究，淹沒系數（s）與潛流比(y)有關，可由圖3查得。當ht≤時，δs取1；否則，δs大于1。

圖3 淹沒系數（δs）與潛流比（y）關系

3 四女寺樞紐南進洪閘過閘情況的試驗研究

3.1 自由出流試驗

不考慮閘下游實際水位情況，在任何開閘孔數和開啟高度工況下，調節下游水位均較低，保證閘孔出流為自由出流。其目的在于通過模型試驗獲得四女寺樞紐南進洪閘閘孔出流規律及流量系數和垂直收縮系數。為此，在開閘孔數分別為12、6、4、2時，保持閘上水位為23.0m，進行了多次閘孔開啟高度的過流試驗，結果如下。

3.1.1 閘孔出流規律

12孔閘門同時開啟，分別取開啟高度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3m，進行放水試驗，可得n=12時的過閘流量隨閘門開啟孔數、閘門開啟高度的變化規律。

同時，開啟第1、3、5、7、9、11孔閘門，其余關閉，形成6孔出流，類似上述試驗，可得n=6時的過流規律。同理，可得n=4和n=2時的過流規律。過流規律如圖4所示，對應數值見表2。

3.1.2 閘孔出流流量系數

在上述試驗已經確定了Q～n、e關系的基礎上，由式（10）可反求出流量系數（μ）。

表2 自由出流時流量（Q）隨開閘孔數（n）和閘孔開啟高度（e）的變化值

式中：n為開閘孔數；b為閘孔單寬（m）；其他符號意義同上。通過對試驗數據計算，得出四女寺樞紐南進洪閘流量系數的試驗值，見表3。

3.1.3 垂直收縮系數

在進行上述試驗的同時，還進行了閘后收縮斷面水深的測量，從而得到了垂直收縮系數隨閘孔開啟高度的變化規律，如圖5所示。

圖4 自由出流時流量（Q）隨開閘孔數（n）和閘孔開啟高度（e）的變化規律

圖5 垂直收縮系數（ε'）隨閘門開啟高度（e）的變化規律

表3 流量系數（μ）的試驗值

3.2 淹沒出流試驗

3.2.1 過閘流量隨閘門開啟孔數、開啟高度的變化規律試驗

分別在開閘孔數n=12、6、4、2的情況下，變化閘孔開啟高度，然后保持上游水位23.0m不變，調節下游水位為22.0m，待水流穩定后測量流量。最后，得到流量隨閘門開啟孔數、開啟高度的變化規律，見表4。

表4 過閘流量（Q）隨下游水位（ht）、開閘孔數（n）和閘孔開啟高度（e）的變化規律

由上述結果可知，與開閘孔數和閘孔開啟高度相對應，在下游水位為22.0m時，其過閘流量均小于自由出流時的流量，過閘水流均為淹沒出流。

3.2.2 淹沒系數試驗

根據上述試驗數據，可以計算出淹沒系數，其計算公式為：式中：σs為淹沒系數；其他符號意義同上。

同時，可計算出潛流比（y），其計算公式為：

式中：q為自由出流時閘孔單寬流量（m3∕s）；其他符號意義同上。

計算結果，見表5。

表5 淹沒系數（σs）的試驗計算結果

淹沒系數（σs）與潛流比（y）的對應關系，如圖6所示。同時，繪出了南京水利科學研究院提供的閘孔出流淹沒系數（σs）與潛流比（y）的關系曲線。

圖6 淹沒系數（σs）隨潛流比（y）的變化關系

計算結果表明，四女寺南進洪閘閘孔出流淹沒系數（σs）隨潛流比（y）的變化規律與目前工程設計中廣泛應用的南京水利科學研究院提供的閘孔出流淹沒系數（σs）與潛流比（y）的變化規律基本吻合，適用于閘后無跌坎的水平底寬頂堰上的閘孔出流情況。當閘后水跌位置向上越過收縮斷面時，閘孔為淹沒出流。淹沒判別標準為：當ht≤時，為自由出流，σs=1；當ht＞時，為淹沒出流，σs＜1。

4 結語

閘孔出流雖然有一些經驗公式，但是這些公式還不能完全符合所有工況的水閘過水計算，特別是對于閘前水流比較紊亂的情況，還沒有較好的解決方法。筆者通過模型水利計算和多年來南進洪閘過水流量統計繪制特性曲線，可以大大提高精準度，減小誤差率。筆者提出的有關水平底寬頂堰上的閘孔出流的淹沒判別標準及淹沒系數的確定方法可以用于類似水利工程。

TV66；TV132

：A

：1004-7328（2014）02-0062-04

10.3969∕j.issn.1004-7328.2014.02.023

2013-11-30

孟躍晨（1983-），男，助理工程師，主要從事水閘樞紐管理工作。