陸渾灌區東一干渠分水閘過流問題分析計算

□劉社教　□趙麗娟　□張玲玲　□王英杰（河南省陸渾水庫管理局）

?

陸渾灌區東一干渠分水閘過流問題分析計算

□劉社教□趙麗娟□張玲玲□王英杰
（河南省陸渾水庫管理局）

摘要：灌區上水的精準計量是一件關乎灌區向好發展的大事。陸渾灌區總干渠的內埠分水樞紐（簡稱內埠分水閘）就直接擔負著向東一干渠、東二干渠調配水的任務。由于在通水期內埠分水閘閘門啟閉頻繁，各種閘前水位和閘門開度及閘后水位均影響到閘孔的過流量，通過分水閘的長期實際運用觀測，對閘孔過流問題有了更好的認識，方便今日的運用管理。

關鍵詞：東一干分水閘；閘前水位；閘后水位；淹沒水位

1　概況

陸渾灌區是河南省一座可灌溉3市7縣（市）約12.00萬hm2耕地的大型灌區。陸渾灌區從1974年部分開灌以來，灌溉效益一度徘徊不前。自中央一號文件出臺以來，陸渾灌區得到迅猛發展，水的用途種類范圍大增，灌區水的準確計量已關系到灌區的良好發展。

陸渾灌渠總干渠上的內埠分水閘位于總干渠末端（樁號44+443）。閘身為開敞式整體結構，混凝土地板砌墩墻，閘底板厚在1 m左右。東一干渠分水閘為兩孔，閘門尺寸為3.50 m× 5.20 m的平板鋼閘門，設計流量50 m3。東二干分水閘為一孔，閘門尺寸位3.20 m×5.20 m的平板鋼閘門。東一干分水閘下游砌塊石扭曲段長為15m左右。在多年的通水使用中，因閘前后加水、減水、調水等原因，分水閘閘門經常是頻繁啟閉。雖然在東一干渠分水閘下游2 km的地方設有簡易測水橋，但每次測水需多人多方參加，并需專用車輛，按現行的一日二測水管理制度很難做到。特別是雨雪天，下到溝里觀測水位已屬不易，實測更難。過去在東一干渠水閘采用閘門開度的辦法推測流量，還制有閘孔開度與流量關系表。在近年的通水實踐中發現這一表與實測流量有出入，今做完善，使它更好地符合實際情況。①這個表在右閘門開度較小的情況下與實測相差不多，隨閘門開度的增加相差較多。②這表是在閘前水位4.20 m的情況下制成的，但在實際工作中，閘前水位會有很多情況出現。③這表是按一孔閘門的計算制成實際上東一干分水閘是兩孔閘門，過流量并非兩孔閘門開度的累加。④其它因素需考慮如閘前水尺不太精準，閘后渠道和建筑物的影響。值得注意的是閘后水深影響，就是淹沒影響。還有閘后一定距離內渠坡樹草淤積的間接影響。側收縮影響基本未考慮。

2　東一干分水閘設計水位的過流情況

東一干分水閘因未找到原設計資料，參照總干渠上燕王寨，葦園溝退水閘的情況，過流能力應大于設計流量。東一干分水閘為2孔3.00 m×5.20 m的平板鋼閘門，閘底板與上下游渠道銜接較好，應屬無坎寬頂堰，在實際工作中出閘水流常受閘門控制，是閘孔出流情況。東一干分水閘的驗算應是寬頂堰流，當閘門開度在4.50 m或全開時，e/h=4.5/4.5=1>0.65為堰流。

2.1流量系數的選取

原設計為寬頂堰自由出流，不論直角或圓角寬頂堰，當p1/H=0時，經計算流量系數m=3.85×10-1，本次驗算比較保守，選取m=3.75×10-1。

2.2側收縮系數的選取側收縮系數的選取（1）式。

式中：α0選取0.10，b為溢流孔凈寬，B為上游引渠寬。

經計算b/B=4.93×10-1,ε1=9.27×10-1,東一干渠分水閘為對稱閘門，ε1=ε2。

2.3東一干分水閘的過流量

經計算：Q=88.16 m3。考慮淹沒影響，hs/H=4.30/4.50=0.95。今選hs/H=0.96,淹沒系數=0.59。東一干渠的過流量可達：Q= 88.15×0.59=52.01 m3/s。

通過上述計算，得知東一干分水閘過流量大于近期設計流量45 m3/s，也大于遠期設計流量50 m3/s。這也驗證了原設計的正確性。在上述計算中，流量系數和淹沒系數在選取上還略有保守。近年來在東一干渠分水閘后有淤積抬高渠的水位，但尚未影響到閘后的淹沒水位。

3　東一分水閘實際運行情況

雖然東一干渠分水閘能完全滿足設計流量，且略有余地。但在實際工作中由于調配流量的需要，東一干分水閘的運行方式多是閘孔出流，常遇到兩扇門不對稱開啟或僅開啟一扇閘門，如2013年因左側閘門故障在較長一段時間一直開的是右側閘門，所有這些都涉及到閘孔出流的準確計算問題。

3.1閘孔出流

判斷堰流與閘孔出流的大致界限是：e/H≥0.65。東一干設計閘前水位4.50 m，可見e≤0.65×4.50=2.93 m為閘孔出流。每次通水期東一干分水閘是堰流或閘孔出流情形，應取決于閘門開度和閘前水位。在近3 a的通水實踐中，由于分水閘所在總干渠渠段有一填方壩存在病險問題和調度上的原因。導致東一干分水閘前水位一直控制在4 m或4 m以下。在4 m水位時間門開度e≤0.65×4=2.60 m為閘孔出流。

3.2閘門開度和過流量

為了說明問題，針對閘門的3種閘前水位4.50，4.00 m和3.50 m3種情況，就閘門的對稱開啟、不對稱開啟和開啟度不同的多種情況進行了計算。公式是用Q=Hbe。流量系數H=0.60-0.176e/H。計算結果如表1。

表1　閘門開度和過流量計算表

從上面的計算結果可以看出，左右孔閘門相應開度和過流量相加。并不等于左右孔閘門開度相加的單孔過流量。在左右孔閘門開度數值相加恒值的情況下，對稱開啟的過流量略大于不對稱開啟的過流量。

而且隨著左右孔閘門相應開度的增加，左右孔閘門相應開度的過流量相加比左右孔閘門相應開度相加的單孔過流量大的越來越多，這也是實際工作中需注意的。

3.3閘前水位為4.00 m的情況

東一干分水閘閘前設計水位為4.50 m，但在近幾年的實際工作中，閘前水位多保持在4 m和4 m以下。因分水閘前有一段填方壩工程質量略差的原因。在實際工作中，因管理人員和啟閉機問題，分水閘往往是單開，大多情況是只開右孔閘門。

從表（1）可以明顯看出，以現在常有閘前水位4.00 m為標準。當閘門開度一定時，當閘前水位增至4.50 m時，流量就增大。當閘門開度越大時，增加的過流量就越大。反之當閘水位落至3.50 m時，流量就減小，當閘門開度越大時，減少的過流量就越大。

4　東一干分水閘實際過流情況的分析驗算

4.1分水閘前后流態的變化

東一干分水閘前的水流是緩流，過閘是急流，閘后又是緩流，尚有淹沒流。淹沒形成的條件及淹沒對閘孔過流的影響程度是主要的。在長期的通水實踐中，東一干分水閘多為淹沒出流，而且是不同于一些書本上的那種形式的淹沒出流。

4.2閘后水位淹沒影響的過流問題

閘前水深減去閘后水深的閘孔過流計算。一般認為因為閘后淹沒閘孔過流承受的水壓力就是二者之差。即閘前水位減去閘后水位。如閘前水位為4.20 m.閘后水位為2 m，左孔開度e= 0.05 m，經計算Q0.05=0.68 m3/s。右孔開度e=0.90 m，經計算Q0.90=10.93 m3/s。可見Q合=Q0.05+Q0.90=11.61 m3/s。與實測結果Q=12.15 m3/s比較接近二數值之間是否存在耦合性及耦合性產生的條件尚不太清楚。

4.3書本上考慮淹沒影響的計算。

左孔開度e=0.05 m，經計算Q0.05=0.60 m3/s，右孔開度e= 0.90 m，經計算：Q0.09=16.07 m3/s，Q合=Q0.05+Q0.90=16.68 m3/s，與實測的Q=12.15 m3/s，有出入。

4.4不對稱和對稱開啟閘門

通過上述計算如閘門不對稱開啟就有可能一側是自由出流，另一側是淹沒出流。如兩孔閘門對稱開啟，兩扇閘門就有可能有淹沒出流的情況或說出現概率的機會就會增多。

5　結語

通過上述的分析，計算和論證。建議陸渾灌渠東一干分水閘在每次通水中，應進行≥2次的流量實測，在實測有困難的情況下，其它過流量應根據以往測驗前水位流量關系和分水閘的開啟過流情況進行比對或微調，從而得到過流的精準數據。同時由于幾十年來東一干分水閘一直未達到按設計標準運用。2013年東一干渠過流量僅短時達30 m3/s，尚無分水閘觀測數據，上述計算有待修正完善。

（責任編輯：劉長垠）

收稿日期：2015-10-30

作者簡介：劉社教，男（1965-），高級工程師，主要從事水利工程的設計，施工和管理。

中圖分類號：TV66

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）02-0095-02