孝感市堰閘水文站流態判別方法探討

方星萍

【摘要】：為宣泄洪水或引水灌溉，常修建水閘或溢流壩等泄水建筑物。要較準確推算出通過堰閘的水量，首先要根據堰閘型式、閘門開啟情況來判別通過堰閘的水流流態，然后選擇合適的水力學公式分析獲得不同出流情況下水力因素與流量系數的相關關系，以推算堰閘的過水流量，為當地防汛抗旱和水資源評價服務提供了可靠的依據。現以漢川泵站為例對孝感市堰閘水文站流態判別方法進行探討。

【關鍵詞】：堰閘水文站；流態判別；探討

1、基本情況

1.1 孝感市基本水文站網及測站特性概況

孝感市境內有國家基本水文站11處，其中有7處是受水利工程控制的堰閘、水庫水文站，有4處是受河槽控制的河道水文站。7處堰閘、水庫水文站控制河段情況分別為：4處堰閘水文站為汈汊湖區進出口控制站；2處堰閘水文站為漢北河出口控制站；1處水庫水文站為涢水中游干流控制站。4處河道水文站控制河段情況為；1處為涢水干流控制站；2處為澴水干流控制站；1處為大富水干流控制站。

1.2 孝感市堰閘水文站堰閘型式

7處堰閘閘門和堰的型式均相同，閘門型式為平底直升式，堰的形狀為無坎寬頂堰，堰頂為矩形。

1.3 漢川泵站基本情況

漢川泵站為汈汊湖區出口控制站之一，主要控制交往水量，屬二類精度堰閘站。測驗河段為人工開挖河道，U型河槽，順直整齊，河床由粘壤土組成，斷面穩定，基本無沖淤，河底在夏秋季節生長水草。共有6個斷面整編定名為漢川泵站（一泵）、漢川泵站（二泵）、漢川泵站（船閘進水、船閘出水）、漢川泵站（排水閘有欄、排水閘無欄）、漢川泵站（高閘）、漢川泵站（低閘）統稱為漢川泵站。各斷面的情況分別如下：

一泵建在基本水尺斷面下游320m處，位于斷面左側，裝有泵機6臺，每臺功率2300kw，中心高程16.05m；二泵建在一泵斷面右岸引水渠上，裝有泵機4臺，每臺功率2800kw，中心高程16.80m；船閘建在基本水尺斷面下游320m處，位于斷面中間，共1孔，孔寬8.0m，孔高13.80m，閘底高程為16.84m；排水閘建在基本水尺斷面下游320m處，共6孔，左3孔建在一泵與船閘左側之間，右3孔建在船閘右側，6孔的孔寬、孔高、閘底高程均相同，每孔寬6.5m，孔高8.00m，閘底高程18.37m；高閘建在二泵左側，共4孔，每孔寬5.0m，孔高5.00m，閘底高程20.00m；低閘建在二泵右側，共3孔，每孔寬5.0m，孔高6.00m，閘底高程16.30m。

2、流態判別

本站堰閘為平底閘，屬寬頂堰。全年采用人工判別流態，流態判別方法是：當閘門提出水面為堰流，反之為孔流，當△Z/hu≤0.22為淹沒堰流，反之為自由堰流。當閘門未提出水面，閘門開高加閘底高程（船閘16.84m，排水閘18.37m）大于下游水位為自由孔流，反之為淹沒孔流。

其中：堰流與孔流的分界判別方法符合《水工建筑物與堰槽測流規范》3.2.6中第3條規定；當堰閘閘門或胸墻接觸水面，并對過水閘水流起到約束作用時為孔流；閘門或胸墻不接觸水面時為堰流。

自由孔流判別方法符合《水工建筑物與堰槽測流規范》3.2.6中第5條：寬頂堰閘（包括平底閘）閘下水位低于閘門底邊，即閘下水頭小于閘門開啟高度（hl

淹沒孔流判別方法符合《水工建筑物與堰槽測流規范》3.2.6中第6條：寬頂堰閘（包括平底閘）閘下出現淹沒水躍，水躍前端接觸閘門，閘下水頭高于閘門底邊，即閘下水頭大于閘門開啟高度（hl>e）。

自由堰流與淹沒堰流判別方法與《水工建筑物與堰槽測流規范》不一致，其判別方法由實測資料分析而得，具體分析方法如下：

由水力學得知：當寬頂堰為堰流時，下游水位低于臨界水深線，即：下游水深hl小于臨界水深hk（hlhk）時，堰頂將產生水躍，收縮斷面水深增大為hl，整個堰頂水流變為緩流狀態，下游水位影響過流能力，寬頂堰成為淹沒出流。

臨界水深計算公式為：臨界水深hk=[Q2/（gB2）]^（1/3） g=9.8，hk：臨界水深，Q：實測流量，B：閘門總寬。

根據前蘇聯教授別列辛斯基的試驗：當hl≥1.3hk時發生淹沒。由于臨界水深hk計算比較麻煩，在實際工作中不便應用。可以建立△Z/hu-бC1關系，當hl≥1.3hk時，為淹沒堰流；hl<1.3hk時為自由堰流。自由堰流點子必然散亂，自由堰流與淹沒堰流之間也必然出現轉折，此轉折點處的△Z/hu值為堰流淹沒臨界點，△Z/hu小于此臨界點時堰流發生淹沒。

通過建站以來實測資料進行分析，確定自由堰流與淹沒堰流臨界點的△Z/hu值。選取船閘1976-1985年84次實測堰流資料進行計算（點繪△Z/hu-流量系數關系圖即圖2-1）。從圖上可以看出：△Z/hu=0.22時出現轉折，說明△Z/hu=0.22為所求的臨界值。

圖2-1 △Z/hu-流量系數關系圖

結論

本站是受工程控制的堰閘站。采用人工判別流態，判別方法為：當閘門提出水面為堰流，反之為孔流，當△Z/hu≤0.22為淹沒堰流，反之為自由堰流。自由孔流與淹沒孔流判別方法：當閘門未提出水面，閘門開高加閘底高程（船閘16.84m，排水閘18.37m）大于下游水位為自由孔流，反之為淹沒孔流。

通過本次分析為孝感市其他堰閘站流態判別方法提供了參考與借鑒。也為孝感局水文監測業務改革、巡測制度的建立提供技術支撐。

【參考文獻】：

[1]《水文資料整編規范》（SL247-2012）.

[2]《水工建筑物與堰槽測流規范》（SL537-2011）.