會寶嶺灌區引水渠道分水口過流能力計算淺析

葛慶艷

（山東省蘭陵縣水利局，山東 臨沂 277700）

1 引言

在進行引水渠道設計時，在分水口部位進行設計流量分配是引水渠道工程設計的重點問題之一。吳怡等[1]以南水北調中線工程為例，對分水口的進行敏感性分析，認為引水渠道流量越大，分水口敏感性越小；高學平等[2]以南水北調東線工程為例，研究節制閘對分水口水力的影響，認為分水口對節制閘的調節幅度較為敏感；劉海強等[3]對影響矩形分水口分流的因素進行分析，認為流量對矩形分水口水面線影響較小，流向角隨分流比的增大而增大；郭青春[4]以東湖水電站為例對不同形式的分水口的過流能力進行計算，劉海強等[5]使用試驗方法對矩形渠道分水口的水力性能進行研究；方神光等[6]以南水北調中線工程為例，研究分水口對渠道引水的影響，得出分水口前水位下降速率與分水口流量變化呈線性相關；張成等[7]以南水北調中線工程為例，對分水口調度進行研究，認為單步分水時波動影響范圍較大；薛海等[8]采用數值模擬的方法對不同角度的分水口的流動特征進行分析，認為應采用小角度的管道連接方式；張成等[9]以南水北調中線工程為例，獲取水力響應的基本參數，可為工程運行提供參考；丁愛萍等[10]對分水口和節制閘的水力敏感性進行分析，認為影響渠道水位的主要因素為分水口流量變化幅度和節制閘的開度幅度。本文在前人研究基礎上，對分水口的過流能力進行計算，為工程設計和運行調度提供參考。

2 工程概況

會寶嶺灌區為山東省蘭陵縣境內的西南部的一片灌區，東界線至蘭陵縣汶河，南界線至蘇魯省界，西邊同棗莊市相連。該區域涉及蘭陵縣管轄下的6個鄉鎮，對應391個村莊，其灌溉面積當前設計為30.1萬畝。灌區于1959年開始建設，主干渠凈寬為3.6 m，設計流量為16.3 m3/s，設計水深為3.15 m，設計縱坡為1/3000，向下游輸水分為南、北兩個干渠。其中北干渠凈寬為3.0 m，設計縱坡為1/2000，設計流量為10.15 m3/s，南干渠凈寬為2.5 m，設計縱坡為1/3000，設計流量為6.15 m3/s。南北干渠夾角為52.393°。引水渠道示意圖見圖1。

圖1 引水渠道示意圖

3 閘孔過流能力計算

3.1 過流流量計算

引水渠道的輸送水能力滿足能量守恒定理。在引水輸水路徑中選取兩個計算剖面，見圖1。根據能量守恒的基本原理，可知:

式中:αa、αb分別表示上游、下游動能修正系數；Ha、Hb分別表示斷面a-a和b-b處的水頭；Va、Vb分別表示斷面a-a和b-b處的水流速度；hf為沿程水頭損失，與引水渠道的光滑程度有關。

通過公式推導可知:

式中:ε為收縮系數；A為b-b剖面的過流斷面面積；φ為流速系數；μ為流量系數，等于流速系數和收縮系數的乘積；Q為b-b剖面的過流量。

根據引水渠道下游引水水深和收縮斷面的躍后水深的關系，閘孔水流有兩種出流方式:自由出流和淹沒出流。當躍后水深大于下游水深時，則下游水深對閘孔過流能力不產生影響，此時為自由出流；反之，則為淹沒出流。淹沒出流時收縮斷面將會被淹沒，不利于充分發揮閘孔的過流能力。因此，在工程設計中一般選取自由出流。參考葉云濤等[11]的研究，自由出流滿足下式:

式中:b為引水渠道寬度；e為閘門的開度；H為閘門上游水頭。

3.2 不同閘門開度的過流量計算

根據工程概況，選取總干渠、南干渠、北干渠作為研究對象。當總干渠閘門全開時，南干渠、北干渠的閘前水位為3.15 m，分別調節南干渠、北干渠閘門的開度，從而計算出不同開度情況下，分水口的過流能力和流量的分配情況。

當北干渠開度為0.5 m時，閘門相對開度為0.158，根據文獻[11]流量系數與相對開度的關系曲線，取流量系數為0.577，代入式（3）求得Q=6.905 m3/s。南干渠、北干渠不同開度情況下，流量計算結果見表1～表2。

表1 南干渠不同開度情況下過流量計算結果

表2 北干渠不同開度情況下過流量計算結果

根據表1和表2的數據繪制計算流量與開度的關系，見圖2。當閘前水位保持恒定不變時，隨著開度的增大，南干渠、北干渠的計算流量均有所增大，且呈線性正相關關系。北干渠開度與設計流量關系為:y=10.591x+1.9485(R2=0.9968)，根據北干渠的設計流量為10.15 m3/s，當開度為0.775時，達到北干渠設計流量；同理，南干渠開度與設計流量關系為:y=7.0606x+1.299(R2=0.9968)，根據南干渠的設計流量為6.15 m3/s，當開度為0.687時，達到南干渠設計流量；當閘前水位恒定為3.15 m時，南干渠、北干渠過流量均能達到設計流量。

圖2 南、北干渠閘門開度與計算流量關系圖

4 南干渠、北干渠恒定流量下閘門開啟速率研究

南干渠和北干渠的設計流量，分別為6.15 m3/s和10.15 m3/s。引水渠道水位波動為0.15 m/h，以此來計算南干渠、北干渠閘門的開度，當Q恒定時，根據式（3）可以計算，南閘門開度從0.75 m調整至1.0 m后，水位從3.29 m變化為2.20 m，水位落差可達1.09 m，若水位落差需要小于0.15 m/h時，則水閘開度從0.75 m變為1.0 m，所需時間最少為7.3 h。則閘門開啟速度為0.0342 m/h。計算恒定流量下南干渠、北干渠閘門的開啟速率，見表3～ 表 4。

表3 北閘門不同水位下閘前水位變化

表4 南閘門不同水位下閘前水位變化

從表3～表4可以看出，當南干渠和北干渠的過流量為恒定值時，閘門開度的變化會引起閘前水位的劇烈變化，若在引水渠道長期的運行過程中經常出現水位劇烈變化的情況，則會對引水渠道的穩定性造成嚴重的影響。因此，控制水位變化的速率及閘門開啟、關閉的速率是極為重要的，因此準確計算閘門開啟、關閉的速率的最大值是非常有必要的。

繪制設計流量下，南干渠、北干渠閘前水位與閘門開啟、關閉速率的曲線，見圖3。東西干渠在水位高度小于2.2 m時閘門啟閉速率差異較大，當閘前水位大于2.2 m時，閘門啟閉速率差異較小。當閘門啟閉速度位于曲線下方則可以在安全的情況下滿足輸水量，當速率位于曲線上方時，則水位變化波動較大，易對引水渠道安全產生威脅。

圖3 水位調節前閘前水位與閘門啟閉關系

5 結論

（1）從實際出發，建立了分水口流量計算公式；通過對閘門開度和渠道流量關系進行分析，隨著閘門開度的增大，渠道計算流量呈線性增大。

（2）計算保證南干渠、北干渠流量的情況下，閘門的啟閉速率，計算在滿足最大水位變動情況下的閘門啟閉速率，并繪制最大速率曲線，當閘門啟閉速率位于曲線以下時，則可以在滿足安全的情況下保證干渠過流量要求。民黃河，2018，40(07):121-123+128.