渠道引水樞紐水閘改造工程泄流計(jì)算方法研究

黃榮峰

(滁州市城西水庫(kù)管理處，安徽 滁州 239000)

0 引 言

經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)水利資源較為豐富，總量可以達(dá)到6.8×108kW[1]。其中，能夠開(kāi)發(fā)的水利資源達(dá)到3.78×108kW，在世界范圍內(nèi)排名第一。但是，我國(guó)水利資源分布極其不均。隨著改革開(kāi)放，我國(guó)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)水利資源的需求量也逐漸上升，部分地區(qū)出現(xiàn)水資源缺乏、農(nóng)田干旱等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，修建渠道引水樞紐，將水利資源通過(guò)渠道進(jìn)行輸送，不但可以防止洪澇災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生，也為水利資源匱乏地區(qū)解決了灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、供水等用水問(wèn)題。在渠道引水樞紐中，水閘是一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)成部分。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)建設(shè)水閘已達(dá)5×104座以上，但是其中包含大量的病患水閘，會(huì)造成極大的不利后果。水閘安全狀況已經(jīng)成為社會(huì)以及政府相關(guān)部門的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一，故對(duì)渠道引水樞紐水閘進(jìn)行改造勢(shì)在必行[2]。

現(xiàn)今渠道引水樞紐水閘改造工程以水閘設(shè)計(jì)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與手段，分析水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力問(wèn)題與穩(wěn)定性，忽視施工過(guò)程的加載方式，獲取水閘泄流水力、阻力系數(shù)、荷載等參數(shù)，進(jìn)行水閘泄流計(jì)算，為水閘改造工程提供一定的參考[3]。就現(xiàn)有研究成果來(lái)看，使用較為廣泛的是基于有限元分析軟件ABAQUS的水閘泄流計(jì)算方法，其由于模擬加載方式較為單一，導(dǎo)致其存在著水閘泄流計(jì)算效率較低的缺陷，無(wú)法滿足現(xiàn)今水資源匱乏地區(qū)的需求，故提出渠道引水樞紐水閘改造工程泄流計(jì)算方法研究。

1 渠道引水樞紐水閘改造工程泄流計(jì)算方法研究

1.1 渠道引水樞紐布置

渠道引水樞紐應(yīng)該布置在河流岸邊前坡積存層上，經(jīng)過(guò)地層為礫巖層與碎石亞砂土，并且保障整個(gè)渠道坡度穩(wěn)定，無(wú)不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)[4]。

渠道采用矩形斷面，渠道引水樞紐相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 渠道引水樞紐相關(guān)參數(shù)表

對(duì)于渠道引水樞紐來(lái)說(shuō)，渠首水位深度與流量之間存在著緊密的聯(lián)系。常規(guī)情況下，隨著渠首水位深度的不斷加深，流量也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，這為后續(xù)水閘泄流計(jì)算提供一定的支撐[5]。

通過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究可知，渠道引水樞紐的渠首水位深度與流量關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 渠首水位深度與流量關(guān)系表

1.2 水閘改造工程

為了提升渠道引水樞紐的性能以及改善現(xiàn)有水閘的安全問(wèn)題，對(duì)水閘進(jìn)行改造。其主要分為兩個(gè)階段，分別為施工導(dǎo)流階段與閘室改造階段，具體過(guò)程如下：

階段一：施工導(dǎo)流階段

依據(jù)現(xiàn)有渠道引水樞紐建設(shè)特點(diǎn)、地形條件與交通環(huán)境，可以采用分期導(dǎo)流與明渠導(dǎo)流兩種方式。其中，分期導(dǎo)流需要修筑縱向圍堰，其斷面較大，無(wú)法滿足引水樞紐的泄流需求，故此研究采用明渠導(dǎo)流方式[6]。

明渠導(dǎo)流工程量統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3 明渠導(dǎo)流工程量統(tǒng)計(jì)表

另外，明渠底部寬度設(shè)置為11 m，底板高程設(shè)置為49.0 m，縱坡比降設(shè)置為1/1 000，明渠長(zhǎng)度設(shè)置為250 m，兩側(cè)渠道邊坡坡度比降為1∶1.5[7]。

階段二：閘室改造階段

閘室也是影響水閘性能的關(guān)鍵構(gòu)成部分之一，閘室穩(wěn)定性是水閘安全的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。依據(jù)目前渠道引水樞紐的需求，設(shè)置閘室改造相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 閘室改造相關(guān)參數(shù)表

續(xù)表4

閘室改造中，胸墻結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 胸墻結(jié)構(gòu)示意圖

閘門重量計(jì)算公式為：

G=kzkckgH1.43B0.08

(1)

式中：G為閘門重量；kz為閘門行走支承系數(shù)；kc為材料系數(shù)；kg為孔口高度系數(shù)；H與B分別為孔口的高度與寬度[9]。

閘室荷載主要包含自重、水重、泥沙壓力、地震載荷、水壓力等，其穩(wěn)定性計(jì)算工況主要分為5種情況，分別為完建工況、正常蓄水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況、校核洪水位工況與地震工況，其對(duì)應(yīng)的荷載組合見(jiàn)表5。

表5 不同工況對(duì)應(yīng)荷載組合表

由表5可知，自重、水重與水壓力計(jì)算較為簡(jiǎn)單，不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)敘述，而泥沙壓力與地震荷載較為復(fù)雜，此研究給出上述兩者計(jì)算公式：

(2)

式中：pn為泥沙壓力數(shù)值；γn為閘前沉積泥沙的浮容量；hn為閘前泥沙淤積厚度；φn為泥沙的內(nèi)摩擦角；G1為地震載荷；G自重為水閘本身重量[10]。

閘室穩(wěn)定性由基底應(yīng)力及其校核參數(shù)[11]決定，其計(jì)算公式為：

(3)

通過(guò)上述過(guò)程，完成了渠道引水樞紐水閘的改造，為后續(xù)水閘泄流計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1.3 水閘泄流計(jì)算

依據(jù)上述水閘改造工程情況，結(jié)合水閘頂部高程與不同泄流荷載進(jìn)行水閘泄流計(jì)算，具體計(jì)算過(guò)程如下。

常規(guī)情況下，水閘在泄水時(shí)，其頂部高程應(yīng)該不小于設(shè)置水位(或者校核水位)與對(duì)應(yīng)安全超高值總和。為了方便研究的進(jìn)行，設(shè)置閘頂超高與安全加高一致[13]，則水閘頂部高程計(jì)算情況見(jiàn)表6。

表6 水閘頂部高程計(jì)算表

一般情況下，渠道引水樞紐水閘泄流主要包含4種狀態(tài)，分別為閘孔自由出流、閘孔淹沒(méi)出流、堰流自由出流與堰流淹沒(méi)出流[14]。為了方便研究的進(jìn)行，將其歸為兩大類，分別為閘孔出流與堰流出流，其泄流計(jì)算公式為：

(4)

式中：Q1與Q2分別為閘孔出流與堰流出流；σs為閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)；μ0為閘孔自由出流的流量系數(shù)；n為開(kāi)閘孔數(shù)；b為每個(gè)孔的寬度；e為閘門開(kāi)啟高度；H0為行進(jìn)流速水頭的閘前水頭；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)[15]。

為了精確計(jì)算水閘泄流計(jì)算數(shù)值，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。具體如下：

閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)計(jì)算公式為：

(5)

閘孔自由出流流量系數(shù)計(jì)算公式為：

μ0=0.60-0.176(e/H0)

(6)

堰流淹沒(méi)系數(shù)計(jì)算公式為：

(7)

堰流側(cè)收縮系數(shù)與相對(duì)開(kāi)度(e/H0)具有緊密聯(lián)系。常規(guī)情況下，需要依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)進(jìn)行具體設(shè)置。

通過(guò)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了渠道引水樞紐水閘改造工程泄流的計(jì)算。通過(guò)水閘改造與公式參數(shù)精準(zhǔn)確定，極大地提升了水閘泄流計(jì)算的效率，能夠?yàn)榍酪畼屑~的發(fā)展與應(yīng)用提供幫助，也為水閘改造相關(guān)研究提供一定的理論參考[16]。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

上述過(guò)程提出了一種新的渠道引水樞紐水閘改造工程泄流計(jì)算方法，為了驗(yàn)證提出方法與現(xiàn)有方法之間的性能差異，采用Matlab軟件設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

選取某地區(qū)渠道引水樞紐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。渠道引水樞紐整體形態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 渠道引水樞紐整體形態(tài)圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象水閘底板高程為42.0 m，頂部高程為47.0 m，閘孔寬度為4.0 m。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象相關(guān)信息基礎(chǔ)上，確定水閘泄流計(jì)算公式相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象與設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行渠道引水樞紐水閘泄流計(jì)算，通過(guò)水閘泄流計(jì)算精確度與時(shí)間來(lái)顯示方法的計(jì)算效率。常規(guī)情況下，水閘泄流計(jì)算精確度越高、計(jì)算時(shí)間越短，表明方法的泄流計(jì)算效率更好，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下。

2.3.1 水閘泄流計(jì)算精確度分析

設(shè)置10種不同的情況，每種情況背景下進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取5次實(shí)驗(yàn)平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來(lái)提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性。由于篇幅的限制，此研究不對(duì)各種實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行過(guò)多的贅述。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得水閘泄流計(jì)算精確度數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 水閘泄流計(jì)算精確度數(shù)據(jù)表

由表8數(shù)據(jù)可知，提出方法水閘泄流計(jì)算精確度范圍為78.59%～90.12%，現(xiàn)有方法水閘泄流計(jì)算精確度范圍為50.11%～64.15%。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，提出方法水閘泄流計(jì)算精確度數(shù)值更高。

2.3.2 水閘泄流計(jì)算時(shí)間分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得水閘泄流計(jì)算時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 水閘泄流計(jì)算時(shí)間數(shù)據(jù)表

由表9數(shù)據(jù)可知，提出方法水閘泄流計(jì)算時(shí)間范圍為1.99～3.15 s，現(xiàn)有方法水閘泄流計(jì)算時(shí)間范圍為4.35～5.49 s。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，提出方法水閘泄流計(jì)算時(shí)間數(shù)值更小。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與現(xiàn)有方法相比較，提出方法水閘泄流計(jì)算精準(zhǔn)度更高，計(jì)算時(shí)間更短，表明提出方法泄流計(jì)算效率更高，充分證實(shí)了提出方法的可行性與有效性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在合理布置渠道引水樞紐基礎(chǔ)上，對(duì)水閘進(jìn)行科學(xué)、合理的改造，并提出一種新的水閘泄流計(jì)算方法，極大地提升了水閘泄流計(jì)算精準(zhǔn)度，降低了水閘泄流計(jì)算時(shí)間，整體提高了泄流計(jì)算效率，能夠?yàn)榍酪畼屑~建設(shè)與應(yīng)用提供幫助，也為泄流計(jì)算研究提供一定的參考。