弧形閘門垂直高度與閘門開度關(guān)系的建立與應(yīng)用

李 楊

(滁州水文水資源局，安徽 滁州 239000)

0 引言

滁州市位于安徽省東部，地處江淮分水嶺地區(qū)，為解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問(wèn)題，20 世紀(jì)60、70 年代興建了大中小型水庫(kù)1032 座，其中大中型水庫(kù)53 座。近年來(lái)，水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程已陸續(xù)實(shí)施，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，大中型水庫(kù)有--座采用弧形閘門替代了傳統(tǒng)的平面閘門。水庫(kù)泄洪流量推求主要采用自由孔流e/H～M關(guān)系，因此如何準(zhǔn)確、快捷地確定弧形閘門開啟高度，滿足泄洪流量預(yù)報(bào)要求，已成為水庫(kù)防汛調(diào)度的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 不同型式閘門開度的確定方法

目前最常用的閘門有平面閘門和弧形閘門兩種。

平面閘門的擋水板是平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，門的啟閉一般都是鉛直升降，閘門垂直高度等于閘門開度，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。

弧形閘門的擋水板是圓弧面，弧形閘門相對(duì)于傳統(tǒng)的平面閘門，閘門開啟高度計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，門的啟閉是繞著固定水平鉸軸旋動(dòng)，由于弧形閘門的特殊性，閘門垂直高度一般不等于閘門開度。目前現(xiàn)有的閘門開度計(jì)算，利用測(cè)量角度值的方法計(jì)算閘門開度值，這種方法存在測(cè)量和操作麻煩的情況，給工程調(diào)度、防洪預(yù)報(bào)等帶來(lái)諸多不便。

2 弧形閘門開啟高度的計(jì)算方法

弧形閘門若不能方便地觀測(cè)到閘門開啟移動(dòng)的角度，可選取若干個(gè)角度值，分別計(jì)算閘門開啟高度和閘門頂移動(dòng)的垂直高度，并點(diǎn)繪兩者的關(guān)系線，從線上查出閘門開啟高度為0.1、0.2……m時(shí)相應(yīng)的閘門頂移動(dòng)的垂直高度見圖1。

圖1 弧形閘門示意圖

閘門頂移動(dòng)的垂直高度可按下式計(jì)算:

式中:e'為弧形閘門頂移動(dòng)的垂直高度，m;R為弧形閘門門臂長(zhǎng)，m;a為弧形閘門移動(dòng)角度，(°);Φ'為開閘時(shí)閘門頂至弧形連線與水平線的夾角，(°)，可從設(shè)計(jì)圖上量得。

弧形閘門開啟高度可按下式計(jì)算:

式中:e為弧形閘門開啟高度，m;R為弧形閘門門臂長(zhǎng)，m;為弧形閘門移動(dòng)角度，(°);φ為關(guān)閘時(shí)閘門底至弧形連線與水平線的夾角，(°)，可從設(shè)計(jì)圖上量得。

圖1中:AB為閘門關(guān)閉時(shí)閘門度、閘門頂?shù)奈恢?A'B'為閘門開啟時(shí)閘門度、閘門頂?shù)奈恢?e為閘門開啟高度，m;e'為閘門頂移動(dòng)的垂直高度，m。

3 應(yīng)用實(shí)例

以沙河集水庫(kù)水文站為例，沙河集水庫(kù)水文站設(shè)立于1953 年，集水面積為300 km2，為省級(jí)重要站、二類精度水文站，江淮丘陵區(qū)200 km2～500 km2代表站，搜集水文、水質(zhì)等資料，為沙河集水庫(kù)防汛、管理、調(diào)度服務(wù)。沙河集水庫(kù)溢洪道系人工開挖河道，主河槽寬約130 m，測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約200 m，測(cè)流斷面位于閘上游130 m 處，是溢洪道和非常溢洪道的總控制斷面，斷面河槽表層為砂粘土，河底約0.50 m 以下為巖石，枯水時(shí)長(zhǎng)有雜草，河床較為穩(wěn)定。泄洪閘共5 孔，每孔寬10 m，弧型閘門，底部為寬頂堰，堰頂高程33.00 m，閘門門臂長(zhǎng)9.6 m。主河槽左側(cè)與泄洪閘平齊處建有200 m 長(zhǎng)、平均高程為42.58 m 的非常溢洪道。

3.1 實(shí)測(cè)流量資料

沙河集水庫(kù)溢洪道測(cè)流斷面2021 年收集了8 份實(shí)測(cè)流量資料，見表1。

表1 沙河集沙河集水庫(kù)溢洪道測(cè)流斷面實(shí)測(cè)流量

3.2 關(guān)系建立的應(yīng)用

3.2.1求垂直高度

采用式(1)計(jì)算: = 5°，φ'= 0°(從設(shè)計(jì)圖紙上量得)，同理計(jì)算其它角度，結(jié)果見表2。

3.2.2求閘門開度e

采用式(2)計(jì)算: = 5°，φ'= 56.4°(從設(shè)計(jì)圖紙上量得)，同理計(jì)算其它角度，結(jié)果見表2。

3.2.3建立與e的關(guān)系

用閘門頂移動(dòng)的垂直高度e'和閘門開啟高度e'的數(shù)據(jù)見表2，點(diǎn)繪兩者關(guān)系線(縱坐標(biāo)為e'，橫坐標(biāo)為e)，沙河集弧形閘門垂直高度與閘門開度曲線關(guān)系圖見圖2。

表2 沙河集弧形閘門開度推算表

圖2 沙河集弧形閘門垂直高度與開度曲線關(guān)系圖

3.3 驗(yàn)證分析

3.3.1利用Auto CAD 繪圖驗(yàn)證分析

弧形閘門支臂的支承餃位于圓心，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)用Auto CAD 軟件繪制沙河集水庫(kù)泄洪閘工作閘門及啟閉機(jī)布置圖，還原弧形閘門啟閉時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在CAD 圖中以圓心為固定點(diǎn)分別按1°、2°……10°順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并量取閘門各個(gè)角度前后的垂直高度、開度和弧度的數(shù)據(jù)見表3。

表3 沙河集弧形閘門開度查線數(shù)據(jù)與圖紙數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 沙河集弧形閘門查線開度與實(shí)測(cè)開度關(guān)系圖

沙河集弧形閘門開度在Auto CAD 中驗(yàn)證分析的兩種方法，一種方法是驗(yàn)證分析閘門的垂直高度與閘門運(yùn)行弧長(zhǎng)關(guān)系，另一種是驗(yàn)證分析查線閘門開度與實(shí)測(cè)閘門開度關(guān)系見圖4，兩種方法的差值都在1 cm 以內(nèi)，在實(shí)際工作中較難操作，故忽略不計(jì)。弧形閘門開度在0～1.04 m 之間這個(gè)范圍內(nèi)，閘門運(yùn)行弧長(zhǎng)可代替閘門的垂直高度，e'與e的關(guān)系曲線精度高，誤差小，成果符合客觀實(shí)際，可靠性高。

3.3.2實(shí)測(cè)流量驗(yàn)證分析

自由孔流e/H～M關(guān)系在堰閘關(guān)系推流中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，閘門開啟高度的確定是該關(guān)系應(yīng)用精度的主要影響要素。根據(jù)2021 年沙河集水庫(kù)溢洪道測(cè)流斷面共收集8 份實(shí)測(cè)流量資料見表4，實(shí)測(cè)流量變幅為29.6 m3/s～156 m3/s，閘門開度變幅為0.14 m～0.34 m，實(shí)測(cè)流量經(jīng)水文資料整編，代表性好，可靠性高，滿足驗(yàn)證分析要求。

表4 沙河集水利工程調(diào)度與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比表

列公式對(duì)工程調(diào)度流量和查線流量進(jìn)行誤差計(jì)算。

式中:σ 為相對(duì)誤差，%;Q1為工程調(diào)度流量，m3/s;Q2為查線流量，m3/s。

由表4 可見，驗(yàn)證了8 次流量，其中3 次相對(duì)誤差大于5%;5 次相對(duì)誤差小于5%，目前e/H～M關(guān)系在理論試驗(yàn)階段，流量很小時(shí)可適當(dāng)放寬。按照水利工程調(diào)度流量，確定閘門開度，反推閘門垂直高度經(jīng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)一致。該站防汛工程調(diào)度任務(wù)量重，流量測(cè)驗(yàn)工作量大，測(cè)流歷時(shí)長(zhǎng)。弧形閘門開啟高度理論計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用不方便，需要尋求一種快速、便捷、精度可控的一種解決途徑或方法。閘門開度的確定，利用自由孔流e/H～M關(guān)系推流可以減輕該站防汛工程調(diào)度流量測(cè)驗(yàn)工作量，縮短防汛工程調(diào)度的測(cè)報(bào)歷時(shí)。

4 結(jié)論

本次通過(guò)對(duì)弧形閘門垂直高度與開度關(guān)系曲線的驗(yàn)證分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)根據(jù)沙河集水庫(kù)水文站弧形閘門垂直高度與開度關(guān)系曲線成果驗(yàn)證分析，在閘門開度0～1.04 m 這個(gè)范圍內(nèi)，應(yīng)用便捷、精度可靠、關(guān)系穩(wěn)定，具有普適性，值得推廣和應(yīng)用各弧形閘門，為泄洪流量預(yù)報(bào)、應(yīng)急報(bào)汛及工程調(diào)度提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

(2)開啟度數(shù)量級(jí)受限，數(shù)據(jù)點(diǎn)不足。由于缺乏閘門開度在1.04 m 以上的實(shí)測(cè)資料，這方面的研究有待于進(jìn)一步探討。