淮河臨淮崗工程深孔閘過閘流量計算分析

陳富川

(安徽省臨淮崗洪水控制工程管理局,安徽 合肥 230088)

水利工程中,為了控制水位和流量,常在河道、渠道或水庫中修建水閘,利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位。閘孔出流流量的精確確定是保證工程安全運行、發(fā)揮應(yīng)有效益的關(guān)鍵。影響閘孔出流流量的因素很多,閘門類型、閘底坎形式、閘門上下游水深及其差值、出孔水流是否受下游水深影響、閘門寬度、閘門開啟度、閘上游行近段的河道形態(tài)等都將影響閘孔出流流量的大小。閘孔出流雖然有一些經(jīng)驗公式和水工模型試驗推薦的理論公式,但由于閘孔出流具有很強的三維特征,這些公式還不能完全符合所有建成后水閘的過流計算。必須對過閘流量的實際觀測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)進行對比分析,建立合適的過閘流量推算公式。王玉瓊等[1]針對胡家岸引黃水閘的過閘流量進行了計算分析;李宛東等[2]對節(jié)制閘水頭開度和過閘流量動態(tài)特性開展了分析與應(yīng)用研究。

淮河臨淮崗洪水控制工程(以下簡稱“臨淮崗工程”)位于淮河中游,該工程于2001年12月開工建設(shè),2007年6月通過竣工驗收并投入運行。臨淮崗工程是淮河防洪體系的重要工程,運行方式復(fù)雜,需要兼顧防洪保安與水資源利用兩個方面[3]。沿淮地區(qū)水資源相對缺乏,要發(fā)揮工程的綜合效益。在前期試驗性蓄水的實踐基礎(chǔ)上,臨淮崗水資源綜合利用項目被列為150項重大水利工程,列入《“十四五”水安全保障規(guī)劃》,工程實施后,按照23.00m蓄水位計算,年均可供水量約7.2億m3,將有效保障上游地區(qū)466萬人飲水安全。在《臨淮崗水資源綜合利用工程總體方案》中,推薦臨淮崗蓄水位23.00m,汛限水位采用20.50m(汛期5—9月)。為了實現(xiàn)水閘的精準調(diào)度,對臨淮崗工程各大型水閘的過閘流量進行計算分析很有必要。首先,以臨淮崗工程的深孔閘為研究對象,結(jié)合工程運行狀況,分析并確定閘孔過流流態(tài);其次,將由經(jīng)驗公式、水工模型推薦公式計算的流量與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比分析,推算出兩個公式的適用范圍;最后針對當(dāng)前深孔閘較大開度流量觀測數(shù)據(jù)不足的現(xiàn)狀,基于水閘的上下游水位、閘孔開度、開啟孔數(shù),擬合出流量系數(shù)與閘孔相對開度的關(guān)系曲線,進而擬合出水位流量參數(shù)的計算公式。經(jīng)實測數(shù)據(jù)與公式計算結(jié)果比較,驗證了計算方法具有一定的準確性,可適用于淹沒式孔流各相對開度條件下閘孔流量的監(jiān)控,初步解決了深孔閘過閘流量的計算問題。

1 工程概況

臨淮崗工程是淮河流域最大的防洪工程,是淮河中游多層次防洪體系中的關(guān)鍵性工程。臨淮崗工程由主壩、南副壩、北副壩、12孔深孔閘、49孔淺孔閘、姜唐湖進洪閘、臨淮崗船閘、城西湖船閘(現(xiàn)復(fù)線船閘)等建筑物組成[3]。工程布置見圖1。

圖1 臨淮崗工程示意圖

12孔深孔閘是臨淮崗工程主要泄水建筑物之一,為開敞式水閘,一級建筑物共12孔,主要承擔(dān)汛期洪水下泄和非汛期水位調(diào)控任務(wù),運行頻繁。根據(jù)臨淮崗工程蓄水調(diào)度方案,深孔閘上蓄水位范圍為20.50～23.00m。非汛期和中小洪水時,按照蓄水方案控制壩上水位;大洪水時,下閘控泄,與臨淮崗工程其他泄水建筑物一起控制淮河干流下泄流量[3]。目前,多采用閘門流量經(jīng)驗公式粗算流量,為了實現(xiàn)水閘的精準調(diào)度,通過水力學(xué)方法來對深孔閘過閘流量進行計算分析很有必要。

2 水力學(xué)模型

2.1 流態(tài)分析

過閘水流分為堰流和閘孔出流(簡稱“孔流”)。當(dāng)閘門開度e較大時,閘門下緣離開水面,對水流控制不起作用時,為堰流;當(dāng)閘門位啟出水面,水流受閘門開度影響時,為孔流。一般由下面經(jīng)驗公式判別閘孔流出方式:

式中:e為閘門開啟高度,m;H為閘前總水頭,m;e/H稱為水閘的相對開度[1]。

基于近幾年非汛期和中小洪水時深孔閘歷史觀測數(shù)據(jù),閘前水頭常年維持在7.50～8.00m,閘門開啟高度一般在0.5～1.5m,不超過2m,水閘相對開度遠小于0.65,深孔閘屬于典型的平底閘孔流形態(tài)[4]。根據(jù)出流流態(tài)是否受下游水位影響,孔流又分為自由孔流和淹沒孔流。當(dāng)下游水位較低使閘孔下游發(fā)生遠驅(qū)水躍、下游水位不影響閘孔過流時,稱為自由孔流;當(dāng)下游水位較高使閘孔下游發(fā)生淹沒水躍、下游水位影響閘孔過流時,稱為淹沒孔流[1],見圖2。

圖2 自由孔流與淹沒孔流示意圖

工程建成后,深孔閘下游常年保持在18.0m以上的水位。根據(jù)深孔閘歷史過閘水位數(shù)據(jù)估算,非汛期和中小洪水時水閘躍后水深不超過3.00m,下游水頭常年保持在3.00m以上,屬于平底閘淹沒孔流。由于工程建成后,淮河僅發(fā)生過2007年、2020年兩次流域性大的洪水過程,閘門敞泄洪水,下游水位較高,深孔閘下游常年保持在18.00m以上的水位,不存在發(fā)生自由堰流的狀況。其他汛期、水情較大的時候,存在閘門提出水面的情況,深孔閘出現(xiàn)過淹沒堰流的流態(tài)。因此,深孔閘中高水時發(fā)生淹沒式堰流,大部分時間流態(tài)為淹沒式孔流,過閘流量主要受水閘上下游水位、閘門開啟孔數(shù)及開啟高度影響[1]。

2.2 淹沒孔流水力學(xué)模型

利用水力學(xué)公式建模推算過閘流量,建立合適的數(shù)學(xué)模型和流量參數(shù),只需記錄水位數(shù)據(jù)、閘門開啟高度信息等,即可實現(xiàn)過閘流量的快速準確推算。根據(jù)《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》(SL 537—2011),目前,深孔閘采用上、下游水位差為淹沒孔流的流量計算公式:

(1)

式中:Q為過閘流量,m3/s;μ1為淹沒孔流流量系數(shù)(以下簡稱“流量系數(shù)”);n為閘孔開啟數(shù);b為閘孔凈寬度,m;e為閘門開啟高度,m;g為重力加速度,m/s2;ΔZ為上、下游水位差,m;H為上游水頭。

根據(jù)淮河淮濱—蚌埠段防洪規(guī)劃洪水演進數(shù)學(xué)模型、臨淮崗樞紐整體水工模型試驗研究及安徽省類似平底閘試驗資料,推薦深孔閘孔流過流時流量公式為

(2)

K=1.0021(e/h2)2-0.2151(e/h2)+0.6775

(3)

式中:K為淹沒孔流綜合流量系數(shù);h1為上游水深,m;h2為下游水深,m。

2.3 數(shù)據(jù)對比分析

深孔閘在實際水位調(diào)控過程中,只啟閉部分閘孔閘門。因此,實測流量時,選擇在深孔閘全部開啟和臨淮崗船閘、城西湖退水閘關(guān)閉期間,減少了測量的數(shù)據(jù)誤差。表1給出了深孔閘日常觀測到的一組物理量數(shù)據(jù),包括開啟閘孔數(shù)量、閘門開啟高度、上游水位、下游水位、瞬時流量等實測數(shù)據(jù),以及用經(jīng)驗公式及模型試驗推薦公式計算的流量數(shù)據(jù),并進行了對比分析。

表1 實測流量與計算流量對比分析

深孔閘實測流量與計算流量相對比除了水文測驗本身的誤差外,主要還有水位觀測位置不當(dāng)、忽略行近流速水頭的影響、閘門開啟高度精度不高等方面的原因[5]。除了上、下游水位和開啟高度外,以相對開度e/H為參變數(shù)也有較大影響。當(dāng)e/H≤0.3時,深孔閘保持小流量下泄。經(jīng)驗公式、模型試驗推薦公式計算的流量數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)對比,誤差率一般都在7%以下,兩個公式中的流量系數(shù)曲線較好地反映了流量系數(shù)和各自相對開度之間的函數(shù)關(guān)系,驗證了該數(shù)學(xué)模型的準確性。兩個公式用于推求深孔閘小開度下淹沒孔流流量,方法簡單,精度較高,設(shè)計的控泄方案也較為可靠。當(dāng)e/H≥0.3時,經(jīng)驗公式、模型試驗推薦公式計算的流量數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)對比,有相當(dāng)一部分數(shù)據(jù)誤差率都在10%以上,此時,不宜采用兩個公式來計算。

3 流量系數(shù)曲線

3.1 實測流量數(shù)據(jù)關(guān)系分析

根據(jù)深孔閘淹沒孔流歷史觀測資料,可由下式求出流量系數(shù)μ1:

(4)

得到一組流量系數(shù)與相對開度的工況數(shù)據(jù),以μ1-e/H建立相關(guān)關(guān)系圖。深孔閘在淹沒孔流流態(tài)下,由于受到閘門開啟高度影響,收集到的相對開度較大的數(shù)據(jù)較少,因此關(guān)系曲線點據(jù)下部密集,上部稀少,點據(jù)分布極不均勻。在相對開度(e/H)較小開度區(qū)間,去掉偏差過大明顯失真的坐標點,流量系數(shù)與相對開度總體呈相關(guān)趨勢;相對開度(e/H)處于較大開度區(qū)間的觀測數(shù)據(jù)還比較少,相關(guān)關(guān)系并不理想,部分點與點之間關(guān)系散亂,無法進行特征分析,無法得到比較穩(wěn)定的流量系數(shù)關(guān)系。

3.2 流量系數(shù)率定分析

水工建筑物測流包括建立關(guān)系曲線、流量系數(shù)率定及推流等階段,實測通過堰閘的流量、水位和閘孔的開啟度,然后計算出相應(yīng)的系數(shù)和繪制關(guān)系曲線[6]。由于深孔閘在相對開度較大區(qū)間的流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系不佳,淹沒孔流流量系數(shù)的率定比較困難。

隨著計算機模擬技術(shù)的普及,關(guān)系曲線法計算變得簡便,適用性強。水工模型推薦公式的深孔閘淹沒孔流綜合流量系數(shù)采用二階多項式,為解決深孔閘流量系數(shù)與相對開度直接擬合難以保證準確性的問題,采取二階多項式擬合深孔閘流量系數(shù)曲線。根據(jù)實測數(shù)據(jù)的對比分析,本文采用的具體方法為:當(dāng)閘門相對開度e/H≤0.3時,采用式(3)計算出推薦的綜合流量系數(shù)數(shù)據(jù);當(dāng)閘門相對開度0.3≤e/H≤0.65時,根據(jù)實測流量利用式(2)計算出實測綜合流量系數(shù)數(shù)據(jù)。結(jié)合與閘門相對開度e/H的相對比值,對得到的兩種綜合流量系數(shù)的區(qū)間進行內(nèi)插,得到一組新的綜合流量系數(shù)數(shù)據(jù)。然后再對新的綜合流量系數(shù)數(shù)據(jù)進行擬合,繪制成μ1-e/h2關(guān)系曲線,從而推算出淹沒孔流e/H≤0.65時的流量系數(shù)與相對開度的函數(shù)關(guān)系,見圖3。

圖3 深孔閘淹沒孔流閘門相對開度與流量系數(shù)擬合曲線

從二階多項式擬合的結(jié)果可以看出,深孔閘大部分時間保持小流量泄流,過流情況較為簡單,流量系數(shù)與相對開度關(guān)系曲線總體為一條弧度較小的曲線,相關(guān)度為0.99,較好地反映了流量系數(shù)和相對開度之間的函數(shù)關(guān)系。所以本文采用二階多項式曲線表征流量系數(shù)與相對開度的函數(shù)關(guān)系,即y=0.4733x2-0.014x+0.661,R2=0.9912。

4 數(shù)學(xué)模型驗證

通過近幾年的流量資料分析可以看出,深孔閘淹沒孔流線目前還不太穩(wěn)定,受工程水情調(diào)度的限制,在實測資料中較大開度測點較少,大部分測點位于關(guān)系曲線的中下部。過程流量測次分布不均,關(guān)系點陣的密集度還不夠完善,趨勢線的代表性還略有不足,淹沒孔流系數(shù)線尚不穩(wěn)定[7]。選取23組實測數(shù)據(jù),利用擬合后的流量系數(shù)計算過閘流量并與實測流量進行比較。計算結(jié)果表明,在閘門相對開度較小及閘門相對開度較大兩種情況下,計算的過閘流量值與實測值相對誤差絕大部分在10%以內(nèi),且精度與推薦公式計算的結(jié)果相比較高,驗證了該數(shù)學(xué)模型具有一定的準確性,見表2。目前情況下,可以作為水閘流量計算的參考依據(jù)。

表2 實測流量與推薦公式和擬合公式計算流量對比分析

同時,隨著工程的持續(xù)運行和水情觀測數(shù)據(jù)的不斷豐富,通過對觀測樣本數(shù)據(jù)的深入優(yōu)化篩選,進行關(guān)系曲線擬合,深孔閘過流流量系數(shù)的率定精度將會得到進一步提升。為了驗證測點與關(guān)系線的擬合情況,要根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)要求,對關(guān)系線分別進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗。經(jīng)過計算分析,符號檢驗、適線檢驗、偏離檢驗[8]的三項檢驗合格后,流量系數(shù)的率定精度即能滿足水閘運行的需要,可以作為工程管理調(diào)度的依據(jù)。

5 結(jié) 論

過閘流量計算是水閘管理工作中的一項重要內(nèi)容,對水閘的精準調(diào)度和科學(xué)管理具有重要意義[9]。本文在闡述通過水力學(xué)方法來對臨淮崗工程深孔閘過閘流量進行計算分析的必要性基礎(chǔ)上,分析并確定了過閘流態(tài),推算出流量計算經(jīng)驗公式、水工模型推薦公式的適用范圍,根據(jù)目前觀測的流量數(shù)據(jù),采用二階多項式進行曲線擬合,推算出流量系數(shù)與相對開度的函數(shù)關(guān)系,初步解決了過閘流量計算問題,為水閘精準調(diào)度提供了依據(jù),并提出了建議。主要研究結(jié)論如下:

a.結(jié)合工程運行狀況,分析并確定深孔閘過閘流態(tài)為中高水時發(fā)生淹沒式堰流,其他大部分時間流態(tài)為淹沒式孔流。

b.通過流量數(shù)據(jù)對比分析,推算出流量計算經(jīng)驗公式、水工模型推薦公式適用于閘門相對開度較小的狀態(tài)。

c.針對當(dāng)前深孔閘較大開度流量觀測數(shù)據(jù)不足的現(xiàn)狀,對實測綜合流量系數(shù)與推薦綜合流量系數(shù)的數(shù)據(jù)進行內(nèi)插,采用二階多項式進行曲線擬合,推算出流量系數(shù)與相對開度的函數(shù)關(guān)系,通過實測數(shù)據(jù)與擬合公式計算結(jié)果比較,驗證了計算方法具有一定的準確性,目前情況下可適用于各相對開度條件下閘孔流量的監(jiān)控,初步解決了過閘流量計算問題,為水閘精準調(diào)度提供了依據(jù)。

d.由于受觀測資料系列較短、觀測手段匱乏等制約,流量系數(shù)尚未圓滿解決,如何進一步提高較大開度下淹沒孔流流量系數(shù)的擬合精度、確定深孔閘堰流過流流量及在混合開啟時各閘門的閘孔過流流量,有待于在以后的工作中作更深入的分析研究。建議在以后的調(diào)度運行中,深孔閘12孔閘門要全開且開啟高度一致,進一步加強洪水期及高水位、大開度情況下過流測驗,以獲取不同水情下的流量觀測數(shù)據(jù),提高流量系數(shù)的率定精度。