平原區中小型水閘過閘流量推求方案分析

2011-08-13 07:37:10孟健

黑龍江水利科技 2011年6期

孟健

(杭州水文水資源監測總站，杭州310016)

杭州市位于浙江省西北部，地處浙西丘陵與浙北平原之間的過渡區，東北部屬浙北平原區，涵蓋了杭嘉湖平原、蕭紹平原的相當部分。區內河湖縱橫，水面率較高，中小型水閘隨處可見，分布數量相當可觀。與此同時，多數在用水閘修建年代較早，缺少科學合理的過閘流量推求方案，調度方式簡單粗放。在已開展的平原區水文巡測工作中，通過對過閘流量的實測資料進行分析，結合水閘自身特性，利用水力學理論，制定出符合水閘實際使用情況的過閘流量推求方案，為水閘科學調度提供依據。

1 原理

閘孔出流是指閘門建在寬頂堰或實用堰上的出流問題[1]。平原區河道內閘門大多建在寬頂堰式的底坎上。影響水閘過閘流量的因素包括閘上、下游水位、底坎和閘門的形式與尺寸、閘門開度等，出流的計算方法復雜而多變。

1.1 寬頂堰的流量公式

寬頂堰出流綜合計算公式為:

式中:Q為寬頂堰的流量，m3/s;C為綜合流量系數;B為堰寬，m;H為堰上水頭，m。

寬頂堰出流分為自由出流與淹沒出流，根據實驗，寬頂堰的淹沒條件為:

式中:hs為下游水位到堰頂的高度。

1.2 閘孔出流

閘孔出流有自由出流與淹沒出流兩種方式，相對應的出流公式分別為:

式中:M為自由孔流綜合流量系數;H－ht為上、下游水頭差，m;μ為淹沒出流系數。

2 方案編制步驟

2.1 資料收集

收集閘門相關的資料，包括閘門的位置、類型、尺寸、底坎的高程等。了解閘門所控制河段的相關情況，對可能出現的閘門調度方式做概括。

在做好上述工作之后，組織對閘門不同調度方式下的過閘流量進行實測。所取得的實測資料應盡可能涵蓋閘門所有的出流方式，為后期分析計算做準備。在進行流量測驗的同時，對閘門開度、上下游水位等要素進行觀測并做好記錄。測驗結束后，對實測資料進行整理。

2.2 分析計算

依據上文所述水力學公式，對所得資料進行初步分析，判別閘門的各種出流方式。在此基礎上，對不同出流方式進行歸納，分別計算出推流所用的各項系數。

2.3 編制推流方案

依據所求各項系數，參照閘門的調度方式，提供出閘門出流方式的判別方法，計算出各種出流方式下具有代表性的過閘流量。根據計算所得，編制出相應的流量查驗工作曲線，必要時制作與之對應的查詢表格，方便基層工作者使用。

2.4 成果評價

通過以上步驟，便已基本完成了過閘流量推求方案的編制，接下來需要對成果的可靠性與精度進行分析與評定。依據規范，流量系數關系線應進行符號、適線、偏離數值與t檢驗，編制方案時t檢驗可省略[2]。測次較少時，可參照上述方法直接對流量成果做3項檢驗。通過檢驗后，進行隨機不確定度的計算，依據計算成果做精度評定，分析影響過閘流量推求精度的因素，以便在實際操作中注意與改善。

3 應用實例

3.1 設計資料收集與流量測驗

東風閘位于上塘河杭州與嘉興交界處的河道斷面上，屬小(2)型水閘。閘門由南北兩孔與中孔組成，邊孔閘門尺寸均為3.20 m×1.00 m，底坎高程2.33 m;中孔閘門尺寸為5.80 m×2.95 m，底坎高程0.38 m;閘頂高程均為3.33 m。

由于所處平原區河道水位變幅有限，閘上、下游水位分別穩定在3.0～3.5 m與2.2～3.0 m。通過對閘門不同啟閉狀態下的過閘流量進行實測，共獲取14份可用于分析的流量資料，具體可參見表1。實測流量在3.69～12.5 m3/s，測流期間上、下游水位變幅分別為0.28 m與0.15 m。

3.2 分類率定流量系數

依據閘門出流類型的判別方法進行分析可知:此閘門在一般情況下，邊孔閘門出流方式有自由孔流、淹沒孔流與自由堰流3種，中孔閘門有淹沒孔流與淹沒堰流兩種。其中，邊孔淹沒孔流出現幾率較少，未有實測數據，淹沒出流系數可按0.65計算。其他出流方式均有實測數據。具體實測數據及相應出流類型見表1。依據水力學公式進行反算，對各種不同出流方式所對應的流量系數成果進行歸納，分別取其均值作為最終流量系數成果，率定成果見表1。

對于邊、中孔同開的情況，可探求邊孔對中孔出流的影響因素系數ε，根據實測資料對影響系數ε做合理率定，合成流量計算式為: