泄洪閘閘底板相對高差影響泄流能力的研究

□饒丘慧（烏魯木齊市水務工程建設質量監督站）

泄洪閘閘底板相對高差影響泄流能力的研究

□饒丘慧（烏魯木齊市水務工程建設質量監督站）

泄流能力與閘壩綜合消能是關系泄洪閘樞紐作用能否發揮的重要方面，且泄洪閘閘底板上下游河床高差的不同對其泄流能力存在很大影響。文章通過甘泉堡防洪工程泄洪閘樞紐的模型試驗，對閘底板上下游高差的不同值影響泄流能力進行了研究，并利用水槽試驗對影響泄流能力的可能原因進行分析，推求出流量系數計算的經驗公式，并通過對工程泄洪閘泄流能力的計算與誤差分析驗證了公式的正確性與適用性。

泄洪閘，相對高差，泄流能力，堰流公式

1 工程實例

1.1 工程概況

甘泉堡防洪工程位于米東區東部，G216和吐烏大高等級公路以北，東接阜康市準東石油基地，西鄰米東區三道壩鎮和五家渠市產業園區，區域約2/3在米東區境內，1/3在阜康境內，距阜康市境內準東油田指揮部約2 km，距阜康城西北10 km，緊鄰阜北農場公路，交通十分便利。西距兵團農五師五家渠市22 km，距米泉三道壩鎮16 km，距烏魯木齊市40 km。

1.2 泄洪閘基本情況

本次設計結合地形圖，設計泄洪閘閘孔尺寸根據計算及定型閘門尺寸取整，最終定為：分洪閘為N=1孔，每孔凈寬為B分洪=6.00 m；泄洪閘為N=6孔，每孔凈寬B泄洪=6.00 m，通過平面布置，黑溝河泄洪閘總寬42 m。泄洪閘閘頂高程不應低于設計洪水位（或校核洪水位）與相應安全超高值之和。安全超高下限值，設計洪水位時為0.70 m，校核洪水位時為0.50 m。且閘頂交通橋梁底高程應高出最高洪水位0.50 m。

2 淹沒度影響泄流能力

防洪工程擋水建筑物多采用全閘設計或泄洪閘+溢流壩設計方案，在任何一種布設方式下，為減少泄流要求并降低工程造價，均需減少閘孔數或縮減泄流寬度。低閘樞紐由于具有較低的閘底板以及較低的溢流堰頂高程，所以其泄洪淹沒度較大，很難準確計算其泄流能力，因而寬頂堰流公式存在一定誤差，分析如下。

其中，Q——流量（m3/s）；B——堰寬（m）；hs——超過堰頂的水深（m）；H——堰上水頭（m）；H0——堰上總水頭（m）；m——流量系數；σs——淹沒系數。

圖1 淹沒系數σs和淹沒程度hs/H0的關系曲線圖

通過繪制淹沒系數σs和淹沒程度hs/H0的關系曲線可知（圖1），隨著淹沒程度的不斷增加，淹沒系數隨之減小，曲線在開始之初變化較為平緩，但當hs/H0超過0.80后，曲線逐漸開始變得陡峭，淹沒系數快速下降，取值愈加不穩定。其余假設條件不變，令σs所可能誤差為△σs，由堰流公式（1）便可推求出流量與水位變量誤差的相對值：

其余假設不變時，當淹沒度誤差△hs/H0=0.01時，便可根據圖1和式（4）～（5）求得淹沒系數、流量與水位誤差的相對值。根據表1，泄洪閘或溢流壩的淹沒度hs/H0超過0.85后，淹沒系數取值快速下降，而當淹沒度計算過程中出現微小偏差，則淹沒系數變化幅度較大，所以利用式（1）所求得的既定流量下的壩前水位誤差較大。

表1 淹沒系數、流量與堰上水頭誤差的相對值表

通過堰流公式計算并利用淹沒系數σs和淹沒程度hs/H0的關系表明，淹沒度較高的泄洪閘泄流能力的計算誤差較大，必須利用模型試驗進一步確定誤差的準確性，實現合理確定閘孔數和溢流寬度的理想目標。

3 閘底板相對高差影響泄流能力

本工程泄洪閘建設中，對現狀河床地形條件等的調查較為充分，且為提高閘室泄洪能力并降低閘前水位將閘底板布設在比上下游河床平均高程較低的位置，以期實現降低淹沒損失的目標，這種設計泄洪效果較差，為了進一步研究閘底板高差對泄洪能力所可能的影響，必須進行專門的水槽試驗。

3.1 試驗設計

在長×寬×高為35 m×2 m×2 m的玻璃水槽中利用矩形薄壁量水堰進行流量控制，并以甘泉堡防洪工程泄洪閘為原型資料驗證泄洪閘上下游河床地形情況對閘室泄洪能力所可能造成的影響，并按照1∶50的幾何比尺寸進行玻璃水槽中泄洪閘閘墩與堰型的設計，模型閘墩寬為8.50 cm，閘孔寬28.50 cm，閘底板長度為60.80 cm，對兩個全閘孔和左右兩個半閘孔的泄流情況進行模擬。

試驗中分別選定不同的上游河床高度，對五級流量泄流情況進行實測，并對上游河床高程與閘底板高程一致時下游河床高程降低對泄流能力所可能造成的影響進行測定，結果表明，當上下游河床高差改變時，閘底板水平段的長度始終保持一致。

3.2 試驗成果分析

根據試驗過程及結果，下游河床高程的降低并不會對泄流能力造成明顯影響，原因在于實驗條件下自由出流或淹沒度出流受到控制，且當上游河床超過閘底板高程時流量系數影響效果更明顯。試驗流量范圍下，假設河床高程不變，隨著相對水頭的增大流量系數隨之增大，且相對高差越大則上游河床越低，閘孔過流能力越強，流量系數越大。

3.3 經驗公式算例

以甘泉堡防洪工程泄洪閘試驗資料為依據，該泄洪閘閘底板高程最初設計值較低，導致泄洪閘泄流能力低于設計計算值。根據上游河床地形的高差值對流量系數影響的經驗公式（6），計算各級流量下的流量系數，甘泉堡防洪工程泄洪樞紐平均高差為3 m，閘室長為30 m，代入公式為：

計算結果詳見表2，通過經驗公式所計算的流量系數值與利用堰流公式所計算的流量系數之的偏差絕對值小＜5%，表明公式（6）更加切合工程實際且適應性較強。

表2 經驗公式流量系數計算值與堰流公式計算值的比較表

4 結論

通過以上試驗表明，泄洪閘樞紐流量系數與相對高差和相對水頭呈正向變動關系，并驗證了不同流量細數下泄洪閘泄流能力的具體計算，本實驗基于自由出流與低淹沒度等條件，當逐步放寬這些假設條件且上游河床與閘底板對泄流能力的影響并未考慮在內，且利用經驗公式所計算的流量系數值與利用堰流公式所計算的流量系數值基本一致，文章的計算結果對于類似工程具有普遍適用性。

［1］李松平，趙玉良，趙雪萍，河口村水庫泄洪洞水工模型試驗研究［J］，人民黃河，2015（1）：119-120.

［2］郭園，程永光，李國棟，泄洪閘三維流態CFD優化分析［J］，武漢大學學報（工學版），2012（4）：182-186.收稿日期：2017-05-12

編輯：劉長垠韋詩佳

TV132

：A

：1673-8853（2017）08-00070-02

饒丘慧（1979.12.23—），男，工程師，主要從事水利工程質量監督工作。