崗南水庫正常溢洪道泄量曲線修訂及問題分析
2018-12-31 00:00:00高軍平劉建霞
水能經濟 2018年10期
【摘要】崗南水庫正常溢洪道：初建于1960年，為河岸開敞式溢流堰，共4孔閘門，每孔凈寬12米，安設12×12.3米弧形鋼閘門，先后經過初建、續建、改造等幾個階段，特別是在2003—2008年崗南水庫實施了除險加固工程建設。工程建設竣工后水庫工程設施發生了很大的變化，加固以后，原來的泄量曲線已經不能滿足目前的運用，此論文利用水力學公式對正常溢洪道進行重新計算，并對在計算中出現的問題進行分析，從而求出一個更具準確性和完整性的結果。
【關鍵詞】泄量曲線計算修正；堰流；閘孔出流；結果分析
1、崗南水庫正常溢洪道概況
崗南水庫正常溢洪道修建于1960年，位于水庫左岸0號副壩處，為河岸開敞式溢流堰，共4孔閘門，每孔凈寬12米，安設12×12.3米弧形鋼閘門，堰型為駝峰堰，堰頂高程191.0米，最大泄量6640m3/s。由于正常溢洪道閘室基礎后部有軟弱夾泥層，1989年8月對正常溢洪道進行了加固，拆除舊挑坎并延長陡坡段140米。2001年崗南水庫實施了正常溢洪道改建工程，改建了啟閉機室，更新了啟閉機，同時對工程區內的變配電設施進行了全面的更新改造。2003—2008年崗南水庫除險加固工程，對4孔弧形閘門和埋件進行了更新改造。
2、泄量曲線計算修正原因
崗南水庫在修建的過程中，由于受當時社會環境的影響，工程基本上是邊設計邊施工。正常溢洪道在經過初建、續建、改造等幾個階段，特別是2003—2008年崗南水庫實施了除險加固工程竣工后水庫設施發生了很大的變化，水庫大壩高程由原來的209m加高到210.5 m，庫容由原來的15.71億m3，增大到17.01億m3，水庫的特征值相應也發生了一些變化；而現在所用的泄量曲線依舊是初建時計算，最高水位為209m對應的泄量。加固以后校核洪水位為209.59m，水位泄量曲線表中查詢不到水位210m時的泄量；且水庫庫水位是以 “米” 為單位，水位中相對應的每米之間的泄量是通過直線形式內插計算而得，這樣得到的泄流量數據相對來說并不精確。所以，在使用時已不能完全滿足查詢及有關計算的需要。另外由于原來的計算機技術的落后，給計算帶來很大的困難，現在計算機的運用使計算更為簡單，為了更精確也更全面的的掌握正常溢洪道的泄流情況，對現有泄量曲線進行了重新計算修訂并繪制。
3、單孔閘門不同開度泄量計算分析
3.1堰型確定
崗南水庫正常溢洪道堰型為駝峰堰，1989年加固工程對
正常溢洪道溢流～挑坎曲線做了局部修改，修改后的曲線更加圓滑平順，如下圖。
如圖所示，經計算比較可知：泄水閘孔堰頂厚度在0.67H<δ<2.5H范圍內（H為堰頂水頭），因此可以確定正常溢洪道泄水閘的底檻為駝峰堰，泄量計算中所用公式為克—奧Ⅰ型堰的計算公式。
3.2出流分析
由閘門啟閉泄流過程可知：閘門提起初始時，出流為閘孔出流，當閘門開度e逐漸增大到一定程度時，閘門底邊緣與堰頂水面脫離，水流逐漸地變為堰流；相反，在堰流情況下，當閘門關閉到一定開度時，閘門底邊緣接觸水面，約束了過堰水流，此時水流逐漸轉變為閘孔出流，查《水力學計算手冊》可知：閘底坎為曲線型堰時，當e/H≤0.75時水流為閘孔出流，當e/H>0.75時水流為堰流（e為開度，H為堰上水頭）。由于正常溢洪道堰上水頭為192m～210 m，相對于堰底高程191 m的最大水頭為19 m，而閘門開度可由0 m逐漸提高到19 m，因此，正常溢洪道在泄流過程中既存在閘孔出流，又存在堰流。
3.3公式選用
由3.2分析可知，正常溢洪道泄流過程中既存在閘孔出流，又存在堰流，因此在泄流計算中應該分別選用各自公式。
3.3.1堰流計算按駝峰堰計算公式
參考《水力學》一書中流量公式確定
①查《水力學》河海大學成教院P36可知，在考慮下游淹沒影響及側收縮的影響，堰流基本公式為：
（1-1）
ξ—側收縮系數
σ—淹沒系數
m—自由溢流的流量系數
b—每孔凈寬
H0—包括行近流速的堰前水頭
② 側收縮系數σ1的確定，查《水力學》河海大學成教院P42按常用公式計算：
σ1=1-0.2 [（n-1）ζ0+ζk] H0/（n*b） （1-2）
n—溢流孔數
b-每孔的凈寬
H0―包括行近流速的堰前水頭
閘墩系數ζ0 的確定，根據《水力學》河海大學成教院P42表8.2可知，閘墩頭部的平面形狀為半圓形，e/H>0.75條件下單孔不考慮，雙孔按0.45計算。
邊墩形狀系數ζk的確定，根據《水力學》河海大學成教院P43表8.3可知，邊墩平面形狀為圓弧形時，系數按0.7計算。
③淹沒系數σ2的確定
經分析可知：正常溢洪道提閘泄流時，水躍發生位置較遠，下游水位對過堰流量不構成影響，因此，計算時淹沒系數可以按“1”處理。
由于行近水頭比較小，可忽略不計，因此本次計算中用H代替H0，取相應的水頭進行計算。
④流量系數m的確定
正常溢洪道初建以后，在1989年續建過程中對溢流堰面～挑坎曲線進行了局部修改，使之更加圓滑平順，2001年改建加固中，堰面及底坎堰型未發生變化，故本次計算中，有關堰流部分計算的流量系數m仍然選用初建計算時的數據，采用0.42。
3.3.2閘孔出流計算公式
實用堰的閘孔出流的孔口處水流不僅在表面有垂直收縮，而且底部也有垂向收縮，實驗表明當e/H≤0.75時水正常流溢洪道出流為閘孔出流，流量公式采用：
①閘孔出流流量計算基本公式《水力計算手冊》P53
②淹沒系數σ1的確定
和堰流計算相同：正常溢洪道提閘泄流時，水躍發生位置較遠，下游水位對過堰流量不構成影響，計算時淹沒系數仍然按“1”處理。另外，在實際泄流過程中，由于行近水頭比較小，可忽略不計，因此本次計算中用H代替H0。
②流量系數μ0的確定 查《水力計算手冊》
4、計算過程及結果比較分析
4.1計算過程
本次正常溢洪道泄流曲線修訂包括單孔閘門不同開度泄量計算，雙孔閘門不同開度泄量計算及4孔閘門不同開度泄量，在計算過程中使用的公式是一樣的，所以雙孔及4孔開度的泄量公式和計算不再具體介紹。
本次所有計算數據均通過excel計算得出，在0.1
同時在使用閘孔出流公式時，原來的流量系數m0在水位為每一米時對應一個流量系數，而在此次修訂過程中對每一米之間的流量系數進行了內插，從而使計算結果更加精確和合理。
4.2計算過程中問題的分析與處理
本次計算正常溢洪道泄流曲線過程中，如果按照嚴格的理論公式來計算的話，即在e/H=0.75的臨界狀態下，e/H略小于等于0.75時對應的公式應該使用孔流公式計算，而到達e/H略大于0.75時則采用堰流公式計算結果，按照理論值應該前一個流量結果小于下一個流量結果，而此時按照計算所得結果卻出現了相反的情況，也就是統一開度情況下水位低比水位高的相對應的泄量還要小，這種情況實際上是不合理的，所以在計算過程中我們對e/H=0.75附近的計算數值進行了調整，使泄流曲線的計算結果更接近真實數據，泄量曲線的繪制相應選用修正計算中的數據結果來繪制。
4.3計算結果分析
正常溢洪道水位泄量經過重新計算和修正，達到了兩個結果：①泄量曲線由原來的最高水位209m對應的泄量提高到210m對應的泄量，使原來的泄量曲線更加完整。②在本次計算過程中將水庫水位-泄量的中水位單位精度由“米”精確到“厘米”， 提高了精度。而且在計算下泄流量時過程中，舍棄了原來的直線內插，保證每一個結果都通過公式來計算所得，提高了計算的準確度。
對本次正常溢洪道泄量曲線修訂過程中也出現的問題進行分析：①從結果來看，雙孔泄量與原有的泄量曲線是一致的。②單孔和四孔泄量曲線從計算結果上看與原來的所用的泄量曲線有些出入，當水庫在低水位泄流時用閘孔出流及堰流公式所計算的泄量與原有的水位泄量表中的結果基本吻合；當水位超過204m，開度超過6m以后，堰流公式所計算的泄量與原有的泄量結果開始出現不一致的情況，而且是隨著開度的增大，以及水位的增高，差值越來越大，由一開始相差20m3/s流量到最大差值達到500m3/s的流量，最大達到相差8%。經過分析認為出現較大差值的原因可能與所選的流量系數m有關系。通過查閱大量的檔案資料，只有在1988年修訂的曲線上查到正常溢洪道所選的m取值為固定值0.42，但是用0.42代入當時所采用堰流公式中，并不能計算得到與之相符的泄量結果。經查閱相關水力學書籍發現流量系數與水頭、堰高、總水頭、設計水頭等很多因素有關，實際泄流時，水頭超過設計水頭時，水舌與壩面輪廓脫離，脫離部分的空氣不斷被水頭帶走，形成真空，從而使有效水頭增加，這時的流量系數m就會大于設計流量系數，而且真空現象是不穩定的，經常會出現正負交替顯現的情況，從而導致流量系數的不穩定。通常在這種情況下，一般要通過水力學實驗來獲取流量系數m的取值。目前，對于已經建成多年的水庫來說，要進行這種水力學實驗還是很困難的。
5、結語
崗南水庫大壩加高后，通過對正常溢洪道泄量曲線進行修訂，提高了原有泄量曲線的完整性和精度。但是在計算過程中我們也發現了一些問題，就是堰流公式所計算的泄量與原有的泄量數值出現不一致的情況。分析認為：水力學公式中流量系數、淹沒系數及側收縮系數在不同的水利工程中很難直接確定， 而流量系數又與水頭、堰高、總水頭、設計水頭等很多因素有關，許多數據無法用理論計算來解決，有些是運用經驗值來獲得，有些只能在理論計算的基礎上根據實測結果進行率定。在以后的水庫運行過程中將根據實測結果逐步進行修正，從而得到更加完整和準確的泄量曲線。
參考文獻：
[1]李煒 水力學計算手冊 中國水利水電出版社
[2]劉潤生（主編）李家星 王培莉 水力學 河海大學成教院出版
[3]鄭文康 劉翰湘 水利學 水利電力出版社
[4]1988年崗南水庫正常溢洪道泄量曲線 河北省崗南水庫管理局檔案室
