蚌埠閘12孔節制閘非汛期水閘流量計算

摘要：針對蚌埠閘12孔節制閘流量參考值較少的現狀，通過水力學計算。

關鍵詞：水力學;水閘流量;計算

1 緒論

蚌埠閘樞紐工程位于淮河中游蚌埠市，閘上流域面積12.1萬km2。為了保證蚌埠閘上沿淮及淮北平原農田灌溉、城鎮工業和居民生活用水以及船泊通航要求，非汛期蚌埠閘的控制運用以蓄水為主。目前12孔節制閘主要承擔非汛期水位調控任務，多年來僅有下游吳家渡8時流量值供參考，一旦水閘調度任務頻繁，更多時用經驗值粗算流量，本文通過水力學方法來計算12孔節制閘下泄流量。

2 工程概況

蚌埠閘樞紐工程主要由28孔節制閘、12孔節制閘、老船閘、復線船閘、水電站、分洪道等部分組成。蚌埠閘12孔節制閘為寬頂堰，底板高程9.132m，每孔凈寬10m，閘身全長144m，閘門為弧形鋼閘門，門軸高8m，弧門半徑12m。閘上設計洪水位23.22m（廢黃河高程系，下同），閘下23.10m。

3 水流狀態判斷

因本文主要探討12孔節制閘非汛期水位調控，其閘上水位18.0～18.3m，由水力學公式eH（e—閘門開度，H—堰頂算起閘前水深）堰流和閘孔出流界限值0.65，反推可知閘門開度e界限值為5.76～5.96。由蚌埠閘多年水閘實際調度資料可知，非汛期12孔節制閘水位調度時最大開度emax

SymbolcB@ 2.5，故12孔節制閘水流狀態應為閘孔出流。

4 自由出流與淹沒出流判斷

當水流行進閘孔時，在閘門的約束下流線發生急劇彎曲;出閘后流線繼續收縮，并約在閘門下游（0.5～1）e處出現水深最小的收縮斷面。收縮斷面的水深hc一般小于臨界水深hk，水流為急流狀態。而閘后的下游水深hi一般大于臨界水深hk，水流成緩流狀態。水流從急流到緩流時要發生水躍，水躍位置隨下游水深hi而變化。閘孔出流受水躍位置的影響，可分為自由出流和淹沒出流兩種。

設收縮斷面水深hc的躍后水深為共軛水深h″c。若hi

SymbolcB@ h″c則為自由出流;若hi>h″c則為淹沒出流。躍后水深可由h″c=hc21+8v2cghc-1求得，式中收縮斷面hc=e·ε，收縮斷面流速vc=με2gH，三式聯立簡化為h″c=eε21+16μ2Heε3-1。

流量系數μ與弧形閘門垂直收縮系數ε由閘門下緣切線與水平夾角a通過經驗公式和查表求得。

閘門下緣切線與水平夾角a=arccos（C-er）=arccos（8-e12）（C—門軸高，r—弧門半徑）

流量系數μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

例：已知蚌埠閘閘上水位18.41m，閘下水位13.79m，開度12×0.5，下游某水文站8時通過測流推得流量460m3/s，通過計算對比Q算、Q測、Q估。

解：（1）判斷閘孔處流還是堰流。

eH=0.518.41-9.132=0.054<0.65為閘孔出流

（2）判斷自由出流還是淹沒出流。

閘門下緣切線與水平夾角a=arccos（C-er）=arccos（8-0.512）=51.318°，查表1通過內插法求得弧形閘門垂直收縮系數ε=0.7142。

流量系數μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

=（0.97-0.81×51.318°180°）-（0.56-0.81×51.318°180°）×0.518.41-9.132=0.7213

共軛水深h″c=eε21+16μ2Heε3-1

=0.5×0.714221+16×0.72132×18.41-9.1320.5×0.71423-1

=3.503

因hi=13.79-9.132=4.658>h″c，故為淹沒出流，用式②計算流量。

（3）計算淹沒系數σs。

由潛流比hi-h″cH-h″c=13.97-9.132-3.50318.41-9.132-3.503=0.2，查表2得淹沒系數σs=0.78。

（4）計算流量。

Q算=σsμBe2gH=0.78×0.7213×12×10×0.5×2×9.8×18.41-9.132=455.2m3/s

（5）Q算、Q測、Q估對比。

Q估=neQ=12×0.5×80=480m3/s，Q算=455.2m3/s，Q測=460m3/s

明顯可見，Q估值偏大，Q算、Q測較為接近。

6 計算簡便化

在早期計算流量過程，需頻繁查表計算垂直收縮系數ε和淹沒系數σs，多有不便。經筆者在Excel中采用if命令對計算過程予以簡化，使得計算工作大為減輕，只需人工輸入上下游水位、閘門開啟孔數n及開度e即可獲得流量值，如下圖。

7 結語

在水閘自動化改造過程中，本計算方法已應用于水閘自動化監控系統，通過自動采集水位、閘門運行參數，可實時顯示蚌埠閘12孔節制閘當前下泄流量，為水閘調度運用時提供實時流量參數，保證了水閘安全運行。

參考文獻：

[1]吳持恭.水力學.高等教育出版社，2001.

[2]蚌埠閘調度運用辦法（暫行）.

[3]蚌埠閘控制運行記錄（2010～2017）.

作者簡介：路國強（1982），男，本科，工程師，主要從水閘工程管理工作。