水閘規范與水力計算手冊中弧形閘門流量計算的比較分析

周奕琦

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

弧形閘門在水閘中的應用很廣泛。由于弧形閘門沒有門槽，水力條件優于平板閘門，因而具有啟閉力小、啟閉迅速、無空蝕和振動的優點，適用于高水頭、大流量的水閘[1- 3]。由于弧形閘門多用于大型水閘，故準確計算其過閘流量有著重要的意義。

對于弧形閘門的閘孔出流流量計算，有多種計算公式，如Henry公式、日本土木學會公式、美國陸軍兵團公式等[4]。我國工程上常用的弧形閘門的閘孔出流流量公式是水力計算手冊中武水的經驗公式[5]，而現行水閘規范中的閘孔出流公式并沒有區分弧形閘門與平板閘門，只給出了一種流量計算公式[6]。直接應用水閘規范的閘孔出流計算公式來計算弧形閘門的過閘流量，與應用水力計算手冊中弧形閘門公式計算的結果相比，存在什么樣的差異，對于工程設計具有參考意義，值得進一步研究。

1 弧形閘門閘孔出流流量計算公式差異

由于水閘規范中閘孔出流流量計算公式針對的是平底閘，為了使比較的標準一致，僅針對閘底坎為寬頂堰的平底弧形閘門水閘進行比較。

1.1 水閘規范中閘孔出流公式

(1)

式中，Q—過閘流量，m3/s；μ—孔流流量系數；e—閘門開度，m；B0—閘孔總凈寬，m；H0—計入行近流速水頭的堰上水深，m；ψ—孔流流速系數；ε′—孔流垂直收縮系數；r—胸墻底圓弧半徑，m；σ′—孔流淹沒系數，需查表得到。

1.2 水力計算手冊中弧形閘門閘孔出流公式

(2)

1.3 公式差異比較

公式(1)和(2)的型式一樣，所用到的物理參數和系數也都一樣，最主要的區別就是公式中流量系數μ和淹沒系數σ′的計算方法不一樣。因此，要比較2種計算方法算出的過閘流量的差異，最主要的就是比較流量系數μ和淹沒系數σ′的差異。

2 2種計算方式流量系數的比較

2.1 比較方法

2.2 流量系數比較結果分析

圖1 2種計算方式流量系數比較結果

從圖1中可以看出以下規律：

表1 μ值相同點的表

根據以上規律，在已知弧形閘門的相對開度及弧形閘門底緣的切線和水平線的夾角后，即可判斷出用哪種方式計算的流量系數會更大。

3 2種計算方式淹沒系數的比較

3.1 比較方法

圖2 水力計算手冊淹沒系數σ′

水閘規范中σ′為孔流淹沒系數，需查表得到，見表2。

表2 水閘規范中閘孔出流淹沒系數σ′表

3.2 淹沒系數比較結果分析

為方便查找比較，將水力計算手冊中的淹沒系數σ′的圖列成表格，見表3。

表3 水力計算手冊中閘孔出流淹沒系數σ′表

表4 水閘規范計算所得閘孔出流淹沒系數σ′表

從2個表的對比可以看出以下規律：

4 2種計算方式總體比較

通過上面的分析可以看出，大部分情況下，應用水力計算手冊弧形閘門公式計算所得的流量系數μ是大于水閘規范計算所得的，只有少部分情況下手冊算得的μ是小于水閘規范的，且差距不大。而水力計算手冊查得的淹沒系數σ′均大于水閘規范，且最大差距達2倍以上。故大部分情況下，弧形閘門閘孔出流應用水力計算手冊中的方法所得的流量，是要明顯大于直接應用水閘規范中的公式計算所得的流量的；少部分情況下水力計算手冊所得的結果小于水閘規范的結果，但是兩者差距不會很大。故應用水力計算手冊計算弧形閘門的閘孔出流在大部分情況下是偏于安全的。

5 結語

以上對于弧形閘門閘孔出流流量2種計算方式的比較，是以特定的工程條件為基礎，因此得出的一些結論也是基于這些特定條件。例如并未考慮胸墻半徑的影響，因此對于帶底圓弧胸墻的弧形閘門水閘并不一定有同樣的規律；孔流流速系數ψ取為1.0，如果取值減小，應用水閘規范算得的閘孔流量會更小，使水力計算手冊計算偏安全的θ值的范圍將進一步擴大；淹沒系數主要是針對平底矩形斷面來計算的，對于非平底矩形斷面需注意適用條件。針對這些問題，后續需進行進一步研究，使得研究結果更具有普適性。