综合流量系数在拦河闸坝泄流能力分析中的应用

苗艳丽,邱爱华

(德州市陵城区水利局,山东 德州 253500)

0 引 言

调洪工程是河道工程中的重要组成部分。通过制定合理的调洪工程方案,有利于降低洪涝对河道附近居民的威胁程度,促进对附近居民生命财产的保护[1-3]。在制定调洪工程方案时,考察河道及其周边环境的情况是必不可少的环节。在调洪工程中,拦河闸坝是一项重要的水利设施。在枯水期,能够对上游水位进行调节,使城镇、灌溉等的需水量得到满足;在洪水期,通过打开闸门,使上游水位处于警戒水位下,并使下泄流量处于下游河道安全泄量内[4]。此外,拦河闸还能对多沙河流进行排淤泄沙,使多沙河流河床的水沙处于平衡状态。因此,合理利用拦河闸坝,可以促进调洪工程、水库调度等工作的开展。

为了更好地利用拦河闸坝,许多学者对拦河闸坝的工作情况进行了相关研究。在某拦河蓄水钢闸门中,针对主梁腹板应力分布优化问题,采用闸门主梁优化方法,对主梁腹板应力分布进行了改善,并借助有限元软件进行了相关分析。结果显示,主梁优化方法能够提高闸门的性能[5]。为了测定水库闸门泄流曲线流量系数,在洪水调度资料的基础上,运用水量平衡方程进行反推,最终得到泄流曲线率定结果。结果显示,得到的率定结果准确率较高,与实际情况相符[6]。

本文以陵城区拦河闸坝为研究对象,通过流量系数法,分析其泄流能力以及总泄流与单孔泄流的关系。

1 基于综合流量系数的陵城区拦河闸坝泄流能力分析

1.1 陵城区调洪工程及拦河闸坝泄流能力分析法

在河道工程中,防洪是重要的环节。掌握河道及其周边环境情况,有利于防洪工作的开展。以陵城区为例,其隶属于山东省德州市辖区,南连平原县,北靠宁津县,东接临邑县、乐陵市,西与德州经济开发区相邻。地势由西南向东北倾斜,呈西高东低之势。全区地貌类型划分为三大类。即马西漫滩高地、北缓平坡地;陵中槽状洼地形;陵东扇形高地形。境内有马颊河、德惠新河2条干流及23条支流河道,总长度442.57km。其中,马颊河、德惠新河、笃马河、朱家河、禹临河为主要河道。境内有区管水闸70座。对于陵城区而言,涝灾是其自然灾害之一,在以往的年份中出现的次数较为频繁,导致河道附近的村镇受到不同程度的损害。

针对这种情况,水利主管部门建立了相关调洪工程。在调度过程中,遵循两个原则,即汛期水库调度运用原则、拦河闸坝调度运用原则。在汛期水库调度运用原则中,需统筹水库河道防洪安全,科学调度洪水。在拦河闸坝调度运用原则中,坚持以人为本、安全第一、局部服从整体、兴利服从防洪的原则,科学处理防洪与兴利的关系。

在拦河闸坝调度运用过程中,了解拦河闸坝的泄流能力非常必要[7]。泄流能力会对调度方案制定的合理性等情况产生较大影响,直接影响流域水情测预报工作的开展。因此,研究对陵城区某拦河闸坝单孔闸门泄流能力进行研究。在该拦河闸坝中,水闸孔数5个,闸底高程8.7m。在拦河闸坝单孔闸门泄流能力分析过程中,采用流量系数法,其原理图见图1。

由图1可知,首先对流量率定的流量系数进行实际测量,在不同流态、闸门开启等情况下,利用水力学基本公式,分析相关水力因素和流量系数关系,获得对应的相关关系曲线或关系方程。在此基础上,对堰闸过水流量进行推算。其中,不同流态下流量的相关计算公式如下:

式中:Q1为自由堰流流量,m3/s;Q2为淹没堰流流量,m3/s;Q3为自由孔流流量,m3/s;Q4为淹没孔流流量,m3/s;hu、hl分别为上游水头、下游水头,m;B为闸门总宽,m;e为闸门开启高度,m;ΔZ为水头差,m;C为自由堰流的综合流量系数;C1为淹没堰流的综合流量系数;M为自由孔流的综合流量系数;M1为淹没孔流的综合流量系数。

图1 流量系数法原理

对不同流态的流量进行实测,利用测得的结果与式(1)进行反算,可以得到相应流态的综合流量系数。

1.2 拦河闸坝不同流量及泄流能力分析

在拦河闸坝中,当全部打开5孔泄洪闸时,闸门底坎会位于水面之上。此时,对于闸坝而言,其过流形式是堰流。由相关设计资料可知,其淹没系数范围在0.8～0.9。根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)相关规定,上游水头和下游水头的比值大于等于0.8,表明当前闸坝过流的形式归类为淹没堰流[8-10]。参考规范中闸孔总净宽计算公式,进行流量公式的推导,计算公式如下:

式中:Q5为堰流流量;σ为堰流淹没系数;ε为堰流侧收缩系数;m为堰流流量系数;B0为闸孔总净宽;h0为计入行近流速水头中的堰上水深。

选择2020年拦河闸开度相对固定时段,由于该年份中单孔闸门开度超过4m的时段不稳定,因此选择其开度都不大于4m的时段。对于时段中开度超出4m的M1,可通过实际流量对其进行修正。其中,在相关时段稳定性判断中,闸门开启后,在某开度下可稳定运行时间不小于3h,则对应时段具有稳定性;反之,会加大单孔泄流能力的误差,从而影响率定结果。选择时段和部分初始数据见表1。

表1 部分初始数据

2 拦河闸坝泄流能力中综合流量系数的应用分析

由图2可知,不同上游水位下,对应的M值存在一定差异。整体上看,随着上游水位的增加,对应的M值逐渐增大。当上游水位为12.45m时,对应的M值为1.34;当上游水位为13.81时,对应的M值为1.39,比上游水位为12.45m时大0.05;当上游水位为14.93时,对应的M值为1.40;而上游水位为15.89时,对应的M值为1.43。

在此基础上,通过式(3)进行简化,得到相关闸孔过流能力结果,见图3。

图3 相关闸孔过流能力结果

由图3(a)可知,随着上游水位的升高,对应的M值不断增大。在上游水位为12.00m时,对应的M值为1.31;在上游水位为13.00m时,对应的M值为1.36,比上游水位为15.00m时小0.06;而上游水位为16.00m时,对应的M值为1.45。由图3(b)可知,随着上游水位的升高,单孔堰流的过流能力在逐渐增强,且增强的速度逐渐增大。当上游水位为12.00m时,单孔堰流的过流能力为24m3/s,比上游水位为13.00m时小8m3/s;当上游水位为14.00、15.00m时,两者的单孔堰流的过流能力分别为42、53m3/s,前者的单孔堰流的过流能力比后者小11 m3/s;而相较于上游水位为12.00m等水位,上游水位为16.00m时的单孔堰流过流能力更强,为75 m3/s。

表2 部分计算结果

由表2可知,不同时段下,根据不同的开启闸门孔数和单孔开度以及单孔泄流量等情况下,对应的M1值不同。当开启闸门孔数为2个、单孔开度为0.65m、单孔泄流为25 m3/s、水位差为5.22m时,对应的M1值为3.37;开启闸门孔数相同均为2个时,逐渐增大单孔开度,闸下水位慢慢升高,闸上水位和闸下水位之间的水位差呈减小趋势,当单孔开度为1.25m、单孔泄流为47m3/s时,闸上水位和闸下水位分别为15.49和11.19m,水位差为4.30m,比单孔开度为0.80m、单孔泄流为31m3/s时的水位差大0.85m,后者的闸上水位、闸下水位分别为15.89、10.74m;相较于其他单孔开度小于等于1.45m对应的水位差,开启闸门孔数为5个时,单孔泄流为59 m3/s对应的水位差更小,其水位差为4.29。此时,计算出的M1值更大,M1值为3.93。

对比不同时段不同单孔开度以及单孔泄流量等情况下M1值发现,在单孔开度增大、水位差减小的过程中,M1值呈增大趋势。为了进一步分析这种变化趋势,在单孔闸门开度小于4.0m时,研究在闸门开度与对应的M1值的基础上,绘制相关关系曲线,具体见图4。

图4 关系曲线图

由图4可知,随着闸门开度的增大,对应的M1值分布在趋势线附近,并逐渐增大。当单孔开度为2.0m时,存在两个M1值点,两个点距离较小,两个点的值分别为4.05和4.09;当单孔开度为2.5m时,对应两个M1值点的值分别为4.10和4.12,前者的M1值比后者小0.02;单孔开度为3.2m时,对应的点在单孔开度为3.0m时所在点的上方,即单孔开度为3.2m时对应的点的M1值更大,其M1值分别为4.31、4.33。由此可见,当单孔闸门开度小于4.0m时,通过增大单孔闸门开度,可获得更大的综合流量系数M1。

在此基础上,可以给出不同闸门开度范围下的综合流量系数M1参考值。当闸门开度在0.0～1.0m时,对应的M1值为3.3;当闸门开度在1.0～1.5m时,对应的M1值为3.6;当闸门开度在1.5～2.0m时,对应的M1值为4.0;当闸门开度在2.0～2.5m时,对应的M1值为4.1;当闸门开度在2.5～3.0m时,对应的M1值为4.2;当闸门开度在3.0～3.5m时,对应的M1值为4.3。

对拦河闸坝泄流能力进行校核分析,选取的泄洪闸流量关系数据所处的时段属于非典型时段,对求解获得的泄流量数据进行校核,分析其准确性情况。把设计单位参考投产初期河道地质条件得到的结果作为设计1,其没有进行相关试验验证;在最新清淤后的地质条件下,考虑2020年前两年情况的率定结果,将其作为设计2,将设计1和设计2进行对比,得到相关结果见图5。

由图5(a)可知,随着闸门开度的增大,实测值与3种方法的计算值随之增大;相较于设计1、设计2所在单孔泄流量折线,研究采用方法所在单孔泄流折线较为贴合实测折线。当闸门开度为0.65m时,实测值为26m3/s,比研究采用方法大1m3/s,比设计1大2 m3/s,比设计2小3 m3/s;当闸门开度为1.25m时,实测值为47m3/s,而研究采用方法的单孔泄流量为47m3/s,两者的单孔泄流量相同;当闸门开度为3.20m时,实测值为135m3/s,比研究采用方法大1 m3/s,比设计1大18 m3/s,比设计2小14 m3/s。

由图5(b)可以看出不同方法计算出的单孔泄流量与实测值的误差。当闸门开度为0.80m,研究方法与实测值的绝对误差为-3.13%,而设计1对应的绝对误差为15.63%,比设计2的绝对误差大3.13%;当闸门开度为1.25m时,研究方法对应的绝对误差比其他两种方法均小,研究方法对应的绝对误差为0.00%;当闸门开度为3.00m时,研究方法对应的绝对误差为4.17%,该绝对误差是研究方法所有绝对误差中的最大值,其比设计1的最大绝对误差小14.16%,比设计2的最大绝对误差小8.33%。此外,通过对3种方法的平均绝对误差进行计算,得到研究方法的平均绝对误差为2.03%,比设计1小10.21%,比设计2小7.55%。由此可见,研究采用方法的误差较小,可以应用在拦河闸坝泄流能力分析中。

图5 单孔泄流量及计算误差

3 结 论

为了研究陵城区调洪工程中拦河闸坝的泄流能力,本文介绍了陵城区及其调洪工程,采用流量系数法,根据陵城区拦河闸的实际情况,分析了堰流流量、孔流流量,并对泄流能力进行了校核。结果显示,在堰流流量分析中,随着上游水位的升高,对应M值不断增大,单孔堰流过流能力逐渐增强。当上游水位为12.00m时,此时单孔堰流的过流能力为24m3/s。在孔流流量分析中,闸门开度增大,M1值随之增大。在泄流能力校核中,研究方法的绝对误差最小为2.03%,明显小于其他方法,表明研究方法可有效用于拦河闸泄流能力的分析。