綜合流量系數在攔河閘壩泄流能力分析中的應用

苗艷麗,邱愛華

(德州市陵城區水利局,山東 德州 253500)

0 引 言

調洪工程是河道工程中的重要組成部分。通過制定合理的調洪工程方案,有利于降低洪澇對河道附近居民的威脅程度,促進對附近居民生命財產的保護[1-3]。在制定調洪工程方案時,考察河道及其周邊環境的情況是必不可少的環節。在調洪工程中,攔河閘壩是一項重要的水利設施。在枯水期,能夠對上游水位進行調節,使城鎮、灌溉等的需水量得到滿足;在洪水期,通過打開閘門,使上游水位處于警戒水位下,并使下泄流量處于下游河道安全泄量內[4]。此外,攔河閘還能對多沙河流進行排淤泄沙,使多沙河流河床的水沙處于平衡狀態。因此,合理利用攔河閘壩,可以促進調洪工程、水庫調度等工作的開展。

為了更好地利用攔河閘壩,許多學者對攔河閘壩的工作情況進行了相關研究。在某攔河蓄水鋼閘門中,針對主梁腹板應力分布優化問題,采用閘門主梁優化方法,對主梁腹板應力分布進行了改善,并借助有限元軟件進行了相關分析。結果顯示,主梁優化方法能夠提高閘門的性能[5]。為了測定水庫閘門泄流曲線流量系數,在洪水調度資料的基礎上,運用水量平衡方程進行反推,最終得到泄流曲線率定結果。結果顯示,得到的率定結果準確率較高,與實際情況相符[6]。

本文以陵城區攔河閘壩為研究對象,通過流量系數法,分析其泄流能力以及總泄流與單孔泄流的關系。

1 基于綜合流量系數的陵城區攔河閘壩泄流能力分析

1.1 陵城區調洪工程及攔河閘壩泄流能力分析法

在河道工程中,防洪是重要的環節。掌握河道及其周邊環境情況,有利于防洪工作的開展。以陵城區為例,其隸屬于山東省德州市轄區,南連平原縣,北靠寧津縣,東接臨邑縣、樂陵市,西與德州經濟開發區相鄰。地勢由西南向東北傾斜,呈西高東低之勢。全區地貌類型劃分為三大類。即馬西漫灘高地、北緩平坡地;陵中槽狀洼地形;陵東扇形高地形。境內有馬頰河、德惠新河2條干流及23條支流河道,總長度442.57km。其中,馬頰河、德惠新河、篤馬河、朱家河、禹臨河為主要河道。境內有區管水閘70座。對于陵城區而言,澇災是其自然災害之一,在以往的年份中出現的次數較為頻繁,導致河道附近的村鎮受到不同程度的損害。

針對這種情況,水利主管部門建立了相關調洪工程。在調度過程中,遵循兩個原則,即汛期水庫調度運用原則、攔河閘壩調度運用原則。在汛期水庫調度運用原則中,需統籌水庫河道防洪安全,科學調度洪水。在攔河閘壩調度運用原則中,堅持以人為本、安全第一、局部服從整體、興利服從防洪的原則,科學處理防洪與興利的關系。

在攔河閘壩調度運用過程中,了解攔河閘壩的泄流能力非常必要[7]。泄流能力會對調度方案制定的合理性等情況產生較大影響,直接影響流域水情測預報工作的開展。因此,研究對陵城區某攔河閘壩單孔閘門泄流能力進行研究。在該攔河閘壩中,水閘孔數5個,閘底高程8.7m。在攔河閘壩單孔閘門泄流能力分析過程中,采用流量系數法,其原理圖見圖1。

由圖1可知,首先對流量率定的流量系數進行實際測量,在不同流態、閘門開啟等情況下,利用水力學基本公式,分析相關水力因素和流量系數關系,獲得對應的相關關系曲線或關系方程。在此基礎上,對堰閘過水流量進行推算。其中,不同流態下流量的相關計算公式如下:

式中:Q1為自由堰流流量,m3/s;Q2為淹沒堰流流量,m3/s;Q3為自由孔流流量,m3/s;Q4為淹沒孔流流量,m3/s;hu、hl分別為上游水頭、下游水頭,m;B為閘門總寬,m;e為閘門開啟高度,m;ΔZ為水頭差,m;C為自由堰流的綜合流量系數;C1為淹沒堰流的綜合流量系數;M為自由孔流的綜合流量系數;M1為淹沒孔流的綜合流量系數。

圖1 流量系數法原理

對不同流態的流量進行實測,利用測得的結果與式(1)進行反算,可以得到相應流態的綜合流量系數。

1.2 攔河閘壩不同流量及泄流能力分析

在攔河閘壩中,當全部打開5孔泄洪閘時,閘門底坎會位于水面之上。此時,對于閘壩而言,其過流形式是堰流。由相關設計資料可知,其淹沒系數范圍在0.8～0.9。根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)相關規定,上游水頭和下游水頭的比值大于等于0.8,表明當前閘壩過流的形式歸類為淹沒堰流[8-10]。參考規范中閘孔總凈寬計算公式,進行流量公式的推導,計算公式如下:

式中:Q5為堰流流量;σ為堰流淹沒系數;ε為堰流側收縮系數;m為堰流流量系數;B0為閘孔總凈寬;h0為計入行近流速水頭中的堰上水深。

選擇2020年攔河閘開度相對固定時段,由于該年份中單孔閘門開度超過4m的時段不穩定,因此選擇其開度都不大于4m的時段。對于時段中開度超出4m的M1,可通過實際流量對其進行修正。其中,在相關時段穩定性判斷中,閘門開啟后,在某開度下可穩定運行時間不小于3h,則對應時段具有穩定性;反之,會加大單孔泄流能力的誤差,從而影響率定結果。選擇時段和部分初始數據見表1。

表1 部分初始數據

2 攔河閘壩泄流能力中綜合流量系數的應用分析

由圖2可知,不同上游水位下,對應的M值存在一定差異。整體上看,隨著上游水位的增加,對應的M值逐漸增大。當上游水位為12.45m時,對應的M值為1.34;當上游水位為13.81時,對應的M值為1.39,比上游水位為12.45m時大0.05;當上游水位為14.93時,對應的M值為1.40;而上游水位為15.89時,對應的M值為1.43。

在此基礎上,通過式(3)進行簡化,得到相關閘孔過流能力結果,見圖3。

圖3 相關閘孔過流能力結果

由圖3(a)可知,隨著上游水位的升高,對應的M值不斷增大。在上游水位為12.00m時,對應的M值為1.31;在上游水位為13.00m時,對應的M值為1.36,比上游水位為15.00m時小0.06;而上游水位為16.00m時,對應的M值為1.45。由圖3(b)可知,隨著上游水位的升高,單孔堰流的過流能力在逐漸增強,且增強的速度逐漸增大。當上游水位為12.00m時,單孔堰流的過流能力為24m3/s,比上游水位為13.00m時小8m3/s;當上游水位為14.00、15.00m時,兩者的單孔堰流的過流能力分別為42、53m3/s,前者的單孔堰流的過流能力比后者小11 m3/s;而相較于上游水位為12.00m等水位,上游水位為16.00m時的單孔堰流過流能力更強,為75 m3/s。

表2 部分計算結果

由表2可知,不同時段下,根據不同的開啟閘門孔數和單孔開度以及單孔泄流量等情況下,對應的M1值不同。當開啟閘門孔數為2個、單孔開度為0.65m、單孔泄流為25 m3/s、水位差為5.22m時,對應的M1值為3.37;開啟閘門孔數相同均為2個時,逐漸增大單孔開度,閘下水位慢慢升高,閘上水位和閘下水位之間的水位差呈減小趨勢,當單孔開度為1.25m、單孔泄流為47m3/s時,閘上水位和閘下水位分別為15.49和11.19m,水位差為4.30m,比單孔開度為0.80m、單孔泄流為31m3/s時的水位差大0.85m,后者的閘上水位、閘下水位分別為15.89、10.74m;相較于其他單孔開度小于等于1.45m對應的水位差,開啟閘門孔數為5個時,單孔泄流為59 m3/s對應的水位差更小,其水位差為4.29。此時,計算出的M1值更大,M1值為3.93。

對比不同時段不同單孔開度以及單孔泄流量等情況下M1值發現,在單孔開度增大、水位差減小的過程中,M1值呈增大趨勢。為了進一步分析這種變化趨勢,在單孔閘門開度小于4.0m時,研究在閘門開度與對應的M1值的基礎上,繪制相關關系曲線,具體見圖4。

圖4 關系曲線圖

由圖4可知,隨著閘門開度的增大,對應的M1值分布在趨勢線附近,并逐漸增大。當單孔開度為2.0m時,存在兩個M1值點,兩個點距離較小,兩個點的值分別為4.05和4.09;當單孔開度為2.5m時,對應兩個M1值點的值分別為4.10和4.12,前者的M1值比后者小0.02;單孔開度為3.2m時,對應的點在單孔開度為3.0m時所在點的上方,即單孔開度為3.2m時對應的點的M1值更大,其M1值分別為4.31、4.33。由此可見,當單孔閘門開度小于4.0m時,通過增大單孔閘門開度,可獲得更大的綜合流量系數M1。

在此基礎上,可以給出不同閘門開度范圍下的綜合流量系數M1參考值。當閘門開度在0.0～1.0m時,對應的M1值為3.3;當閘門開度在1.0～1.5m時,對應的M1值為3.6;當閘門開度在1.5～2.0m時,對應的M1值為4.0;當閘門開度在2.0～2.5m時,對應的M1值為4.1;當閘門開度在2.5～3.0m時,對應的M1值為4.2;當閘門開度在3.0～3.5m時,對應的M1值為4.3。

對攔河閘壩泄流能力進行校核分析,選取的泄洪閘流量關系數據所處的時段屬于非典型時段,對求解獲得的泄流量數據進行校核,分析其準確性情況。把設計單位參考投產初期河道地質條件得到的結果作為設計1,其沒有進行相關試驗驗證;在最新清淤后的地質條件下,考慮2020年前兩年情況的率定結果,將其作為設計2,將設計1和設計2進行對比,得到相關結果見圖5。

由圖5(a)可知,隨著閘門開度的增大,實測值與3種方法的計算值隨之增大;相較于設計1、設計2所在單孔泄流量折線,研究采用方法所在單孔泄流折線較為貼合實測折線。當閘門開度為0.65m時,實測值為26m3/s,比研究采用方法大1m3/s,比設計1大2 m3/s,比設計2小3 m3/s;當閘門開度為1.25m時,實測值為47m3/s,而研究采用方法的單孔泄流量為47m3/s,兩者的單孔泄流量相同;當閘門開度為3.20m時,實測值為135m3/s,比研究采用方法大1 m3/s,比設計1大18 m3/s,比設計2小14 m3/s。

由圖5(b)可以看出不同方法計算出的單孔泄流量與實測值的誤差。當閘門開度為0.80m,研究方法與實測值的絕對誤差為-3.13%,而設計1對應的絕對誤差為15.63%,比設計2的絕對誤差大3.13%;當閘門開度為1.25m時,研究方法對應的絕對誤差比其他兩種方法均小,研究方法對應的絕對誤差為0.00%;當閘門開度為3.00m時,研究方法對應的絕對誤差為4.17%,該絕對誤差是研究方法所有絕對誤差中的最大值,其比設計1的最大絕對誤差小14.16%,比設計2的最大絕對誤差小8.33%。此外,通過對3種方法的平均絕對誤差進行計算,得到研究方法的平均絕對誤差為2.03%,比設計1小10.21%,比設計2小7.55%。由此可見,研究采用方法的誤差較小,可以應用在攔河閘壩泄流能力分析中。

圖5 單孔泄流量及計算誤差

3 結 論

為了研究陵城區調洪工程中攔河閘壩的泄流能力,本文介紹了陵城區及其調洪工程,采用流量系數法,根據陵城區攔河閘的實際情況,分析了堰流流量、孔流流量,并對泄流能力進行了校核。結果顯示,在堰流流量分析中,隨著上游水位的升高,對應M值不斷增大,單孔堰流過流能力逐漸增強。當上游水位為12.00m時,此時單孔堰流的過流能力為24m3/s。在孔流流量分析中,閘門開度增大,M1值隨之增大。在泄流能力校核中,研究方法的絕對誤差最小為2.03%,明顯小于其他方法,表明研究方法可有效用于攔河閘泄流能力的分析。