会宝岭灌区引水渠道分水口过流能力计算浅析

葛庆艳

（山东省兰陵县水利局，山东 临沂 277700）

1 引言

在进行引水渠道设计时，在分水口部位进行设计流量分配是引水渠道工程设计的重点问题之一。吴怡等[1]以南水北调中线工程为例，对分水口的进行敏感性分析，认为引水渠道流量越大，分水口敏感性越小；高学平等[2]以南水北调东线工程为例，研究节制闸对分水口水力的影响，认为分水口对节制闸的调节幅度较为敏感；刘海强等[3]对影响矩形分水口分流的因素进行分析，认为流量对矩形分水口水面线影响较小，流向角随分流比的增大而增大；郭青春[4]以东湖水电站为例对不同形式的分水口的过流能力进行计算，刘海强等[5]使用试验方法对矩形渠道分水口的水力性能进行研究；方神光等[6]以南水北调中线工程为例，研究分水口对渠道引水的影响，得出分水口前水位下降速率与分水口流量变化呈线性相关；张成等[7]以南水北调中线工程为例，对分水口调度进行研究，认为单步分水时波动影响范围较大；薛海等[8]采用数值模拟的方法对不同角度的分水口的流动特征进行分析，认为应采用小角度的管道连接方式；张成等[9]以南水北调中线工程为例，获取水力响应的基本参数，可为工程运行提供参考；丁爱萍等[10]对分水口和节制闸的水力敏感性进行分析，认为影响渠道水位的主要因素为分水口流量变化幅度和节制闸的开度幅度。本文在前人研究基础上，对分水口的过流能力进行计算，为工程设计和运行调度提供参考。

2 工程概况

会宝岭灌区为山东省兰陵县境内的西南部的一片灌区，东界线至兰陵县汶河，南界线至苏鲁省界，西边同枣庄市相连。该区域涉及兰陵县管辖下的6个乡镇，对应391个村庄，其灌溉面积当前设计为30.1万亩。灌区于1959年开始建设，主干渠净宽为3.6 m，设计流量为16.3 m3/s，设计水深为3.15 m，设计纵坡为1/3000，向下游输水分为南、北两个干渠。其中北干渠净宽为3.0 m，设计纵坡为1/2000，设计流量为10.15 m3/s，南干渠净宽为2.5 m，设计纵坡为1/3000，设计流量为6.15 m3/s。南北干渠夹角为52.393°。引水渠道示意图见图1。

图1 引水渠道示意图

3 闸孔过流能力计算

3.1 过流流量计算

引水渠道的输送水能力满足能量守恒定理。在引水输水路径中选取两个计算剖面，见图1。根据能量守恒的基本原理，可知:

式中:αa、αb分别表示上游、下游动能修正系数；Ha、Hb分别表示断面a-a和b-b处的水头；Va、Vb分别表示断面a-a和b-b处的水流速度；hf为沿程水头损失，与引水渠道的光滑程度有关。

通过公式推导可知:

式中:ε为收缩系数；A为b-b剖面的过流断面面积；φ为流速系数；μ为流量系数，等于流速系数和收缩系数的乘积；Q为b-b剖面的过流量。

根据引水渠道下游引水水深和收缩断面的跃后水深的关系，闸孔水流有两种出流方式:自由出流和淹没出流。当跃后水深大于下游水深时，则下游水深对闸孔过流能力不产生影响，此时为自由出流；反之，则为淹没出流。淹没出流时收缩断面将会被淹没，不利于充分发挥闸孔的过流能力。因此，在工程设计中一般选取自由出流。参考叶云涛等[11]的研究，自由出流满足下式:

式中:b为引水渠道宽度；e为闸门的开度；H为闸门上游水头。

3.2 不同闸门开度的过流量计算

根据工程概况，选取总干渠、南干渠、北干渠作为研究对象。当总干渠闸门全开时，南干渠、北干渠的闸前水位为3.15 m，分别调节南干渠、北干渠闸门的开度，从而计算出不同开度情况下，分水口的过流能力和流量的分配情况。

当北干渠开度为0.5 m时，闸门相对开度为0.158，根据文献[11]流量系数与相对开度的关系曲线，取流量系数为0.577，代入式（3）求得Q=6.905 m3/s。南干渠、北干渠不同开度情况下，流量计算结果见表1～表2。

表1 南干渠不同开度情况下过流量计算结果

表2 北干渠不同开度情况下过流量计算结果

根据表1和表2的数据绘制计算流量与开度的关系，见图2。当闸前水位保持恒定不变时，随着开度的增大，南干渠、北干渠的计算流量均有所增大，且呈线性正相关关系。北干渠开度与设计流量关系为:y=10.591x+1.9485(R2=0.9968)，根据北干渠的设计流量为10.15 m3/s，当开度为0.775时，达到北干渠设计流量；同理，南干渠开度与设计流量关系为:y=7.0606x+1.299(R2=0.9968)，根据南干渠的设计流量为6.15 m3/s，当开度为0.687时，达到南干渠设计流量；当闸前水位恒定为3.15 m时，南干渠、北干渠过流量均能达到设计流量。

图2 南、北干渠闸门开度与计算流量关系图

4 南干渠、北干渠恒定流量下闸门开启速率研究

南干渠和北干渠的设计流量，分别为6.15 m3/s和10.15 m3/s。引水渠道水位波动为0.15 m/h，以此来计算南干渠、北干渠闸门的开度，当Q恒定时，根据式（3）可以计算，南闸门开度从0.75 m调整至1.0 m后，水位从3.29 m变化为2.20 m，水位落差可达1.09 m，若水位落差需要小于0.15 m/h时，则水闸开度从0.75 m变为1.0 m，所需时间最少为7.3 h。则闸门开启速度为0.0342 m/h。计算恒定流量下南干渠、北干渠闸门的开启速率，见表3～ 表 4。

表3 北闸门不同水位下闸前水位变化

表4 南闸门不同水位下闸前水位变化

从表3～表4可以看出，当南干渠和北干渠的过流量为恒定值时，闸门开度的变化会引起闸前水位的剧烈变化，若在引水渠道长期的运行过程中经常出现水位剧烈变化的情况，则会对引水渠道的稳定性造成严重的影响。因此，控制水位变化的速率及闸门开启、关闭的速率是极为重要的，因此准确计算闸门开启、关闭的速率的最大值是非常有必要的。

绘制设计流量下，南干渠、北干渠闸前水位与闸门开启、关闭速率的曲线，见图3。东西干渠在水位高度小于2.2 m时闸门启闭速率差异较大，当闸前水位大于2.2 m时，闸门启闭速率差异较小。当闸门启闭速度位于曲线下方则可以在安全的情况下满足输水量，当速率位于曲线上方时，则水位变化波动较大，易对引水渠道安全产生威胁。

图3 水位调节前闸前水位与闸门启闭关系

5 结论

（1）从实际出发，建立了分水口流量计算公式；通过对闸门开度和渠道流量关系进行分析，随着闸门开度的增大，渠道计算流量呈线性增大。

（2）计算保证南干渠、北干渠流量的情况下，闸门的启闭速率，计算在满足最大水位变动情况下的闸门启闭速率，并绘制最大速率曲线，当闸门启闭速率位于曲线以下时，则可以在满足安全的情况下保证干渠过流量要求。民黄河，2018，40(07):121-123+128.