水闸规范与水力计算手册中弧形闸门流量计算的比较分析

周奕琦

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

弧形闸门在水闸中的应用很广泛。由于弧形闸门没有门槽，水力条件优于平板闸门，因而具有启闭力小、启闭迅速、无空蚀和振动的优点，适用于高水头、大流量的水闸[1- 3]。由于弧形闸门多用于大型水闸，故准确计算其过闸流量有着重要的意义。

对于弧形闸门的闸孔出流流量计算，有多种计算公式，如Henry公式、日本土木学会公式、美国陆军兵团公式等[4]。我国工程上常用的弧形闸门的闸孔出流流量公式是水力计算手册中武水的经验公式[5]，而现行水闸规范中的闸孔出流公式并没有区分弧形闸门与平板闸门，只给出了一种流量计算公式[6]。直接应用水闸规范的闸孔出流计算公式来计算弧形闸门的过闸流量，与应用水力计算手册中弧形闸门公式计算的结果相比，存在什么样的差异，对于工程设计具有参考意义，值得进一步研究。

1 弧形闸门闸孔出流流量计算公式差异

由于水闸规范中闸孔出流流量计算公式针对的是平底闸，为了使比较的标准一致，仅针对闸底坎为宽顶堰的平底弧形闸门水闸进行比较。

1.1 水闸规范中闸孔出流公式

(1)

式中，Q—过闸流量，m3/s；μ—孔流流量系数；e—闸门开度，m；B0—闸孔总净宽，m；H0—计入行近流速水头的堰上水深，m；ψ—孔流流速系数；ε′—孔流垂直收缩系数；r—胸墙底圆弧半径，m；σ′—孔流淹没系数，需查表得到。

1.2 水力计算手册中弧形闸门闸孔出流公式

(2)

1.3 公式差异比较

公式(1)和(2)的型式一样，所用到的物理参数和系数也都一样，最主要的区别就是公式中流量系数μ和淹没系数σ′的计算方法不一样。因此，要比较2种计算方法算出的过闸流量的差异，最主要的就是比较流量系数μ和淹没系数σ′的差异。

2 2种计算方式流量系数的比较

2.1 比较方法

2.2 流量系数比较结果分析

图1 2种计算方式流量系数比较结果

从图1中可以看出以下规律：

表1 μ值相同点的表

根据以上规律，在已知弧形闸门的相对开度及弧形闸门底缘的切线和水平线的夹角后，即可判断出用哪种方式计算的流量系数会更大。

3 2种计算方式淹没系数的比较

3.1 比较方法

图2 水力计算手册淹没系数σ′

水闸规范中σ′为孔流淹没系数，需查表得到，见表2。

表2 水闸规范中闸孔出流淹没系数σ′表

3.2 淹没系数比较结果分析

为方便查找比较，将水力计算手册中的淹没系数σ′的图列成表格，见表3。

表3 水力计算手册中闸孔出流淹没系数σ′表

表4 水闸规范计算所得闸孔出流淹没系数σ′表

从2个表的对比可以看出以下规律：

4 2种计算方式总体比较

通过上面的分析可以看出，大部分情况下，应用水力计算手册弧形闸门公式计算所得的流量系数μ是大于水闸规范计算所得的，只有少部分情况下手册算得的μ是小于水闸规范的，且差距不大。而水力计算手册查得的淹没系数σ′均大于水闸规范，且最大差距达2倍以上。故大部分情况下，弧形闸门闸孔出流应用水力计算手册中的方法所得的流量，是要明显大于直接应用水闸规范中的公式计算所得的流量的；少部分情况下水力计算手册所得的结果小于水闸规范的结果，但是两者差距不会很大。故应用水力计算手册计算弧形闸门的闸孔出流在大部分情况下是偏于安全的。

5 结语

以上对于弧形闸门闸孔出流流量2种计算方式的比较，是以特定的工程条件为基础，因此得出的一些结论也是基于这些特定条件。例如并未考虑胸墙半径的影响，因此对于带底圆弧胸墙的弧形闸门水闸并不一定有同样的规律；孔流流速系数ψ取为1.0，如果取值减小，应用水闸规范算得的闸孔流量会更小，使水力计算手册计算偏安全的θ值的范围将进一步扩大；淹没系数主要是针对平底矩形断面来计算的，对于非平底矩形断面需注意适用条件。针对这些问题，后续需进行进一步研究，使得研究结果更具有普适性。