山东德州四女寺南进洪闸过闸流量分析

孟跃晨，贾 健

（海河水利委员会漳卫南运河管理局，山东德州253009）

山东德州四女寺南进洪闸过闸流量分析

孟跃晨，贾 健

（海河水利委员会漳卫南运河管理局，山东德州253009）

采用理论计算分析与模型试验相结合的方式，通过研究堰流和孔流的界限、影响闸孔出流流量偏离与闸门上下游水位、闸门开启高度等因子的定量关系及自由出流和淹没出流的条件，确定弧形闸门的流量系数、淹没系数和垂直收缩系数等，得到四女寺枢纽南进洪闸的水力计算方法，找到影响弧形闸门闸孔出流的流量、开启高度、上下游水位差的表征关系式，并通过试验和经验图表进行了验证。

过闸流量；四女寺南进洪闸

在水利工程中，为了控制水位和流量，常在河道、渠道或水库、海口中修建水闸，利用闸门控制流量和调节水位。工程中常见的闸孔有宽顶堰上的闸孔和实用堰上的闸孔2类；从闸门的形式来分，常见的又有平面闸门下的闸孔和弧形闸门下的闸孔2种，不同形式的闸孔有不同的过水能力。另外，按照下游水位是否影响堰和闸孔的过水能力，堰流和孔流有自由出流和淹没出流2种情况。弧形闸门在世界各国得到广泛应用，1949年以来中国在水利工程中应用了各种孔口尺寸、各种类型的弧形闸门作为水道的工作闸门，在主要尺度方面步入了世界大型弧形闸门的行列。

1 工程概况

四女寺枢纽工程位于山东省德州市德城区、武城县和河北省故城县的2省3县（区）交界处。四女寺水利枢纽是漳卫南运河中下游的主要控制性工程，其上游接卫运河，下游分别接漳卫新河与南运河。枢纽工程由南进洪闸、北进洪闸、节制闸及船闸组成，兴建于1958年，其中南进洪闸设计行洪流量1500m3∕s，是一座既能防洪、除涝又能航运、灌溉、输水的大型水利设施。四女寺枢纽南进洪闸总宽135.6m，共12孔，每孔净宽10.0m，闸门高5.2m，闸门宽10.0m，每孔装1台2×15t电动卷扬绳鼓式启闭机，绳鼓直径为35.0cm，闸顶高程27.77m（黄海基准面，下同），底板高程19.77m，共分4块，每块3孔。闸全长115.9m，闸底板长14.5m，上接15.0m长铺盖及其27.0m防冲槽和护底，下接17.4m长消力池及42.0m长海漫和防冲槽。

2 闸孔出流水力计算

根据工程需要，通过四女寺枢纽南进洪闸的水流可以是堰流或孔流，当闸门启出水面，不影响泄流量时为堰流；当闸门未启出水面，影响泄流量时则为孔流。堰流和孔流的界限与闸门形式位置、闸门开启高度等因素有关。要准确地进行区分较为困难，一般采用下列经验公式近似判别：

式中：e为闸门开启高度（m）；H为堰孔水头（m）。

四女寺枢纽南进洪闸属于宽顶堰上的水闸，闸孔出流有自由出流和淹没出流2种情况。当下游水位较低使闸孔下游发生远离水跃、下游水位不影响闸孔泄流量时，为自由出流，如图1所示。

图1 弧形闸孔自由出流示意

当下游水位较高使闸孔下游发生淹没水跃、影响闸孔泄流量时，为淹没出流，如图2所示。

图2 弧形闸孔淹没出流示意

2.1 自由出流水力计算

图1所示为闸孔自由出流，水流通过闸孔后，因惯性影响发生垂向收缩，水面下凹，水深逐渐减小。设闸门开启高度为e，则距闸门2～3倍e的下游收缩断面c处的水深达到最小，收缩断面处的流线近似平行，可认为是缓变流断面。

式中：H为闸上水头（m）；v0为闸前行进流速（m∕s）；vc为收缩断面平均流速（m∕s）；ζ为闸孔局部水头损失系数；g为重力加速度，一般取g=9.8m∕s2；hc为收缩断面水深（m）。

式中：H0为闸前水头（m）为闸孔流速系数；其他符号意义同上。

设闸孔宽度为B，令hc=ε'e，则收缩断面面积计算公式为：式中：AC为收缩断面面积（m2）；ε'为垂向收缩系数；B为闸孔宽度（m）；其他符号意义同上。

通过闸孔的流量计算公式为：式中：Q为过闸流量（m3∕s）；μ=ϕε'，为流量系数，与过闸水流收缩程度、收缩断面的流速分布和闸孔水头损失等有关；其他符号意义同上。

式中：μ1为流量系数；其他符号意义同上。

弧形闸门的流量系数与闸门相对开启高度和闸门底缘切线与水平线的夹角有关，这些因素直接影响水流的垂向收缩和水头损失的大小。弧形闸门的μ1值可根据南京水利科学研究院的经验公式计算：

四女寺枢纽南进洪闸c=4500mm，R=7500mm。通过闸门开启高度可以求得闸门底缘切线与水平线的夹角，从而可以求得流量系数。弧形闸门底缘切线与水平线的夹角与垂直收缩系数的关系，见表1。

表1 弧形闸门底缘切线与水平线的夹角（θ）与垂直收缩系数（ε'）关系

四女寺枢纽南进洪闸闸门为弧形闸门，其流量系数可按下面经验公式计算：

2.2 淹没出流水力计算

闸孔从自由出流到淹没出流的过程可从明渠干扰波的传播来说明。明渠中干扰波的波速随水深的增大而增大，当波速大于明渠水流流速时，波向上游传播，当波传至某处，恰使波速与流速相等时，波即固定不动。

闸孔后水跃位置向上越过收缩断面时，为淹没出流，定量判别方法为：

设收缩断面的水深为hc，当恰好发生临界水跃时，跃前水深为hc，相应的跃后水深为，则淹没判别标准为：

当ht≤时，为自由出流；当ht＞时，为淹没出流。h' c'计 算公式为：

式中：hc为跃前水深（m）；为跃后水深（m）；ht为下游水深（m）；其他符号意义同上。

根据南京水利科学研究院的实验研究，淹没系数（s）与潜流比(y)有关，可由图3查得。当ht≤时，δs取1；否则，δs大于1。

图3 淹没系数（δs）与潜流比（y）关系

3 四女寺枢纽南进洪闸过闸情况的试验研究

3.1 自由出流试验

不考虑闸下游实际水位情况，在任何开闸孔数和开启高度工况下，调节下游水位均较低，保证闸孔出流为自由出流。其目的在于通过模型试验获得四女寺枢纽南进洪闸闸孔出流规律及流量系数和垂直收缩系数。为此，在开闸孔数分别为12、6、4、2时，保持闸上水位为23.0m，进行了多次闸孔开启高度的过流试验，结果如下。

3.1.1 闸孔出流规律

12孔闸门同时开启，分别取开启高度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3m，进行放水试验，可得n=12时的过闸流量随闸门开启孔数、闸门开启高度的变化规律。

同时，开启第1、3、5、7、9、11孔闸门，其余关闭，形成6孔出流，类似上述试验，可得n=6时的过流规律。同理，可得n=4和n=2时的过流规律。过流规律如图4所示，对应数值见表2。

3.1.2 闸孔出流流量系数

在上述试验已经确定了Q～n、e关系的基础上，由式（10）可反求出流量系数（μ）。

表2 自由出流时流量（Q）随开闸孔数（n）和闸孔开启高度（e）的变化值

式中：n为开闸孔数；b为闸孔单宽（m）；其他符号意义同上。通过对试验数据计算，得出四女寺枢纽南进洪闸流量系数的试验值，见表3。

3.1.3 垂直收缩系数

在进行上述试验的同时，还进行了闸后收缩断面水深的测量，从而得到了垂直收缩系数随闸孔开启高度的变化规律，如图5所示。

图4 自由出流时流量（Q）随开闸孔数（n）和闸孔开启高度（e）的变化规律

图5 垂直收缩系数（ε'）随闸门开启高度（e）的变化规律

表3 流量系数（μ）的试验值

3.2 淹没出流试验

3.2.1 过闸流量随闸门开启孔数、开启高度的变化规律试验

分别在开闸孔数n=12、6、4、2的情况下，变化闸孔开启高度，然后保持上游水位23.0m不变，调节下游水位为22.0m，待水流稳定后测量流量。最后，得到流量随闸门开启孔数、开启高度的变化规律，见表4。

表4 过闸流量（Q）随下游水位（ht）、开闸孔数（n）和闸孔开启高度（e）的变化规律

由上述结果可知，与开闸孔数和闸孔开启高度相对应，在下游水位为22.0m时，其过闸流量均小于自由出流时的流量，过闸水流均为淹没出流。

3.2.2 淹没系数试验

根据上述试验数据，可以计算出淹没系数，其计算公式为：式中：σs为淹没系数；其他符号意义同上。

同时，可计算出潜流比（y），其计算公式为：

式中：q为自由出流时闸孔单宽流量（m3∕s）；其他符号意义同上。

计算结果，见表5。

表5 淹没系数（σs）的试验计算结果

淹没系数（σs）与潜流比（y）的对应关系，如图6所示。同时，绘出了南京水利科学研究院提供的闸孔出流淹没系数（σs）与潜流比（y）的关系曲线。

图6 淹没系数（σs）随潜流比（y）的变化关系

计算结果表明，四女寺南进洪闸闸孔出流淹没系数（σs）随潜流比（y）的变化规律与目前工程设计中广泛应用的南京水利科学研究院提供的闸孔出流淹没系数（σs）与潜流比（y）的变化规律基本吻合，适用于闸后无跌坎的水平底宽顶堰上的闸孔出流情况。当闸后水跌位置向上越过收缩断面时，闸孔为淹没出流。淹没判别标准为：当ht≤时，为自由出流，σs=1；当ht＞时，为淹没出流，σs＜1。

4 结语

闸孔出流虽然有一些经验公式，但是这些公式还不能完全符合所有工况的水闸过水计算，特别是对于闸前水流比较紊乱的情况，还没有较好的解决方法。笔者通过模型水利计算和多年来南进洪闸过水流量统计绘制特性曲线，可以大大提高精准度，减小误差率。笔者提出的有关水平底宽顶堰上的闸孔出流的淹没判别标准及淹没系数的确定方法可以用于类似水利工程。

TV66；TV132

：A

：1004-7328（2014）02-0062-04

10.3969∕j.issn.1004-7328.2014.02.023

2013-11-30

孟跃晨（1983-），男，助理工程师，主要从事水闸枢纽管理工作。