大和水闸过闸流量分析_吴门伍

第36卷第5期2003年10月武汉大学学报(工学版)

EngineeringJournalofWuhanUniversityVol.36No.5Oct.2003

文章编号:167128844(2003)052051204

大和水闸过闸流量分析

吴门伍,陈　立,周家俞

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉　430072)

摘要:着重考虑了闸上下游行近段的河道形态对水流结构的影响,即当行近水流流向偏离水闸纵向轴线时,回

流、过闸水流的不对称等将降低水闸的过闸能力.根据观澜河大和水闸的实验结果,分析了回流、过闸水流的不对称等影响闸孔过流能力的规律.在此基础上,根据实验结果,给出了修正的计算公式,检验结果表明所建立的修正公式较适用大和水闸过闸流量的计算.

关键词:水闸;闸孔出流;回流;过闸流量

中图分类号:TV132+.13　　　文献标识码:A

AnalysisofwaterdischargethroughDahesluice

WUMen2wu,CHENLi,ZHOUJia2yu

(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,

WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract:Theinfluenceofthechannelformsnearthesluice’supperstremanddownstreamontheflowstruc2tureismainlyconsidered,i.e.,whenflowsdirectionoftheprogressiveflowdeparturethesluicelognitudinalaxis,backflowandasymmetryoftheflowthroughthesluicewilldecreasethewaterdischarge.ThelawsofthebackflowanditsasymmetrythatinfluencesthedischargehavebeenanalyzedbasedontheexperimentaldataofDahesluiceattheGuanlanRiver.TheexperimentalresultsshowthatthemodifiedcalculationformulaofthewaterdischargeofDahesluiceisreasonableandhasenoughaccuracy.

Keywords:sluice;flowoutofgate;backflow;waterdischargethroughsluice

　　水闸在引水工程、泄水工程、水位流量控制工程中应用广泛.闸孔出流流量的精确确定又是保证工程安全运行、发挥应有效益的关键.

影响闸孔出流流量的因素很多.闸门类型、闸底坎形式、闸门上下游水深及其差值、出孔水流是否受下游水深影响、闸门宽度、闸门开启度、闸上游行近段的河道形态等都将影响闸孔出流量的大小.对于较为平顺的闸孔出流,文献[1]、[2]等都做了一定研究,得到了一些理论公式.但是由于闸孔出流具有很强的三维特征,特别是受到闸上下游行近段的河道形态的影响时,其能量(水头)损失的机理及规律异常复杂,所以目前的研究成果还不能给出

适合所有情形的表达式.

本文采用理论分析与模型实验相结合的方法进行研究,找到影响闸孔出流流量偏离与闸门上下游水位、闸门开启度等因子的关系,建立它们之间的定量关系式.在理论分析的基础上,采用模型实验的方法,模拟了水闸及其上游河道,研究了不同闸前水位、闸门开启度、不同流量条件下水闸实际过闸流量,给出了确定水闸过闸流量的方法.

1　工程概况

大和水闸位于深圳市观澜河上,与提水泵站和观澜水库组成观澜引水工程.由于观澜水库的库容

收稿日期:2002-07-29

作者简介:吴门伍(1976-),男,四川安岳人,硕士研究生,从事水力学及河流动力学研究.

52武汉大学学报(工学版)2003

不能满足当地工农业用水需要(加高改造后为1800×104m3,改造前仅为900×104m3),因此需要在每年4～10月间,当雨季(暴风雨、台风雨)来临时,根据水质情况水闸下闸蓄水,通过引水渠和提水泵站将水闸内的蓄水抽到观澜水库,为观澜、龙华两镇供水的观澜水厂补充自来水水源.大和水闸为有坎宽顶堰无胸墙4孔弧形门水闸,水闸长70m,最大闸高为10.5m,闸门尺寸(长×高)为10m×

5.3m.其工程特性如表1所示.表1　大和水闸工程特性

序号

名称

单位

技术指标

1水闸以上流域面积km2

118.82水闸有效库容104m3

53.73正常蓄水位

m40.5004设计洪水位(P=0.05)m41.0005校核洪水位(P=0.02)

m41.7006最大泄洪流量m3/s998.07泄洪闸门尺寸m10×5.38最大闸高m10.5009

70.0

　　在实际调度运行中,由于大和水闸位于观澜河上,因此在满足引水的同时,还必须考虑观澜河的正常泄洪。当上游来流流量超过提水泵站的引水流量时,水闸必须开启闸门泄洪。闸门的开启度应该在满足泄洪需要的同时,保证提水泵站最大限度地抽水,因此需要准确确定闸门开启度与过闸流量之间的关系,否则就会造成或者水闸开启过大,影响引水工程效率;或者水闸泄洪能力不足,导致洪水漫闸、危及水闸安全及造成水闸上游洪水损失。

考虑到大和水闸的实际运用情况,本文着重研究了大和水闸闸孔自由出流和淹没出流的情况.

2　模型设计及实验

2.1　模型设计2.1.1　模型设计原则

(1)传统的水闸模型属于水工水力学模型,一

般不考虑上下游河道的影响.而本河段由于问题的针对性很强:水闸过闸流量的大小受到上游河道影响比较大,所以在进行模型设计及实验时必须考虑上下游河道.

(2)由于大和水闸属于河道型水闸,必须考虑河道的泄洪问题.而在一定闸门开启度条件下水闸过流能力还受到下游河道水位的影响,因此进行模型设计及实验时还必须留有足够的下游段以控制

闸下游水位.

(3)大和水闸总长度为70m,其中过流弧形闸门4个,总宽度为40m;水闸高度为10.50m.考虑到模型制作的精度以及本模型还要考虑上下游河道影响的实际情况,模型应该为正态,河道的河床为定床,其几何比尺确定为50比较合适.2.1.2　模型比尺计算

针对水闸的实际情况,采用λl=λh=λ=50.由惯性力重力比相似可以得到流速比尺:

λu=λ1l/2

=7.07　　由水流连续可以得到流量比尺:λQ=λlλhλu=17675

其中:λl、λh分别为水平几何比尺和垂直比尺;λ为

几何比尺;λu为流速比尺;λQ为流量比尺.水闸模型采用有机玻璃材料制作,现有的研究成果表明:有机玻璃材料制作的水闸能够满足阻力相似.

河道模型采用混凝土制作.河道地形按照水闸设计使用的1/1000河道地形资料制作.由于缺乏河道水下地形资料,因此模型制作时在2条水边线之间人为塑造出深槽,深槽的深泓高程取低于水闸底板高程0.5m进行制作.

上游河道的模拟范围为包括上游急弯在内的约200m河道.由于缺乏下游河道的地形资料,而且下游主要是控制水位,所以在海漫以下未按照河道地形资料塑造河床,而只是用粗颗粒铺设河床,与尾门一起调节控制下游水位.2.2　实　验

根据大和水闸的实际运用情况,本实验对于同时开启2闸和同时开启4闸的两种开启状况,有针对性的做了一系列实验,实验组次如表2.

模型由供水系统、流量测量控制系统、河道模型、水闸模型、回水系统组成.模型流量采用精度较高的三角流量堰控制,精度可以达到1%;水位测量采用水位测针,精度为0.01mm(即原型精度为0.5mm);垂线平均流速测量采用MLV21流速仪.实验时,当闸门开启度较小的时候,控制水闸下游自由出流;当闸门开启度较大时,由自由出流逐渐过渡到淹没出流.2.3　实验结果分析

自由出流情况下实际过闸流量与计算值的对比:(1)无论开度如何,也无论流量大小,水闸实际过流能力小于计算值.

　第5期吴门伍等:大和水闸过闸流量分析

表2　水闸模型实验组次

工况

　　孔　　同　　时　　启　　闭2孔同时启闭

闸门开启度/m

0.150.250.511.522.5345670.250.51

闸上水深范围/m

4.9～6.482.175～8.9351.85～9.012.175～8.372.265～8.6752.86～8.7653.805～8.5654.25～8.245.925～8.995.9～9.1156.935～8.8657.3～9.1351.985～6.9553.055～8.264.075～6.985

闸下水深范围/m

1.605～5.3954.095～5.854.56～6.955.62～7.9156.65～8.6357.115～8.64

过闸流量范围/m3?s

37.5～44.837.5～84.269.0～171.0135.6～304.1205.7～446.0309.9～570.8451.6～702.0567.6～766.4793.7～1028.5793.7～1014.8820.6～1011.2777.3～986.0

16.7～34.343.5～77.398.2～137.3

闸下游工况自由出流自由出流自由出流自由出流自由出流自由/淹没出流自由出流自由/淹没出流淹没出流淹没出流淹没出流淹没出流自由出流自由出流自由出流

　　(2)相同开度情况下,水闸实际过流流量与计算值的差别随着水位的升高而增加.

(3)相同的流量条件下,随着闸门开启度的增加,水闸实际过闸流量与计算值的差别增大.

对于淹没出流的情况,也存在着与自由出流的相似情况.

图1所示为4闸全开、开度e=1.5m时闸前流速分布图,由图1可知,产生上述现象的原因包括:①由于水闸闸前存在着大范围的回流,回流的存在挤占了过闸水流的有效过流宽度,因此减小了水闸过闸流量.②由于过闸水流的流向与水闸纵向轴线有一定的夹角,所以水流流向与闸墩轴线有一定夹角,从而加强了水流的紊动,增大了过闸水流能量的损失,因此水闸过闸流量减小.

结合前面的分析可以得到以下结论:上游河道与水闸纵向轴线的夹角是造成大和水闸实际过流能力下降的主要原因.正是由于夹角的存在,使得过闸水流流向与闸墩轴线之间不重合、不平行,即过闸水流不规顺,增大了过闸水流的紊动强度和能量损失,降低了实际过闸能力.夹角的存在也造成了水闸闸前大范围的回流,回流的形成将减小闸前过流宽度,从而也降低了水闸过流能力.

3.1　淹没出流与自由出流的判别

考虑到在实际应用中难以测量行近流速,本文将文献[1]中的淹没出流与自由出流判别公式中的计入行进流速水头时的堰顶水头H0改为堰顶水头H.根据实验,本文确定了判别淹没出流与自由出流的标准:

当闸孔自由出流时

hhchhc

h2-1+1≤4φhchc

h2-1+1>4φhchc

(1)

　　闸孔淹没出流时

(2)

式中:φ为0.90;ht为下游水深,m;H为堰顶水

头,m;hc为εe;e为闸门开启高度,m;ε为垂向收缩系数,由文献[1]拟合为下式.

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