德清大闸洪水期堰闸推流研究

陈 光,陆海萍,凌 燕

(1.湖州市水文站,浙江 湖州 313000;2.德清县水文站,浙江 德清 313200)

1 德清大闸基本情况

德清大闸位于德清县乾元镇东苕溪古道,是连接和调节东苕溪上下游、杭嘉湖东西部洪水和兼顾交通航运的水利枢纽工程。原闸于1959年建成,共5孔,总净宽23.0 m(中孔宽9.0 m,边孔宽均为3.5 m),闸底高程0 m(吴淞高程,下同),闸墙高程7.8 m,设计流量385 m3/s。1982年后,大闸下游相继拆除3座古桥,降低了闸下水位。1984年6月14日,实测过闸流量479 m3/s,为历史最大流量。1999年7月1日,闸上水位6.41 m,为历史最高洪水位[1]。

德清大闸改建工程是国家 “治太”骨干工程东西苕溪防洪建设中的重点工程。1998年规划建新闸,2000年拆除老闸,在老闸北侧约80 m的原东苕溪古道上重建新闸。工程按Ⅱ等工程、2级建筑物设计。枢纽设计:防洪节制闸同船闸闸首并列,采用钢结构平板闸门,卷扬式启闭机启闭。2闸均为单孔净宽12 m,上闸顶高程7.5 m,船闸兼作泄洪,总净宽24m。设计洪水标准为100 a一遇,设计泄洪流量为438 m3/s。船闸规模100 t级,闸室长110 m,宽12 m,闸底高程0m;下闸首孔宽12 m,闸底高程0 m,闸顶高程6.5 m。新闸于2001年4月竣工通水,同年6月投入试运行,2003年正式投入运行以来运行情况良好。

德清大闸水文站是国家基本水文站、省、市级报汛站,测验项目有水位、流量、雨量、蒸发。报汛项目有雨量、流量和闸上、下水位。目前的测流方式为水文缆道流速仪法,测流断面位于闸门上游约38.5 m处,矩形断面,底宽38 m;闸上水位台位于右岸,离闸门约63.5 m;闸下水位台位于同侧,离闸门约120 m处。

2 堰闸推流计算与分析

2.1 水力特性数据

堰闸流量的水力学推算与闸上水头、闸门开度、闸下水头、闸上下河床稳定性、闸门和堰坝及闸墩等结构形式有关。目前,遥测水位取值时间间隔最小为5 min,闸上水头、闸下水头均可用同期遥测水位或插补推算;闸门开度数据从德清大闸管理所获取。

德清大闸属于平板门平底闸,平水期船闸和泄洪闸均通航,航运十分频繁。近年来实测大断面资料表明,断面稳定,测验河段无明显冲淤。

根据德清大闸近3 a洪水期闸门开启泄洪资料统计,开闸测流时记录的闸上水位Hu最高为6.38 m,最低为5.59 m;闸门开度e最大为3.00m(2007年“罗莎”台风期间闸门开度曾达到3.30 m),最小为1.00 m。

2.2 闸孔出流经验公式

德清大闸洪水期测流时相对最大开度值(最大开度与闸上水头最小值之比)e/H=0.59＜0.65,据此初步判断,德清大闸水力学推流应采用闸孔出流的方式计算。闸孔出流计算的通用公式[2-3]为:

式中:μ为闸孔出流流量系数;b为闸孔净宽(m);e为闸孔开度(m);g为重力加速度(m/s2);H0为闸孔全水头(m);ε2为垂向收缩系数。

因μ的取值与闸孔自由出流或淹没出流的流态有关,因此首先要进行流态判别。当下游水深HL大于收缩断面的共轭水深hC″时,为淹没出流,否则为自由出流。共轭水深由南京水利科学研究所公式计算:

式中:hC为收缩水头(m),hC=eε2;vc为收缩断面流速(m/s),由以下公式计算:

在流态判别试算时,μ采用南京水利科学研究所经验公式计算:

垂向收缩系数ε2与相对开度e/H的关系采用儒可夫斯基理论分析列表[4],通过Excel对列表数据进行多项式关系拟合,决定系数 R2达到0.999 8,得出公式:

在实际计算中,应用Excel的VBA编辑器可以很容易将公式(1)～(5)编程而具有流量自动计算的自定义功能函数。

谁知道呢。她说她救过他的命，是他的救命恩人。这好事还真做到底了，最后把自己都送给人家摆置了！你没见过那人，一个寡汉条子，比她大有二十多岁呢。

研究资料中近3 a开闸泄洪时的流量测次对应的流态均为闸孔淹没出流,其流量计算的经验公式简化为:

式中:Hu为闸上水位(m);HL为闸下水位(m)。

2.3 流量精度验证及推流公式改进

为验证经验公式(6)计算所得的德清大闸开闸泄洪流量与实测流量偏离差值是否符合SL 20—92《水工建筑物测流规范》[5]所容许的精度要求标准,研究中选取了2009—2011年所有开闸泄洪流量测次共51次,分别为:2009年8月10—15日 “莫拉克” 台风期间,测次13次;2010年 3月5—9日早春汛期间,测次14次;2011年6月11—20日梅雨洪水,测次24次。德清大闸洪水期闸孔出流计算值与实测流量关系线见图1。

图1 德清大闸洪水期闸孔出流计算值与实测流量关系线图

德清大闸属于湖州市4个一类流量站之一,按照SL 20—92《水工建筑物测流规范》中有关流量系数现场率定的精度要求:75%以上的测点与关系线的偏差应符合:关系线中上部偏离差值控制在±5%、关系线下部控制在±8%。

德清大闸开闸泄洪流量测验测次近3 a为51次,实测流量最大值为294m3/s,最小为88.4 m3/s。将实测流量系列值从大到小排序,以总测次数的75%对应流量140 m3/s作为判断计算与实测流量带状点据关系线中上部和下部分界的标准;在上部38个点据中,计算和实测流量偏离差值大于±5%的有9次,占23.7%,偏离差值最大为11.6%;在下部13个点据中,流量偏离差值大于±8%的有3次,占23.1%,最大为13.2%。上述表明,计算流量与实测流量关系良好,达到流量系数现场率定精度要求。

图1所示点据做趋势线拟合,决定系数R2达到0.9863,得出计算流量与实测流量的关系公式:

式中:Qc为实测流量(m3/s);Qs为计算流量(m3/s)。

利用公式(7)对经验公式 (6)推算的流量进一步校正计算,得出的计算与实测流量偏离差值小于±5%的有43次,占总测次的84.3%。通过定线精度检验计算,计算流量的随机不确定度为7.44%,系统误差0.1%。说明应用公式 (7)可以减小经验公式计算和实测流量的偏离差值,同时也表明,计算流量符合SL 247—1999《水文资料整编规范》[6]堰闸站水力因素关系线定线精度指标。

3 结 语

德清大闸洪水期开闸泄洪时,过闸流量用水力因素法推求的精度达到SL 247—1999《水文资料整编规范》一类精度水文站流量定线精度指标,为本站洪水期推流方式的改进提供了依据。

在目前的推流方式和报汛任务中,洪水期间闸门开度频繁调整时需要水文测验人员随时测流、计算、报汛,工作强度大且容易出错。采用闸上、下遥测水位和闸门开度数据以及本文总结的经验公式计算流量,可以大大提高工作效率,也为防汛部门闸门调度、洪量快速计算提供便利。

研究资料中,开闸泄洪时的流量测次对应的流态均为闸孔淹没出流,未出现堰闸自由出流的记录,因此,对洪水期闸门开度更大或全开状况下的流量计算,还应进一步研究。

[1]林有祯,颜成第.苕溪运河志 [M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[2]周全,吴伟华,杨晓斌,等.上海浦东水闸过闸流量和水量率定方法研究 [J].水利水文自动化,2010(1):65-68.

[3]杜屿,戴荣法,张世闻.闸孔流量系数综合分析 [J].水文,1997(5):39-44.

[4]李家星,陈立德.水力学 [M].南京:河海大学出版社,1996.

[5]中华人民共和国水利部.SL 20—92水工建筑物测流规范 [S].北京:水利水电出版社,1992.

[6]中华人民共和国水利部.SL 247—1999水文资料整编规范 [S]. 北京:水利水电出版社,2000.