堰闸影响的河道流量推求探讨

张 亮

（四川省绵阳水文水资源勘测局 四川 绵阳 621000）

1 基本情况

2004年，梓潼县在梓潼水文站下游约2km处开始修建文昌闸坝工程，工程于2006年9月完工。工程为梓潼县的景观河道工程，工程的枢纽部署包括左右两岸分别宽15m的WES实用溢流堰、7孔宽12m的平底闸坝以及位于河道左岸的溢洪道组成。WES溢流堰为上游侧垂直、顶高468.70m的实用堰，其堰底高程为464.00m，采用折线消力舌进行连接，在尾端采用消力坎进行最后消能；闸门组由7孔12m宽平底闸组成，闸底高程464.00m，闸门的顶高为469.50m。

2 流量推求方案

梓潼水文站的流量推求方案：当文昌闸坝不开闸泄流时，采用两侧的溢流堰进行推求；当文昌闸坝的泄洪闸开启泄洪后，分别对闸前水深与闸门开启高度进行比较，确定采用闸孔出流与溢流堰结合方式、闸单独出流以及闸全开采用宽顶堰方式或河槽过流进行出流来推求下泄流量。当基本水尺断面能正常测流后，采用基本水尺断面的水位流量关系线进行推流，三种方法结合推求梓潼站流量。

表1 WES实用溢流堰水位～流量曲线关系

表2 文昌闸坝的闸门的垂直收缩系数参数表

表3 平底闸淹没系数表

2.1 WES实用堰推流

堰流流量的计算公式为

式中，b——每孔净宽；

N——闸孔孔数；

H0——包括行近流速水头的堰前水头；

v0——行进流速；

m——自由溢流的流量系数，它与堰型、堰高等边界条件有关；

σc——侧收缩系数，它反映由于闸墩（包括翼墙、边墩和中墩）对堰流的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流的影响；

σs——淹没系数，当下游水位影响的泄流能力时，堰流为淹没堰流，其影响用淹没系数表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时σs=1.0。

2.1.1 流量系数m

根据梓潼文昌闸坝设计资料，溢流堰采用上侧垂直，堰高P=4.7m，根据设计资料和推流水位的范围，其P/H0〉1.33，为高堰，可不计其行进流速，其流量系数计算采用计算（其中A=1.7915，B=0.2062，并 且 H0/Hd＞0.4），H0/Hd≤0.4 采 用内插 表进行计算。梓潼文昌闸坝的设计水头为Hd=474.80-468.70=6.10m。

2.1.2 淹没系数σs

根据梓潼文昌闸坝设计和梓潼水文站推流的要求，文昌闸坝的溢流堰为自由出流，其淹没系数确定为1。

2.1.3 侧收缩系数σc

或中，b——为每孔净宽；

H0——为堰顶全水头；

ζ0——为闸墩形状系数；

ζk——为边墩形状系数。

根据梓潼文昌闸坝的设计，由于是采用单孔的溢流堰，其边墩系数ζk=0.1，闸墩形状系数ζ0=0。堰下实测流量，率定后的溢流堰水位流量关系，见表1。

2.2 闸孔出流

式中，e——为闸门开启高度；

b——为每孔净宽；

n——为闸孔孔数；

H0——为包括行进流速水头的闸前水头；

ε——为垂直收缩系数，见表2；

μ——闸孔自由出流的流量系数，它综合反映闸孔形状和闸门相对开度e/H对泄流量的影响；

σs——淹没系数。自由出流时σs=1.0。

根据梓潼文昌闸坝的设计，泄洪闸为7孔12m的平底闸，其流量系数μ采用进行计算。

淹没系数σs，见表3。根据计算出的收缩系数和初算流量以及闸下水深进行自回归计算。其计算流程，见图1。

图1 计算流程

2.3 无坎宽顶堰推流

梓潼文昌闸坝在闸门完全打开后，闸室下游为陡坡河道，其坡降为1：4，下游流态为急流，因此形成了无坎宽顶堰出流。

无坎宽顶堰流，是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面上的束窄产生侧向收缩,引起水面跌落而形成.其计算公式与普通宽顶堰流公式相同。但在计算中一般不单独考虑侧向收缩的影响，而是把它包含在流量系数中一并考虑，即令m’=m*ε1，m’为包括侧收缩影响的流量系数。计算公式为无坎宽顶堰的流量系数m'，可根据进口翼墙的形式及平面收缩的程度查取而得。

根据梓潼文昌闸坝的设计方案，梓潼文昌闸坝的进口翼墙为直角式翼墙，采用直角翼墙根据b/B的关系进行流量系数插补，见表4。

表4 b/B关系

文昌闸坝的闸门开启为人为控制，其方式按实际高度记载资料进行分析，对于多孔则采用边孔及中孔的加权平均值，梓潼文昌闸坝的中墩和中墩厚为均2m。

无坎宽顶堰的淹没系数，可近似地采用下表进行查用，见表5。

表5 无坎宽顶堰的淹没系数

梓潼文昌闸坝的宽顶堰方式出流的流量计算采用“逐步近似法”进行计算，由于闸孔全开后流量较大，因此采用“逐步近似法”的流量精度控制在1m3/s。

3 流量推求成果

根据梓潼闸坝实时记录成果分析，当闸门全关闭时，直接采用两侧的WES实用堰进行计算泄流流量；当闸门开启后，闸前水深大于闸门的开启高度时，采用闸孔泄流和WES实用堰联合泄流方式计算泄流流量；当闸门的开启高度大于闸前水深时，则采用无坎宽顶堰和WES实用堰联合泄流方式计算泄流流量。

4 成果评定

根据梓潼水文站实测的流量与溢流堰下泄流量进行对比分析。采用WES实用堰计算的堰流与实测的流量成果相符，各种方法推流衔接较好，资料可供使用。

5 结论

由于目前绵阳水文水资源勘测局各水文站所在河流大部分受水利工程影响，测验情况千变万化，采用工程水文学的方法对水文测验进行有益的补充和扩展势在必行。

梓潼水文站的推流方法结合了本站河段的实际情况，推流方法选用较合理，成果比较可靠。

[1]赵振兴，《水力学》，清华大学出版社.

[2]齐清兰，孟庆才，单长河，WES剖面实用堰流量系数的计算.

[3]单长河，齐清兰，无坎宽顶堰流量系数的计算及讨论.

[4]山东建筑工程学院城市建设系，直立平板闸门流量计算的实验研究.