潮汐作用下水闸的泄流特性研究

刘猛，何萍，李凯

（1.上海河口海岸科学研究中心河口海岸交通行业重点实验室，上海201201；2.上海明波水利设计有限公司，上海201100；3.盐城市新洋港闸管理所，盐城224333）

潮汐作用下水闸的泄流特性研究

刘猛1，何萍2，李凯3

（1.上海河口海岸科学研究中心河口海岸交通行业重点实验室，上海201201；2.上海明波水利设计有限公司，上海201100；3.盐城市新洋港闸管理所，盐城224333）

依据物理模型试验及理论分析方法开展了潮汐作用下水闸的泄流特性研究，取得了新认识：1）将水闸工程及内外衔接工程作为一个整体来研究其泄流特性是可行的；2）在外河水位与内河水位确定条件下，水闸泄流流量与相对开度呈良好的线性关系；3）提出了区分闸孔出流条件与闸门全开条件的临界开度的计算方法；4）提出了闸孔出流条件和闸门全开条件下的阻力系数计算公式；5）在综合考虑上下游水位差、闸孔面积以及上下游水深比值等因素基础上，提出了计算精度更高的闸孔出流条件下泄流流量计算公式。

潮汐；水闸；泄流特性；阻力系数；流量；长江口

影响水闸泄流（包括闸孔出流和堰流，其中堰流对应闸门全开状态，是闸孔出流的一种极限情况）流量的因素很多，闸底坎形式、闸门类型、上下游水深、闸门宽度、闸门开启度以及水闸附近工程布置等都将影响水闸泄流流量的大小［1-6］。对于较为平顺的水闸泄流，相关文献［1-3］都做了一定研究，得到了一些理论公式，但实际工程往往受到多种复杂因素的综合影响，目前的研究成果还不能给出适合所有情形的表达式。

潮汐作用下水闸的泄流特性更为复杂，因为外河水位变化频繁且幅度大，而且内河水位变化一般也较大，这种复杂多变的水位组合不仅仅影响闸门附近的水流形态，而且对内外河衔接工程（如消力池、海漫段、防冲槽及连接段等）的水流形态影响非常显著，难以通过传统方法直接确定水闸泄流特性。

严家港泵闸位于长江口南港河段南岸，距上游吴淞口2.5 km。严家港水闸是严家港泵闸的重要组成部分（图1），该闸兼有挡潮、防汛除涝和水环境治理等功能。严家港水闸为单孔，孔口宽10 m，底高程-1.00 m（上海吴淞高程，下同），水闸及内外衔接工程长度约200 m，包括闸室、内外河消力池、内外河海漫段、内外河防冲槽及内外河连接段等（图2）。严家港水闸具有典型的潮汐作用下水闸特征，外河平均潮差约2.40 m，最低潮位-0.43 m，最高潮位5.97 m，设计泄水最高潮位为2.15 m；内河最高控制水位为3.75 m，预降水位为2.00 m，常水位为2.50～2.80 m。

本文以严家港水闸为例，将水闸工程及内外衔接工程作为一个整体来研究其在各种条件下的泄流特性，回避了直接对闸室和内外衔接工程复杂内部水流特性的研究，探索较为普遍的整体泄流特性规律，取得了新的认识。

图1严家港泵闸平面布置图Fig.1 Layout plan of Yanjiagang Pump Brake

1 数据与方法

物理模型根据重力相似准则（λv=λ0.5h=5.92）设计，闸室段采用有机玻璃制作，其余部分采用混凝土制作，全面模拟了闸室、内外河消力池、内外河海漫段、内外河防冲槽、内外河连接段以及内外河，本文涉及的水闸泄流特性试验均为恒定流试验。

综合考虑外河潮汐特征以及开闸泄水时外河水位要求，试验中外河试验水位选择5个，分别为0.00 m、0.89 m、1.50 m、1.80 m以及2.15 m，每个外河水位对应5个不同的内河试验水位，每组试验水位组合下闸门开启高度为5个，试验组次共125组，其中闸门全开工况25组，闸孔出流工况100组。

为了实现将水闸工程及内外衔接工程作为一个整体来研究其在各种条件下的泄流特性，故选取上游参考断面1-1距闸门约50 m，下游参考断面2-2距闸门约160 m（图1），2个参考断面在各种试验条件下均为渐变流断面。列断面1-1和2-2的能量方程为式中：Z1为断面1-1水位，m；Z2为断面2-2水位，m；α1、α2分别为断面1-1和断面2-2动能校正系数，取α1=α2=1；V1、V2分别为断面1-1和2-2的平均流速，m/s；ξ为断面1-1和2-2之间的阻力系数。由式（1）变换可得ξ的表达式

令Q为通过闸孔的流量，S1和S2分别为断面1-1和2-2的过水面积，式（2）可变换为

图2 3-3断面示意图Fig.2 Sketch of cross section 3-3

2 闸孔出流条件下泄流特性研究

外河水位0.89 m时，不同上游水位对应的泄流流量Q与相对开度e为闸孔开度，m；H1为断面1-1相对于闸底平面的水位，即上游堰上水深，H1=Z1+1.0，m）关系见图3。由图3可见：（1）在外河水位与内河水位确定条件下，水闸泄流流量Q与相对开度eH1呈良好的线性关系；（2）内河水位越高，上述线性关系斜率也越大，即水闸泄流流量Q随相对开度e H1的变化速率越快。

断面1-1和2-2之间的阻力系数ξ与相对开度e H1的关系见图4，可用下式表达

式中：a1、b1均为待定参数，对应于严家港水闸的a1、b1值分别为9.73和-2.14。闸孔出流条件下流量Q一般计算形式［3］可表达如下

式中：μ1为断面1-1和2-2之间的综合流量系数。

对比式（3）与式（5）可知，若以闸孔作为水闸泄流流量Q的计算参考断面，μ1可以表示为

图3Q与e H1的关系Fig.3 Relationship ofQand e H1

图4ξ与的关系Fig.4 Relationship ofξand e H1

图5Q与的关系Fig.5 Relationship ofQand

图6Q与的关系Fig.6 Relationship ofQand

式中：A为闸孔面积，A=B×e，m2；a2和b2为待定参数，对应严家港水闸a2、b2值分别为-0.001 7和1.112。

式中：a3为待定参数，对应于严家港水闸的a3值为1.159。

由以上分析可知，对于某个水闸来说，水闸泄流流量Q与组合变量呈良好的线性关系，只要能通过物理模型试验或原型观测等手段获得其比例系数，便可掌握该水闸闸孔出流条件下的泄流特性。

3 闸门全开条件下泄流特性研究

闸门全开条件下流量Q一般计算形式［3］可表达如下

式中：μ2为断面1-1和2-2之间的综合流量系数；B为闸孔宽度，m。

对比式（3）与式（9）可知，若以闸孔为水闸泄流流量Q计算的参考断面，μ2可以表示为

通过深入分析可以发现，断面1-1至2-2之间的水流阻力系数ξ与相对水位差之间呈良好的二阶多项式关系（图7），具体关系可以表示如下

式中：a4、b4及c4均为待定参数，对应于严家港水闸的a4、b4、c4值分别为37.31、38.12和6.78。断面1-1和2-2之间的综合流量系数μ2与H2呈良好的线性关系（图8），如下

式中：a5、b5均为待定参数，对应于严家港水闸的a5、b5值分别为0.85和0.44。

依据试验采集得到的断面1-1和2-2水位数据，首先根据式（12）计算得到综合流量系数μ2，然后根据式（9）计算得到闸门全开条件下水闸泄流流量Q计，最后将实测流量Q测与计算流量Q计绘于图9。

图7ξ与的关系Fig.7 Relationship ofξand

图8μ2与H2的关系Fig.8 Relationship ofμ2andH2

由图9可见，利用上述计算方法可以得到较好的闸门全开条件下水闸泄流流量Q值。

闸门开启至全开过程中存在临界开度ec，即当闸门开度小于ec时，闸门开度变化对水闸泄流能力有影响；当闸门开度大于ec时，闸门开度变化不再对水闸泄流能力有影响。经过分析发现（图10），临界相对开度可用下式表达

式中：a6、b6及c6均为待定参数，对应于严家港水闸的a6、b6、c6值分别为-0.33、0.60和0.60。

图9Q测与Q计的关系Fig.9 Relationship ofQ测andQ计

图10ecH1与的关系Fig.10 Relationship ofecH1and

研究具体水闸时，将水闸及内外衔接工程作为一个整体来研究其泄流特性是可行的，回避了直接研究各种淹没条件以及闸上下游工程平面布置等因素对泄流特性的复杂影响。此外，研究成果的结构形式简单，应用方便，如所有计算阻力系数ξ、流量系数μ及泄流流量Q的公式中仅含水位、开度等实践中容易获取的变量，未出现一些常见公式［1-5］中所含有的实践中较难获得的收缩系数、平均流速或包含流速的各种变量。

4 结语

依据物理模型试验及理论分析方法，以典型水闸工程为例，深入开展了潮汐作用下水闸的泄流特性研究，取得了新的认识：（1）在研究具体工程时，将水闸工程及内外衔接工程作为一个整体来研究其泄流特性是可行的，不仅可以避免研究各种淹没条件以及闸上下游工程平面布置等因素对泄流特性的复杂影响，而且研究成果的结构形式简单，应用方便。（2）文中分别提出了闸孔出流条件和闸门全开条件下的水闸阻力系数ξ的计算公式及泄流流量Q的计算公式，并提出了区分闸孔出流条件与闸门全开条件的临界开度ec的计算公式。（3）在计算闸孔出流条件下泄流流量Q时，宜综合考虑上下游水位差ΔH、闸孔面积A以及上下游水深比值的影响，水闸泄流流量Q与组合变量良好线性关系。（4）在闸门全开条件下，综合流量系数μ2与H2呈良好的线性关系。（5）在外河水位与内河水位确定条件下，水闸泄流流量Q与相对开度1呈良好的线性关系。

［1］清华大学水力学教研组.水力学下册［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［2］武汉水利电力学院水力学教研室.水力学下册［M］.北京：高等教育出版社，1987.

［3］李家星，赵振兴.水力学下册［M］.南京：河海大学出版社，2001.

［4］吴门伍，陈立，周家俞.大和水闸过闸流量分析［J］.武汉大学学报：工学版，2003，36（5）：51-54，78. WU M W，CHEN L，ZHOU J Y.Analysis of water discharge through sluice［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2003，36（5）：51-54，78.

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［6］孟德臣，黎国森，邢顺敬，等.葫芦湾枢纽泄水闸泄流能力研究［J］.水道港口，2010，31（4）：282-284. MENG D C，LI G S，XING S J，et al.Study on discharge capacity of Huluwan hydro⁃junction release sluice［J］.Journal of Water⁃way and Harbor，2010，31（4）：282-284.

Study on discharge capacity of sluice under tidal action

LIU Meng1,HE Ping2,LI Kai3
（1.Shanghai Estuarine and Coastal Research Center,Key Laboratory of Estuaries&Coastal Engineering,Ministry of Transport,Shanghai 201201,China;2.Shanghai Mingbo Hydraulics Engineering Design Co.Ltd.,Shanghai 201100,China;3.Yancheng city new port sluice management,Yancheng 224333,China）

Based on the physical model test and theoretical analysis,the discharge capacity of sluice under the tidal action was studied,some new understanding achieved:1)It′s feasible to study the discharge characteristics by taking the sluice engineering and the internal and external cohesion engineering as a whole;2)There is a good lin⁃ear relationship between the discharge flow and the relative opening degree of the sluice,when the internal water level as well as the external one is determined;3)A method to calculate the critical opening degree is proposed which can be used to distinguish the sluice gate discharge from the gate fully opening condition;4)The formula to calculate the drag coefficient under sluice gate discharge and gate fully opening condition is proposed;5)The formu⁃la to calculate the discharge flow with higher accuracy under sluice gate discharge is proposed based on the consid⁃eration of several factors,such as the water level difference between upstream and downstream,the area of the gate hole,the water depth ratio of upstream and downstream,etc.

tide;sluice;discharge capacity;drag coefficient;discharge flow;the Yangtze Estuary

TV66；TV698

A

1005-8443（2015）04-0334-05

2015-02-10；

2015-03-09

水利部公益性行业科研专项经费项目（201301020）；国家自然科学基金（41306085）

刘猛（1983-），男，江苏省宿迁人，副研究员，主要从事河口水沙运动及河口航道治理研究。

Biography：LIU Meng(1983-),male,associate professor.