泄洪闸闸底板相对高差影响泄流能力的研究

□饶丘慧（乌鲁木齐市水务工程建设质量监督站）

泄洪闸闸底板相对高差影响泄流能力的研究

□饶丘慧（乌鲁木齐市水务工程建设质量监督站）

泄流能力与闸坝综合消能是关系泄洪闸枢纽作用能否发挥的重要方面，且泄洪闸闸底板上下游河床高差的不同对其泄流能力存在很大影响。文章通过甘泉堡防洪工程泄洪闸枢纽的模型试验，对闸底板上下游高差的不同值影响泄流能力进行了研究，并利用水槽试验对影响泄流能力的可能原因进行分析，推求出流量系数计算的经验公式，并通过对工程泄洪闸泄流能力的计算与误差分析验证了公式的正确性与适用性。

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1 工程实例

1.1 工程概况

甘泉堡防洪工程位于米东区东部，G216和吐乌大高等级公路以北，东接阜康市准东石油基地，西邻米东区三道坝镇和五家渠市产业园区，区域约2/3在米东区境内，1/3在阜康境内，距阜康市境内准东油田指挥部约2 km，距阜康城西北10 km，紧邻阜北农场公路，交通十分便利。西距兵团农五师五家渠市22 km，距米泉三道坝镇16 km，距乌鲁木齐市40 km。

1.2 泄洪闸基本情况

本次设计结合地形图，设计泄洪闸闸孔尺寸根据计算及定型闸门尺寸取整，最终定为：分洪闸为N=1孔，每孔净宽为B分洪=6.00 m；泄洪闸为N=6孔，每孔净宽B泄洪=6.00 m，通过平面布置，黑沟河泄洪闸总宽42 m。泄洪闸闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。安全超高下限值，设计洪水位时为0.70 m，校核洪水位时为0.50 m。且闸顶交通桥梁底高程应高出最高洪水位0.50 m。

2 淹没度影响泄流能力

防洪工程挡水建筑物多采用全闸设计或泄洪闸+溢流坝设计方案，在任何一种布设方式下，为减少泄流要求并降低工程造价，均需减少闸孔数或缩减泄流宽度。低闸枢纽由于具有较低的闸底板以及较低的溢流堰顶高程，所以其泄洪淹没度较大，很难准确计算其泄流能力，因而宽顶堰流公式存在一定误差，分析如下。

其中，Q——流量（m3/s）；B——堰宽（m）；hs——超过堰顶的水深（m）；H——堰上水头（m）；H0——堰上总水头（m）；m——流量系数；σs——淹没系数。

图1 淹没系数σs和淹没程度hs/H0的关系曲线图

通过绘制淹没系数σs和淹没程度hs/H0的关系曲线可知（图1），随着淹没程度的不断增加，淹没系数随之减小，曲线在开始之初变化较为平缓，但当hs/H0超过0.80后，曲线逐渐开始变得陡峭，淹没系数快速下降，取值愈加不稳定。其余假设条件不变，令σs所可能误差为△σs，由堰流公式（1）便可推求出流量与水位变量误差的相对值：

其余假设不变时，当淹没度误差△hs/H0=0.01时，便可根据图1和式（4）～（5）求得淹没系数、流量与水位误差的相对值。根据表1，泄洪闸或溢流坝的淹没度hs/H0超过0.85后，淹没系数取值快速下降，而当淹没度计算过程中出现微小偏差，则淹没系数变化幅度较大，所以利用式（1）所求得的既定流量下的坝前水位误差较大。

表1 淹没系数、流量与堰上水头误差的相对值表

通过堰流公式计算并利用淹没系数σs和淹没程度hs/H0的关系表明，淹没度较高的泄洪闸泄流能力的计算误差较大，必须利用模型试验进一步确定误差的准确性，实现合理确定闸孔数和溢流宽度的理想目标。

3 闸底板相对高差影响泄流能力

本工程泄洪闸建设中，对现状河床地形条件等的调查较为充分，且为提高闸室泄洪能力并降低闸前水位将闸底板布设在比上下游河床平均高程较低的位置，以期实现降低淹没损失的目标，这种设计泄洪效果较差，为了进一步研究闸底板高差对泄洪能力所可能的影响，必须进行专门的水槽试验。

3.1 试验设计

在长×宽×高为35 m×2 m×2 m的玻璃水槽中利用矩形薄壁量水堰进行流量控制，并以甘泉堡防洪工程泄洪闸为原型资料验证泄洪闸上下游河床地形情况对闸室泄洪能力所可能造成的影响，并按照1∶50的几何比尺寸进行玻璃水槽中泄洪闸闸墩与堰型的设计，模型闸墩宽为8.50 cm，闸孔宽28.50 cm，闸底板长度为60.80 cm，对两个全闸孔和左右两个半闸孔的泄流情况进行模拟。

试验中分别选定不同的上游河床高度，对五级流量泄流情况进行实测，并对上游河床高程与闸底板高程一致时下游河床高程降低对泄流能力所可能造成的影响进行测定，结果表明，当上下游河床高差改变时，闸底板水平段的长度始终保持一致。

3.2 试验成果分析

根据试验过程及结果，下游河床高程的降低并不会对泄流能力造成明显影响，原因在于实验条件下自由出流或淹没度出流受到控制，且当上游河床超过闸底板高程时流量系数影响效果更明显。试验流量范围下，假设河床高程不变，随着相对水头的增大流量系数随之增大，且相对高差越大则上游河床越低，闸孔过流能力越强，流量系数越大。

3.3 经验公式算例

以甘泉堡防洪工程泄洪闸试验资料为依据，该泄洪闸闸底板高程最初设计值较低，导致泄洪闸泄流能力低于设计计算值。根据上游河床地形的高差值对流量系数影响的经验公式（6），计算各级流量下的流量系数，甘泉堡防洪工程泄洪枢纽平均高差为3 m，闸室长为30 m，代入公式为：

计算结果详见表2，通过经验公式所计算的流量系数值与利用堰流公式所计算的流量系数之的偏差绝对值小＜5%，表明公式（6）更加切合工程实际且适应性较强。

表2 经验公式流量系数计算值与堰流公式计算值的比较表

4 结论

通过以上试验表明，泄洪闸枢纽流量系数与相对高差和相对水头呈正向变动关系，并验证了不同流量细数下泄洪闸泄流能力的具体计算，本实验基于自由出流与低淹没度等条件，当逐步放宽这些假设条件且上游河床与闸底板对泄流能力的影响并未考虑在内，且利用经验公式所计算的流量系数值与利用堰流公式所计算的流量系数值基本一致，文章的计算结果对于类似工程具有普遍适用性。

［1］李松平，赵玉良，赵雪萍，河口村水库泄洪洞水工模型试验研究［J］，人民黄河，2015（1）：119-120.

［2］郭园，程永光，李国栋，泄洪闸三维流态CFD优化分析［J］，武汉大学学报（工学版），2012（4）：182-186.收稿日期：2017-05-12

编辑：刘长垠韦诗佳

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饶丘慧（1979.12.23—），男，工程师，主要从事水利工程质量监督工作。