堰闸站淹没孔流新理论推流方法

伍 勇，李 红，陈朝辉

（湖北省荆州市水文水资源勘测局,湖北 荆州 434000）

1 引言

利用水工建筑物推流，常有堰闸流量系数法、堰闸过水平均流速法、关系方程式或经验公式法等方法，采用流量系数法是水文站常用方式，应用方便而实用。流量系数法根据实测流量率定流量系数，分析获得不同出流情况下的水力因素与流量系数的关系曲线或方程式。流态处于淹没孔流时，一般采用相关关系为闸门开启高度（e）与水位差△Z 比值或闸门开启高度（e）与下游水头（hL）比值与流量系数建立关系线或关系式[1-2]，适用于一般堰闸，具有一定的局限性。应用部分堰闸时，关系线比较散乱，无法成为理想的关系式，计算流量误差比较大。为研究堰闸出流状态为淹没孔流相关关系的实用性，本文提出以水位差（△Z）与上游水头（hu）比值作为新的水力因素，理论公式中相应的参数作调整，不改变结构形式，利用37 次实测成果资料作应用分析，并经过14 次现场成果检验进行综合评价。

2 研究区概况

福田寺进湖闸建于1975 年，2005 年完成除险加固工程。闸门孔共6 孔，孔宽为8.5 m、高为4.9 m，闸门型式为直升闸，平底闸，闸底为矩形，闸墩头为半圆形，翼墙为扇形，闸门密封良好，不漏水。它是修建洪湖分蓄洪区主隔堤的产物，目的是要保持总干渠与洪湖的连通，让四湖地区排涝体系保持完整。

福田寺闸由福田寺防洪闸、福田寺船闸、福田寺节制闸构成，是荆州市防洪排涝安全体系中重要水工建筑物，上接总干渠，下接洪湖。防洪闸上游左侧有节制闸通洪排河，上游右侧有船闸可通航，节制闸河船闸运行时对断面水位流量影响不大。四湖中区的内涝大部分水量经此流出，同时也是内河船运的主要通道。

3 应用研究及论证

3.1 研究分析

堰闸站判别淹没孔流出流状态为闸门未提出水面，同时下游水位影响闸门出水有影响，可根据水文资料整编规范给出相应公式，计算出闸门过水流量，其计算式为：

式中：Q 为流量（m3·s-1）；M2为淹没孔流流量系数；B 为闸孔总宽或开启净宽（m）；e 为闸门开启高度（m）；△Z 为上下游水位差。

式（1）中相关关系为e/△Z—M2建立相关关系线。依据现场观测闸门运作情况，计算相应的水力因素，推算流量系数，带入公式推出流量。

选择福田寺水文站多年实测资料进行分析，建立式（1）中相关关系并不理想，点与点之间关系散乱，没有存在一一对应关系，不具有统计特征分析。因关系线中e/△Z 比值容易产生同开高，水位差不一样情况，那么e/△Z 比值与流量系数关系M2没有较理想的关系，式（1）中△Z 因子，受到闸门控制和关系线影响，流量变化较大，一般不采用。为更好反映水力因素与流量系数具有统计特征，反应出具有一定规律性，调整部分参数因子，其相应调整后计算公式为：

式中：hu 为上游水头。

式（2）中相关关系为△Z/hu—M2，建立相关关系线。依据实测资料的计算值，对两者相关关系进行分析。两者点与点之间比较紧密，下部变化缓慢，上部逐渐变陡，中部逐渐向右，呈带状。本文采取最小二乘法原理对关系线进行拟合，根据误差平方和最小，找出数据最佳函数匹配。为避免一次性拟合使得下部或中上部点误差偏大，流量结果不符合实际要求，采取分下部、中上部两段进行处理，通过中上部与下部的结合线，拟定出关系线如图1。

图1 △Z/hu—M2 关系曲线图

从图1 可得知，利用最小二乘法原理对下部、中上部进行拟合，实测值和模拟值偏离较小，整体趋势控制较好，没有突出点偏离，计算残余平方和分别为0.001 和0.03，具有拟合较高吻合程度。通过关系线的标准差、随机不确定度和系统误差三项指标确定指标精度。

实测点标准差按式（3）计算：

式中：Se 为标准差，（%）；xi为实测点数据；xci为模拟点数据；n为实测点总数。

随机不确定度按式（4）计算：

式中：XX'为置信水平95%的随机不确定度。

系统误差采用实测点对关系线相对误差的平均值。

根据拟定出关系线计算标准差为2.4%，随机不确定度为4.8%，系统误差为-0.2，均符合相关规范要求，说明关系线定线精度符合要求。通过前者对关系线精度检验，现对关系曲线检验，分别做符号检验、适线检验和偏离检验，符号检验是检验曲线两侧点分布是否均衡；适线检验是检验曲线两侧点分布是否有系统偏离；偏离检验是检查测点偏离关系线的平均偏离值，以论证关系线定得是否合理；最后计算分别为0.82,0,-0.01，其结果符合规范要求。通过水力因素与流量系数关系线的率定，根据其37 份资料分析，利用公式（2）计算出流量值，结合现场实测流量值对比分析如图2。

表1 淹没孔流现场测验基本情况

表2 两者结果误差分析

从图2 分析出两则对比分析值的最大相对误差为-6.4%，最小相对误差为0.078%，相对误差在5%以内有35个，占整个测点数的95%，相对误差超过5%为2 个，其测点数相对误差没有超过8%，结果得知推算值与实测值总体相对误差偏小。

3.2 实际应用

为了进一步检核率定△Z/hu 与流量系数M2关系式和新理论公式在堰闸站的实际应用，在不同时间段，根据现场其水位变化、闸门运作情况，收集相关资料，计算相应成果。由表1和表2 得知，现场测得△Z/hu 比值范围在0.067～0.441 之间，基本覆盖率定线△Z/hu 下部和中上部的比值，具有较好的代表性。实测流量采用流速仪测流法，它是水文流量测流的一种基本测验方法。在福田寺水文站观测闸上水位，利用已有测量流速仪测流大断面资料，确定水面宽、测深测速垂线，用流速仪分别测出若干部分面积的垂直于过水断面的部分平均流速，然后乘以部分过水面积，求得部分流量，计算其代数和得出断面流量。通过14 次现场资料收集，推算流量与实测流量最小绝对误差相差1m3·s-1，最大绝对误差相差11m3·s-1，最小相对误差为0.71%，最大相对误差为-6.17%，分析对比整体误差小，满足闸门淹没孔流出流状态。通过关系线率定情况下，可观测闸上、闸下水位、闸门开高、孔数，推算出淹没孔流状态下的流量。

堰站中推流过程中，相关水力因素数值大小由水位变化引起，而流量大小主要有闸孔过水面积控制，掌握闸门运行情况非常重要，闸门变化是引起流量变化重要因素。从资料分析出水位差大，相关水力因素就大，闸孔过水面积大，引起流量偏大。

4 结论

江汉平原河湖密布，水系比较发达，湖泊广布，多处修建水工建筑物堰闸工程来调节水量变化，因此了解堰闸工程类型、流态变化比较关键。在水文资料整编规范给出的出流状态为淹没孔流计算方法比较少，且适用范围为一般堰闸类型，适用范围并不广泛，为满足在淹没孔流状态，推流方法更加多变化，为此本文提出新理论推流方法。

（1）通过新理论公式，△Z/hu 与流量系数M2关系式具有一定的相关联系，符合线性变化规律；根据现场试验结果分析，推算流量与实测流量相差比较小，可以应用其结果，其方法比较新颖。

（2）福田寺站具有代表性，它是控制入洪湖水量重要控制站，据多年资料分析，福田寺闸出流状态为淹没孔流状态较多，满足精度要求情况下，可进一步提高计算方式的范围。

（3）随着水文新技术不断应用，水位、闸门变化实现遥测自动化，无需人工时刻记载，对堰闸站的出流状态率定，十分重要。