蚌埠闸12孔节制闸非汛期水闸流量计算

摘要：针对蚌埠闸12孔节制闸流量参考值较少的现状，通过水力学计算。

关键词：水力学;水闸流量;计算

1 绪论

蚌埠闸枢纽工程位于淮河中游蚌埠市，闸上流域面积12.1万km2。为了保证蚌埠闸上沿淮及淮北平原农田灌溉、城镇工业和居民生活用水以及船泊通航要求，非汛期蚌埠闸的控制运用以蓄水为主。目前12孔節制闸主要承担非汛期水位调控任务，多年来仅有下游吴家渡8时流量值供参考，一旦水闸调度任务频繁，更多时用经验值粗算流量，本文通过水力学方法来计算12孔节制闸下泄流量。

2 工程概况

蚌埠闸枢纽工程主要由28孔节制闸、12孔节制闸、老船闸、复线船闸、水电站、分洪道等部分组成。蚌埠闸12孔节制闸为宽顶堰，底板高程9.132m，每孔净宽10m，闸身全长144m，闸门为弧形钢闸门，门轴高8m，弧门半径12m。闸上设计洪水位23.22m（废黄河高程系，下同），闸下23.10m。

3 水流状态判断

因本文主要探讨12孔节制闸非汛期水位调控，其闸上水位18.0～18.3m，由水力学公式eH（e—闸门开度，H—堰顶算起闸前水深）堰流和闸孔出流界限值0.65，反推可知闸门开度e界限值为5.76～5.96。由蚌埠闸多年水闸实际调度资料可知，非汛期12孔节制闸水位调度时最大开度emax

SymbolcB@ 2.5，故12孔节制闸水流状态应为闸孔出流。

4 自由出流与淹没出流判断

当水流行进闸孔时，在闸门的约束下流线发生急剧弯曲;出闸后流线继续收缩，并约在闸门下游（0.5～1）e处出现水深最小的收缩断面。收缩断面的水深hc一般小于临界水深hk，水流为急流状态。而闸后的下游水深hi一般大于临界水深hk，水流成缓流状态。水流从急流到缓流时要发生水跃，水跃位置随下游水深hi而变化。闸孔出流受水跃位置的影响，可分为自由出流和淹没出流两种。

设收缩断面水深hc的跃后水深为共轭水深h″c。若hi

SymbolcB@ h″c则为自由出流;若hi>h″c则为淹没出流。跃后水深可由h″c=hc21+8v2cghc-1求得，式中收缩断面hc=e·ε，收缩断面流速vc=με2gH，三式联立简化为h″c=eε21+16μ2Heε3-1。

流量系数μ与弧形闸门垂直收缩系数ε由闸门下缘切线与水平夹角a通过经验公式和查表求得。

闸门下缘切线与水平夹角a=arccos（C-er）=arccos（8-e12）（C—门轴高，r—弧门半径）

流量系数μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

例：已知蚌埠闸闸上水位18.41m，闸下水位13.79m，开度12×0.5，下游某水文站8时通过测流推得流量460m3/s，通过计算对比Q算、Q测、Q估。

解：（1）判断闸孔处流还是堰流。

eH=0.518.41-9.132=0.054<0.65为闸孔出流

（2）判断自由出流还是淹没出流。

闸门下缘切线与水平夹角a=arccos（C-er）=arccos（8-0.512）=51.318°，查表1通过内插法求得弧形闸门垂直收缩系数ε=0.7142。

流量系数μ=（0.97-0.81a180）-（0.56-0.81a180）eH

=（0.97-0.81×51.318°180°）-（0.56-0.81×51.318°180°）×0.518.41-9.132=0.7213

共轭水深h″c=eε21+16μ2Heε3-1

=0.5×0.714221+16×0.72132×18.41-9.1320.5×0.71423-1

=3.503

因hi=13.79-9.132=4.658>h″c，故为淹没出流，用式②计算流量。

（3）计算淹没系数σs。

由潜流比hi-h″cH-h″c=13.97-9.132-3.50318.41-9.132-3.503=0.2，查表2得淹没系数σs=0.78。

（4）计算流量。

Q算=σsμBe2gH=0.78×0.7213×12×10×0.5×2×9.8×18.41-9.132=455.2m3/s

（5）Q算、Q测、Q估对比。

Q估=neQ=12×0.5×80=480m3/s，Q算=455.2m3/s，Q测=460m3/s

明显可见，Q估值偏大，Q算、Q测较为接近。

6 计算简便化

在早期计算流量过程，需频繁查表计算垂直收缩系数ε和淹没系数σs，多有不便。经笔者在Excel中采用if命令对计算过程予以简化，使得计算工作大为减轻，只需人工输入上下游水位、闸门开启孔数n及开度e即可获得流量值，如下图。

7 结语

在水闸自动化改造过程中，本计算方法已应用于水闸自动化监控系统，通过自动采集水位、闸门运行参数，可实时显示蚌埠闸12孔节制闸当前下泄流量，为水闸调度运用时提供实时流量参数，保证了水闸安全运行。

参考文献：

[1]吴持恭.水力学.高等教育出版社，2001.

[2]蚌埠闸调度运用办法（暂行）.

[3]蚌埠闸控制运行记录（2010～2017）.

作者简介：路国强（1982），男，本科，工程师，主要从水闸工程管理工作。