泗阳闸水力学模型出流能力的分析验证

马余良，赵天昌，许 攀，马 悦，张前进

（江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800）

1 工程概况

原泗阳闸建成于1960年，共17孔，闸孔净宽4.0 m，设计流量1 000 m3/s，属沂沭泗水系，通过中运河串联骆马湖、洪泽湖，实现淮沂互调互济，为中运河上重要的水工控制建筑物。主要功能有排洪和节制水位，排洪主要是排泄骆马湖下泄的洪水及黄墩湖地区、中运河沿岸的涝水；节制水位主要是保证中运河沿线灌溉、航运及城镇用水的需要。该闸经过多年的运行，虽然历经多次的除险加固，但工程仍然存在严重的安全隐患，经安全鉴定为四类闸，于2012年拆除，并在原泗阳闸下游约50 m处进行新建。

新建的泗阳闸共7孔，闸孔净宽10.0 m，弧形钢闸门［1］，采用圆角梯形堰，堰顶高程为11.50 m，上游堰高3.0 m。按50年一遇标准设计，100年一遇标准校核，设计流量仍为1 000 m3/s，闸一侧设2孔3 m净宽的小水电孔，共2台机组，每台装机容量160 kW，发电总装机容量为320 kW，设计流量10.0 m3/s。

2 水力学模型出流能力试验

新建的泗阳闸采用圆角梯形堰，建设单位委托河海大学建立该闸水力学试验模型，研究新型圆角梯形堰在堰流、孔流方式下的泄流能力，为工程运行管理及优化控制运行提供科学依据。

试验模型的断面采用2孔闸孔宽度进行模拟，上游模拟至闸上游约130 m处，下游模拟至闸下约150 m处，模型全长约20 m［2］。

2.1 闸门全部开启运行时的出流能力

当闸门全部开启运行时，闸孔出流水流为淹没式堰流，试验中通过对模型的上、下游水位进行调节，分别测得不同水位组合情况下的闸孔出流流量，淹没式堰流计算式为

式中：m为流量系数；H为上游水头，m；B为闸孔净宽，m；Q为过闸流量，m3/s。

根据试验所测得的流量及上、下游水位等数据，利用式（1）可以计算出公式中的流量系数m，由试验结果可知，流量系数m与相对淹没度hs/H的相关关系从整体上来看关系较好。

2.2 闸门部分开启运行时的出流能力

当闸门部分开启运行时，由于下游水位的变化会影响闸孔出流能力，闸孔出流又可分为自由式孔流和淹没式孔流2种流态。

自由式孔流流量计算式为

式中：μ为流量系数；e为闸门开启高度，m。

根据试验所测得的闸孔流量、水位等数据，利用式（2）可以计算出流量系数μ，试验数据结果表明，流量系数μ与e/H的相关关系良好。

为了工程控制运用的方便，将流量系数μ与e/H关系曲线拟合为以下公式：

淹没式孔流流量计算式为

式中：Cs为流量系数。

同样，根据试验所测得相关数据，可以计算出流量系数Cs，流量系数Cs与hs/e具有良好的相关关系。

利用回归分析将流量系数Cs与hs/e关系曲线进行分析便于工程控制时使用，通过拟合最终可以得到：

3 现状工程出流能力分析

泗阳闸水文站于2020年1月由水位站升级为水文站，在2020—2021年泗阳闸行洪期间，对该闸过闸流量进行了实测率定。测流断面位于闸下游440 m处，为基本水尺断面处，流量测验方式采用缆道ADCP法［3］，闸上、下游水位观测均采用遥测水位，闸孔出流流态为人工现场目测，共施测自由式孔流7次，淹没式孔流9次，小水电未运行，实测的流量为闸孔过流流量，采用逐步图解法分别对自由式孔流、淹没式孔流出流能力进行率定［4］。

3.1 自由式孔流流量

自由式孔流流量计算式［5］为

式中：Mb为流量系数；α、β为指数，通常β取值0.5。

自由式孔流出流能力率定分析数据见表1。

表1 自由式孔流出流能力率定分析数据

由表1可知，自由式孔流实测出流能力率定线系统误差为-0.39%，标准差为2.15%，置信水平95%的随机不确定度为4.30%，

3.2 淹没式孔流流量

淹没式孔流流量计算式为

式中：M c为流量系数；α、β为指数，通常β取值0.5；ΔZ为闸上下游水位差，m。

淹没式孔流出流能力率定分析数据见表2。

由表2可知，淹没式孔流实测出流能力率定线系统误差为0.08%，标准差为2.94%，置信水平95%的随机不确定度为5.88%。

表2 淹没式孔流出流能力率定分析数据

4 现状工程与水力学模型出流能力对比

2020—2021年实测流量期间，该闸未出现淹没式堰流，故本文未对此流态下的水力学模型出流能力与实测率定出流能力做对比分析，仅对自由式孔流和淹没式孔流2种流态的出流能力对比分析，成果分别见表3、表4。

由表3、表4的实测流量与水力学模型泄流能力对比分析可以看出，泗阳闸在自由式孔流出流的情况下，试验研究水力学模型计算流量与该闸运行中的实测流量误差在-3.85%～1.46%之间，平均误差为1.17%；在淹没式孔流出流的情况下，试验研究模型计算流量与该闸运行中的实测流量误差在-4.02%～3.87%之间，平均误差为0.35%。

表3 自由式孔流出流能力对比

表4 淹没式孔流出流能力对比

5 结论

通过泗阳闸模型计算的出流能力与实测率定出流能力比较分析，泗阳闸水力学模型试验研究数据可靠，建成后的实际过流能力也达到预期目标，与水力学模型出流能力基本一致，符合水力学模型设计要求。