提高弧形门水闸流量精准控制合格率的研究与实践

柳 斌 孙 松 傅 金

(江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100)

按照“三精”(精密化监测、精准化调度、精细化管理)管理要求，三河闸以工情、水情、雨情精密监测为基础，泄洪流量精准调度为关键，助推水利工程运行管理方式不断提档升级。通过调查相关资料，2020年及2021年上半年，三河闸现场测流共95次，其中调度指令流量与实测流量相差不大于5%的合格次数为67次，合格率为70.5%，距精细化管理要求仍有差距。当流量控制不满足精准度要求时，需再次调整闸门，效率低下且影响调度指令执行时效。根据主管部门要求并结合现场条件，设定流量精准控制合格率的目标值为87.0%。

1 工程概况

三河闸位于江苏省淮安市洪泽区与盱眙县交界处，洪泽湖东南角，是淮河入江水道的控制口门，是我国建国初期自主设计和施工的大型水闸，是淮河流域防汛抗旱骨干工程。三河闸闸身为钢筋混凝土结构，闸孔净高6.20m，每孔净宽10.00m，共63孔，总宽697.75m，底板高程7.50m(废黄河零点高程，下同)。闸门为钢结构弧形门，每孔设有QHM2×100kN卷扬式启闭机1台。三河闸按洪泽湖蒋坝水位16.00m设计、17.00m校核，设计流量12000m3/s。

自1953年7月26日建成放水以来，三河闸已累计泄洪1.29万亿m3，极大地缓解了下游地区防洪压力，充分发挥了淮河骨干工程作用。

2 原因分析

2.1 流态影响分析

为分析三河闸流量精准控制不合格产生的原因，对实测流量与调度指令流量(堰流时调度指令流量采用流量关系查线流量值)相差大于5%的不合格数据进行调查，其中淹没孔流不合格次数为19次，占不合格次数的67.9%，是流量精准控制不合格的主要问题(见表1)。

表1 三河闸流量精准控制不合格调查

2.2 问题症结分析

三河闸于1953年建成放水，拥有近70年的水文观测资料，水位差ΔZ-开度e-流量Q关系经长期率定，稳定可靠。三河闸为平底弧形门，根据规范淹没孔流流量计算公式见式(1)[1]。根据流量公式，影响流量偏差的主要原因为闸门开度、上下游水位等。

(1)

式中Q——泄洪流量，m3/s；

μ1——淹没孔流流量系数；

n——开启孔数；

b——单孔闸门净宽，m，为10m；

e——闸门开启高度，m；

ΔZ——上下游水位差，m。

为进一步分析流量精准控制不合格的问题症结，对淹没孔流流态下不合格数据进行统计分析，“闸门开度偏差”不合格的次数为14次，占不合格次数的73.7%，是淹没孔流精准控制不合格的症结所在(见表2)。

表2 淹没孔流精准度不合格调查

3 主要影响因素确认

三河闸闸门启闭已完全实现电气化操作，闸门开度采用闸位编码器读数值。从组成分析闸门开度偏差原因，绘制形成闸门开度偏差原因分析系统图，得出闸门开度偏差末端原因为养护责任未落实到位、教育培训不到位、计算公式误差、职工考核不到位、操作票执行不严和未按规定测流等6项(见图1)。

图1 闸门开度偏差原因分析系统

3.1 养护责任落实情况

通过查看2020年及2021年上半年闸门启闭机检查养护资料，三河闸启闭机检查养护责任人已落实，并根据《三河闸卷扬式启闭机检查养护规程》要求，每周开展1次日常检查，每次操作前进行运行检查，汛前、汛后各开展1次定期检查，未影响流量精准控制。

3.2 教育培训情况

通过查看2020年职工教育培训资料，三河闸闸门运行工包括高级技师2人、技师4人、高级工5人，养护人员均持证上岗，年度继续教育均达到90学时，培训率100%，未影响流量精准控制。

3.3 计算公式误差

现场抽查实测了15～20号闸门开度，并与闸门监控系统高度指示读数进行对比。采用激光测距仪测量，每个开度检测闸门底部左、右2个点位，每个点位测量2次，实测开度取平均值。根据实测结果，闸门高度指示装置读数与实测开度偏差在9～39cm，偏差率在10%左右，对三河闸流量控制精准性影响重大。

3.4 职工考核不到位

通过对2020年及2021年上半年职工考核情况进行调查，管理所对职工按时开展平时考核和年终考核，考核结果合格率100%，未影响流量精准控制。

3.5 操作票执行不严

对2020年三河闸闸门启闭操作票执行情况进行调查，闸门启闭操作25次，其中执行调度20次，其他5次，闸门启闭操作票执行率100%，启闭记录填写率100%。闸门启闭均严格按照调度指令及操作票要求进行，纪录填写完整准确，未影响流量精准控制。

3.6 未按规定测流

对2020年三河闸测流情况进行调查，三河闸2020年测流78次，精度满足要求。根据上年测流数据，每年年初组织对三河闸流量-水位-开度关系曲线进行修正，未影响流量精准控制。

综上所述，经对以上6条末端原因进行分析调查及现场测量，确认“计算公式误差”为三河闸闸门开度偏差的主要原因。

4 采取的措施

为解决计算公式误差引起的流量控制偏差，设定对策目标为：实测开度与闸位编码器读数误差不大于3cm。

4.1 转换公式推导

为了查清闸门闸位指示编码器数据与闸门实际开度之间的转换关系，首先研究分析弧形闸门垂高与弧高之间的转换关系。设闸门底从A点开启到A′，根据几何关系可得闸门开度与弧长关系公式为式(2)、式(3)[2](见图2)。

图2 三河闸弧形闸门弧长垂高转换示意

(2)

(3)

式中e——闸门垂直开启高度，m；

R——弧形闸门臂长，m，为6.50m；

φ——关闸时闸门底至弧心连线与底板水平线之间夹角，为常数；

α——弧形闸门转动的角度；

l——闸门转动弧长，m。

其次，分析闸门转动弧长与闸位指示编码器读数之间的转换关系。闸位开度编码器固定于传动轴轴向侧边，启闭闸门的钢丝绳缠绕固定于卷筒上，根据启闭机的传动关系，可得弧长与编码器读数关系公式为式(4)。

(4)

式中p——编码器读数；

K——编码器转动一周的数值，为常数；

n——启闭机的传动比，为常数。

综合式(2)、式(3)和式(4)关系，最终得到闸门开度与闸位开度读数的准确转换关系公式为式(5)。

(5)

4.2 转换公式固化

在研究查清闸门闸位指示编码器读数与闸门实际开度之间的转换关系后，对现地闸门控制柜和工控机监控系统软件中编码器读数与闸门开度转换公式进行更新，将准确的转换公式固化于系统软件中。转换公式更新后，现场抽查了1～5号孔开度，其中1～4号孔闸位编码器读数与闸门实测开度偏差在0～3cm，但5号闸门偏差为3～6cm，仍不满足设定的目标要求。

4.3 下限位调整

在对可能导致闸门开度偏差的非要因的进一步梳理中，发现5号闸门在下限位时启闭机钢丝绳未处于拉紧状态，闸门从闭门状态开启的初始阶段，闸位编码器读数虽变动至5cm，但闸门实际开度一直为0。

针对下限位存在的问题，对全闸63台启闭机下限位进行全面排查，对不满足要求的启闭机下限位进行逐一调整。主要控制要点为当闸门处于下限位闭门状态时，闸位编码器读数为0，同时钢丝绳处于拉紧状态。调整后，5号闸门实测开度与闸位编码器读数偏差缩小至0～3cm，满足设定目标，成功地解决了闸门开度偏差问题(见表3)。

表3 三河闸5号闸门开度偏差对比 单位：m

5 运行效果

对策实施后，2021年7月至2021年11月对三河闸流量精准控制的合格率进行效果检查，共实测流量74次，实测流量与调度指令流量相差大于5%的不合格次数为5次，合格率93.2%，大幅提升了闸门精准控制的合格率，达到了预定的目标值，满足江苏省水利厅“精准调度”及上级主管部门关于流量精准控制的要求(见表4、图3)。

图3 目标完成对比柱状

表4 三河闸流量精准控制合格率效果检查调查

6 结 语

三河闸围绕工程管理现代化的总目标，按照“精密化监测、精准化调度、精细化管理”的管理要求，通过本次问题的研究与实践，将科学管理方法与水利工程方面的专业技术有机地结合起来，以工情、水情、雨情精密监测为基础，泄洪流量精准调度为关键，对提高工程管理水平起到了积极的推进作用。活动成果可为类似大型水闸流量精准控制提供借鉴。