□劉社教 □趙麗娟 □張玲玲 □王英杰(河南省陸渾水庫管理局)
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陸渾灌區(qū)東一干渠分水閘過流問題分析計(jì)算
□劉社教□趙麗娟□張玲玲□王英杰
(河南省陸渾水庫管理局)
摘要:灌區(qū)上水的精準(zhǔn)計(jì)量是一件關(guān)乎灌區(qū)向好發(fā)展的大事。陸渾灌區(qū)總干渠的內(nèi)埠分水樞紐(簡稱內(nèi)埠分水閘)就直接擔(dān)負(fù)著向東一干渠、東二干渠調(diào)配水的任務(wù)。由于在通水期內(nèi)埠分水閘閘門啟閉頻繁,各種閘前水位和閘門開度及閘后水位均影響到閘孔的過流量,通過分水閘的長期實(shí)際運(yùn)用觀測,對閘孔過流問題有了更好的認(rèn)識(shí),方便今日的運(yùn)用管理。
關(guān)鍵詞:東一干分水閘;閘前水位;閘后水位;淹沒水位
陸渾灌區(qū)是河南省一座可灌溉3市7縣(市)約12.00萬hm2耕地的大型灌區(qū)。陸渾灌區(qū)從1974年部分開灌以來,灌溉效益一度徘徊不前。自中央一號(hào)文件出臺(tái)以來,陸渾灌區(qū)得到迅猛發(fā)展,水的用途種類范圍大增,灌區(qū)水的準(zhǔn)確計(jì)量已關(guān)系到灌區(qū)的良好發(fā)展。
陸渾灌渠總干渠上的內(nèi)埠分水閘位于總干渠末端(樁號(hào)44+443)。閘身為開敞式整體結(jié)構(gòu),混凝土地板砌墩墻,閘底板厚在1 m左右。東一干渠分水閘為兩孔,閘門尺寸為3.50 m× 5.20 m的平板鋼閘門,設(shè)計(jì)流量50 m3。東二干分水閘為一孔,閘門尺寸位3.20 m×5.20 m的平板鋼閘門。東一干分水閘下游砌塊石扭曲段長為15m左右。在多年的通水使用中,因閘前后加水、減水、調(diào)水等原因,分水閘閘門經(jīng)常是頻繁啟閉。雖然在東一干渠分水閘下游2 km的地方設(shè)有簡易測水橋,但每次測水需多人多方參加,并需專用車輛,按現(xiàn)行的一日二測水管理制度很難做到。特別是雨雪天,下到溝里觀測水位已屬不易,實(shí)測更難。過去在東一干渠水閘采用閘門開度的辦法推測流量,還制有閘孔開度與流量關(guān)系表。在近年的通水實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這一表與實(shí)測流量有出入,今做完善,使它更好地符合實(shí)際情況。①這個(gè)表在右閘門開度較小的情況下與實(shí)測相差不多,隨閘門開度的增加相差較多。②這表是在閘前水位4.20 m的情況下制成的,但在實(shí)際工作中,閘前水位會(huì)有很多情況出現(xiàn)。③這表是按一孔閘門的計(jì)算制成實(shí)際上東一干分水閘是兩孔閘門,過流量并非兩孔閘門開度的累加。④其它因素需考慮如閘前水尺不太精準(zhǔn),閘后渠道和建筑物的影響。值得注意的是閘后水深影響,就是淹沒影響。還有閘后一定距離內(nèi)渠坡樹草淤積的間接影響。側(cè)收縮影響基本未考慮。
東一干分水閘因未找到原設(shè)計(jì)資料,參照總干渠上燕王寨,葦園溝退水閘的情況,過流能力應(yīng)大于設(shè)計(jì)流量。東一干分水閘為2孔3.00 m×5.20 m的平板鋼閘門,閘底板與上下游渠道銜接較好,應(yīng)屬無坎寬頂堰,在實(shí)際工作中出閘水流常受閘門控制,是閘孔出流情況。東一干分水閘的驗(yàn)算應(yīng)是寬頂堰流,當(dāng)閘門開度在4.50 m或全開時(shí),e/h=4.5/4.5=1>0.65為堰流。
2.1流量系數(shù)的選取
原設(shè)計(jì)為寬頂堰自由出流,不論直角或圓角寬頂堰,當(dāng)p1/H=0時(shí),經(jīng)計(jì)算流量系數(shù)m=3.85×10-1,本次驗(yàn)算比較保守,選取m=3.75×10-1。
2.2側(cè)收縮系數(shù)的選取側(cè)收縮系數(shù)的選?。?)式。
式中:α0選取0.10,b為溢流孔凈寬,B為上游引渠寬。
經(jīng)計(jì)算b/B=4.93×10-1,ε1=9.27×10-1,東一干渠分水閘為對稱閘門,ε1=ε2。
2.3東一干分水閘的過流量
經(jīng)計(jì)算:Q=88.16 m3??紤]淹沒影響,hs/H=4.30/4.50=0.95。今選hs/H=0.96,淹沒系數(shù)=0.59。東一干渠的過流量可達(dá):Q= 88.15×0.59=52.01 m3/s。
通過上述計(jì)算,得知東一干分水閘過流量大于近期設(shè)計(jì)流量45 m3/s,也大于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)流量50 m3/s。這也驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)的正確性。在上述計(jì)算中,流量系數(shù)和淹沒系數(shù)在選取上還略有保守。近年來在東一干渠分水閘后有淤積抬高渠的水位,但尚未影響到閘后的淹沒水位。
雖然東一干渠分水閘能完全滿足設(shè)計(jì)流量,且略有余地。但在實(shí)際工作中由于調(diào)配流量的需要,東一干分水閘的運(yùn)行方式多是閘孔出流,常遇到兩扇門不對稱開啟或僅開啟一扇閘門,如2013年因左側(cè)閘門故障在較長一段時(shí)間一直開的是右側(cè)閘門,所有這些都涉及到閘孔出流的準(zhǔn)確計(jì)算問題。
3.1閘孔出流
判斷堰流與閘孔出流的大致界限是:e/H≥0.65。東一干設(shè)計(jì)閘前水位4.50 m,可見e≤0.65×4.50=2.93 m為閘孔出流。每次通水期東一干分水閘是堰流或閘孔出流情形,應(yīng)取決于閘門開度和閘前水位。在近3 a的通水實(shí)踐中,由于分水閘所在總干渠渠段有一填方壩存在病險(xiǎn)問題和調(diào)度上的原因。導(dǎo)致東一干分水閘前水位一直控制在4 m或4 m以下。在4 m水位時(shí)間門開度e≤0.65×4=2.60 m為閘孔出流。
3.2閘門開度和過流量
為了說明問題,針對閘門的3種閘前水位4.50,4.00 m和3.50 m3種情況,就閘門的對稱開啟、不對稱開啟和開啟度不同的多種情況進(jìn)行了計(jì)算。公式是用Q=Hbe。流量系數(shù)H=0.60-0.176e/H。計(jì)算結(jié)果如表1。
表1 閘門開度和過流量計(jì)算表
從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出,左右孔閘門相應(yīng)開度和過流量相加。并不等于左右孔閘門開度相加的單孔過流量。在左右孔閘門開度數(shù)值相加恒值的情況下,對稱開啟的過流量略大于不對稱開啟的過流量。
而且隨著左右孔閘門相應(yīng)開度的增加,左右孔閘門相應(yīng)開度的過流量相加比左右孔閘門相應(yīng)開度相加的單孔過流量大的越來越多,這也是實(shí)際工作中需注意的。
3.3閘前水位為4.00 m的情況
東一干分水閘閘前設(shè)計(jì)水位為4.50 m,但在近幾年的實(shí)際工作中,閘前水位多保持在4 m和4 m以下。因分水閘前有一段填方壩工程質(zhì)量略差的原因。在實(shí)際工作中,因管理人員和啟閉機(jī)問題,分水閘往往是單開,大多情況是只開右孔閘門。
從表(1)可以明顯看出,以現(xiàn)在常有閘前水位4.00 m為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)閘門開度一定時(shí),當(dāng)閘前水位增至4.50 m時(shí),流量就增大。當(dāng)閘門開度越大時(shí),增加的過流量就越大。反之當(dāng)閘水位落至3.50 m時(shí),流量就減小,當(dāng)閘門開度越大時(shí),減少的過流量就越大。
4.1分水閘前后流態(tài)的變化
東一干分水閘前的水流是緩流,過閘是急流,閘后又是緩流,尚有淹沒流。淹沒形成的條件及淹沒對閘孔過流的影響程度是主要的。在長期的通水實(shí)踐中,東一干分水閘多為淹沒出流,而且是不同于一些書本上的那種形式的淹沒出流。
4.2閘后水位淹沒影響的過流問題
閘前水深減去閘后水深的閘孔過流計(jì)算。一般認(rèn)為因?yàn)殚l后淹沒閘孔過流承受的水壓力就是二者之差。即閘前水位減去閘后水位。如閘前水位為4.20 m.閘后水位為2 m,左孔開度e= 0.05 m,經(jīng)計(jì)算Q0.05=0.68 m3/s。右孔開度e=0.90 m,經(jīng)計(jì)算Q0.90=10.93 m3/s??梢奞合=Q0.05+Q0.90=11.61 m3/s。與實(shí)測結(jié)果Q=12.15 m3/s比較接近二數(shù)值之間是否存在耦合性及耦合性產(chǎn)生的條件尚不太清楚。
4.3書本上考慮淹沒影響的計(jì)算。
左孔開度e=0.05 m,經(jīng)計(jì)算Q0.05=0.60 m3/s,右孔開度e= 0.90 m,經(jīng)計(jì)算:Q0.09=16.07 m3/s,Q合=Q0.05+Q0.90=16.68 m3/s,與實(shí)測的Q=12.15 m3/s,有出入。
4.4不對稱和對稱開啟閘門
通過上述計(jì)算如閘門不對稱開啟就有可能一側(cè)是自由出流,另一側(cè)是淹沒出流。如兩孔閘門對稱開啟,兩扇閘門就有可能有淹沒出流的情況或說出現(xiàn)概率的機(jī)會(huì)就會(huì)增多。
通過上述的分析,計(jì)算和論證。建議陸渾灌渠東一干分水閘在每次通水中,應(yīng)進(jìn)行≥2次的流量實(shí)測,在實(shí)測有困難的情況下,其它過流量應(yīng)根據(jù)以往測驗(yàn)前水位流量關(guān)系和分水閘的開啟過流情況進(jìn)行比對或微調(diào),從而得到過流的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。同時(shí)由于幾十年來東一干分水閘一直未達(dá)到按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用。2013年東一干渠過流量僅短時(shí)達(dá)30 m3/s,尚無分水閘觀測數(shù)據(jù),上述計(jì)算有待修正完善。
(責(zé)任編輯:劉長垠)
收稿日期:2015-10-30
作者簡介:劉社教,男(1965-),高級工程師,主要從事水利工程的設(shè)計(jì),施工和管理。
中圖分類號(hào):TV66
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-8853(2016)02-0095-02