水力自控翻板闸门泄流量计算探讨

徐 岗,王月华

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

水力自控翻板闸门以其结构简单、造价低廉、应用及管理方便,在低水头水利工程中越来越得到广泛的应用。闸门泄洪从全关到全开状态是一个流态复杂的动态过程。过闸水流最为常见的泄流状态为门顶堰流与门底孔流同时出流,呈堰孔混合流态。底孔出流受门顶出流的影响,与下游水位有一定关系,同时底孔出流流态还会对门体的开启产生反馈作用。随着下泄流量的增加,上下游水位的变化,门体水平倾角达到设计最小,此时过渡到宽顶堰堰流流态。

对于水力自控翻板闸门过闸泄流量的计算目前尚无精确的理论计算公式,也没有相关的规程规范可供参考。特别是采用了液控系统的翻板闸门,外力控制开启闸门,特定的闸门倾角下,下泄流量很难确定。在过闸流量较小时,闸门水平倾角较大,门底开度较小,门体阻水明显,门体对水流起主要控制作用,过闸总流量可分解为门顶堰流与门底孔流之和。对于过闸流量较大时,门体水平倾角较小,门体阻水作用不大,对泄流不起控制作用,其泄流量常常按一般的宽顶堰估算[1]。

通过建立门体0.600m×0.248m(宽×高)的断面水槽模型,分别测量了门体不同倾角下独立的门顶堰流、门底孔流、以及在水力自控情况下门顶门底混合出流时的泄流能力,推求翻板闸门常见泄流状态下的流量计算公式。并结合以往数年不同翻板闸门工程的研究成果对公式进行了验证。

2 门顶自由堰流

进行了8组门体不同倾角时门顶堰流的泄流能力试验,门顶堰流流量计算采用公式：

式中：Q为下泄流量,m3/s；m为综合流量系数；B为过流宽度,m；g为重力加速度,m/s2；H0为含行进流速的堰上水头,m。

将试验中翻板门直立(与水平成90°角)泄洪时的流量系数m与上游水头H0进行拟合,得到公式如下：

式中：m为综合流量系数。

因门体顶部构造的不同及式(2)中H0包含了上游速头,翻板门的流量系数值比不考虑速头下的巴赞公式值略小[2],其流量系数经验计算公式：

式中：H为堰上水头,m。

不同翻转角度时门顶自由堰流的流量计算公式：

式中：σα为修正系数。

对于门体翻转不同角度的出流,依照门体直立 (与水平成90°角)出流成果进行修正,门体与水平成不同角度的试验修正值σα见表1及图1,从图1中可看出,门顶过流,在门体水平倾角小于30°时,过闸流量系数呈现逐渐加大的趋势,大于30°时流量系数呈现逐渐减小的趋势,水平成角度闸门开启角度在30°左右时流量系数出现最大值。

表1 门体不同翻转角度σα取值表

图1 门体不同水平倾角与修正系数关系曲线图

3 门底自由孔流

门底自由流一般按孔流流量计算公式为：

式中：u为孔流流量系数；e为门底开度,m。

翻板闸门因门型及重心的差异,即使翻转相同角度,门体底部的开度e一般都不一样。本次研究通过6组不同翻转角度的试验,得到翻板门门底不同开启高度时流量系数m与相对开度e/H0的关系(见图2)。

按照线性函数拟合得：

相关系数：R=0.98,应用范围：0.090＜e/H0＜0.745

图2 门底自由孔流u～e/H0关系曲线图

4 堰孔混合出流

4.1 混合自由出流

计算翻板门门顶、门底同时自由出流泄流量时,可以采用前面所述的门顶堰流与门底孔流公式分别计算出各自下泄流量,其和即为下泄总流量。

此外,通过试验研究,水力自控翻板闸门涨水自动翻转泄洪过程中,门体成不同倾角时,总是有唯一的一个与之对应的上游水位和下泄流量。在门体水平角较小,下泄流量大,门体阻水效应不明显时常采用别列津斯基公式[2]进行估算,见公式(7)和(8)。门体水平倾角较大时,若仍采用理论宽顶堰公式进行流量的计算,往往误差较大。从图3中可看出,门体翻转一定角度,对河道产生阻水效应的是其在竖直方向上的投影部分,使得闸址同一上游水位下有门体时过流能力比无门体 (宽顶堰)时的泄流能力小[3]。

进口边缘为直角的宽顶堰：

进口边缘为修圆的宽顶堰：

式中：P为堰高,m；m为宽顶堰自由出流流量系数。

图3 翻板门泄洪示意图

通过本次试验研究及对历年翻板门试验研究成果[4-7]的统计分析,在水力自控自由出流时,试验实测的流量系数m实、门体成一定角度时实际的过流面积S1、同一上游水位H0下无门板时理论计算宽顶堰流量系数m理及此时宽顶堰处过流面积S2,m实/m理与S1/S2有较好的二项式关系(见图4)。

图4 自由出流门体不同倾角m实/m理～S1/S2关系曲线图

其流量系数的比值随S1/S2增加而增大,按照二项式拟合得：

相关系数：R=1.0,应用范围：0.11＜S1/S2＜0.80

式中 ：S1=B×(H0-L×sinα),m2；S2=H0×B,m2。

翻板闸门水力自控下翻转任意角度自由出流泄流量计算公式即为：

式中：L为翻板闸门高度,m；α为门体与水平方向夹角,°。

4.2 混合淹没出流

堰孔淹没出流常常发生于大流量泄洪,此时上下游水位均较高,过闸水流呈淹没泄洪状态。闸门开度大,水平倾角小,能达到了设计的倒平状态,门体水平倾角位于10°～15°。

本次试验及以往相关研究成果表明,如果把翻板门泄流考虑为宽顶堰堰流,则对于翻板闸门倒平泄洪,在淹没度小于0.80时,过闸水流不受下游水位的影响,此时为自由出流,其流量系数一般为宽顶堰理论流量系数的0.76～0.92倍[4-8],门顶水头越大,过闸流量系数越大；当淹没度大于0.80时,此时为淹没出流,这些符合宽顶堰淹没出流的规律,在计算翻板闸门的泄流量时近似的按宽顶堰出流考虑。其流量计算公式：

式中：σs为淹没系数；c根据门顶水头高低取0.76～0.92。

为了确定不同门型淹没出流时淹没系数与上下游水位的关系,将《水力自动闸门》中门高2.5,4.0m及浙江省水利河口研究院研究的门高5.0m翻板门,淹没出流时 σs～△Z/H0的关系汇总于图5中。工程设计中,淹没出流时可先假定h下,求出上下游水位差△Z,从图5中查出淹没系数,利用淹没出流流量计算公式进行流量试算。

图5 不同门型淹没出流时 σs～△Z/H0关系曲线图

5 工程应用分析

5.1 堰孔自由出流

以福建杨墩电站为例,杨墩电站位于建瓯市徐墩镇杨墩村,距建溪主流崇阳溪、南浦溪汇合口约2.5km。水力自控翻板闸门共16扇,总宽144.00m,闸门尺寸为9.00m×4.50m(宽×高),挡水高度4.30m。溢流堰采用宽顶堰,堰顶高程109.20m,堰高0.80m。

将拟合计算成果与模型试验实测成果进行对比分析。利用公式(4)、(5)、(6)计算成果见表2[9],利用公式(8)、(9)、(10)计算成果见表3[9]。表2中,采用计算门顶自由堰流流量与底孔流量之和与试验实测总流量进行比较,可以看出计算的总流量之和与试验观测的过闸流量除个别测点误差略大为6.42%,其余测点误差范围在±5%以内。表3中根据门体水力自控下自由出流时堰孔混合出流公式拟合计算流量同试验实测流量多数测点的误差均在±3%以内。

表2 门顶及底孔泄流量试验值与公式计算值比较表

表3 堰孔混合泄流量试验值与公式计算值比较表

5.2 堰孔淹没出流

以杨卜山翻板闸门为例。该闸位于金华市金东区孝顺镇马腰孔村西南的东阳江上,距东阳江和南江汇合口下游约24km,闸址以上流域面积2938km2,拦蓄总库容421万m3。单扇门体尺寸为12.00m×3.50m(宽×高),溢流堰采用宽顶堰,堰顶高程40.68m,堰高1.50m。

堰孔混合淹没出流时流量的试验值与计算值(利用公式 (8)、(11)及图5)见表4[7]。表4中堰孔混合估算流量多数测点误差在±5%以内。

表4 堰孔混合淹没出流试验值与公式计算值比较表

6 结 语

水力自控翻板闸门泄洪是一个不断变化的动态过程,其泄流能力与门体高度、坝体堰高、上下游水位等多因素有关,泄流量估算复杂。通过水槽模型对翻板门常见流态下泄流量的试验观测,结合多年来翻板闸门试验研究成果,得出翻板闸门常见泄流状态下的流量计算公式,将计算成果与试验成果进行比较,相对误差较小,可为翻板闸门的设计及工程运行的流量估算提供参考。

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[2]金建华,王烽.水力学[M].长沙：湖南大学出版社,2004.

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[6]包中进.4×8水力自控翻板门水工断面模型试验研究 [R].杭州：浙江省水利水电科学研究院,2000.

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[8]包中进,张锦娟.水力自控控制闸门的水力特性试验研究[J].浙江水利科技,2002(5)：17-18.

[9]鲍倩.杨墩水电翻板门断面水工模型试验研究 [R].杭州：浙江省水利河口研究院,2010.