南水北调工程江都东闸加固前后推流过程浅析

王骏秋 王 江 王 成(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

南水北调工程江都东闸加固前后推流过程浅析

王骏秋 王 江 王 成(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

作为南水北调东线源头配套工程，江都东闸节制闸经加固改造后，因出流环境、水力要素发生了变化，历年所采用的堰闸流量系数法率定水位流量关系曲线已不再适合当前过闸流量的推求。为更合理地掌握水工建筑物的出流规律，收集了工程加固后淹没孔流流态下10 a的实测流量资料，改用堰闸过水平均流速法，率定出新的水位流量关系曲线，并对逐年的水位流量关系曲线进行对比和分析。

节制闸；堰闸；淹没孔流；水位流量；曲线对比分析；加固处理；南水北调工程

1 工程概况

江都东闸位于扬州市江都区境内，隶属通扬运河水系，设计流量为550 m3/s，为宽顶平底节制闸，Ⅳ级水工建筑物。作为南水北调东线源头(江都水利枢纽)的配套工程，当抽水站抽引江水向北供水时，江都东闸可以关闸挡水阻止江水下泄。与此同时，当里下河地区需要灌溉时，可以开闸自流引水；当江都抽水站开机排涝时，可以开闸排泄里下河涝水。2005年初，江都东闸对闸身、闸墩及排架进行加固改造，同年11月拆除公路桥和工作桥进行重建。经过近3 a的施工建设，加固改造工程基本完成。

2 加固改造前历年水位流量关系

1989～1990年期间，江都东闸开启淹没孔流时，采用流速仪船测法进行流量测验，共实测流量测点27个。根据《水工建筑物测验规范》规定，选用节制闸推流比较常见的堰闸流量系数法，堰闸淹没孔流流量推算公式如下。

Q=M2Be△Z

(1)

式中，Q为实测流量，m3/s；M2为流量系数，B为闸门开宽，m;e为闸门开启高度，m;△Z为闸上下游水位差，m。根据式(1)，建立△Z.e及M2相关关系，率定水位流量关系曲线。27个关系测点兼顾了高、中、低水位，呈带状均匀分布于趋势线的两侧，点线关系基本吻合。随着相关因素△Z.e升高，其淹没孔流流量系数值M2稳定在 3.82 左右。根据《水文资料整编规范》规定，对水位流量关系曲线做3种检验(符号检验，适线检验，偏离值检验)，其统计量均符合规范临界值。

1991～1994年期间，逐年对江都东闸淹没孔流进行校测72次，所有测点都均匀分布于关系线的两侧，并能控制相关因素全部变幅的89.1%(实测变幅1.88 m，1991～1994年实际变幅2.11 m)，水位流量关系相对稳定。1995年，江都东闸根据江苏省水文水资源勘测局下达的[水文(95)字第50号]文，对淹没孔流实行间测，隔4 a检测一次，遇到特殊水情或者超出相关因素的变幅范围，及时检测，以保证资料的准确性和完整性。

1997年，江都市政府在新通扬运河河口尖沙嘴处(江都东闸下游约450 m)新建龙川大桥，大桥横跨新通扬运河、送水河及引江河。根据流量间测要求，对节制闸淹没孔流进行校测，1997年校测11次，2004年校测16次。将1991～2004年的所有测点点绘在关系图上(见图1)。

图1 流量系数与开启高度水位差乘积关系曲线

根据《水文资料整编规范》规定，选取显著性水平α为 0.05，采用逐年实测点分别对1989～1990年率定的水位流量关系线做学生氏t检验，其计算结果见表1。

表1 学生氏t检验

从图1和表1中可明显看出，实测点呈带状分布在关系曲线两侧，绝大多数测点与关系线吻合度较好，且相对于关系线正偏与负偏测点大致相等，最大误差5.3%，偏离关系线的误差符合允许范围(中上部为±8%，下部为±10%)；各年的学生氏t检验值均在允许范围内，水位流量关系相对稳定。由此表明，江都东闸在工程加固前，历年来水位流量关系曲线无明显变化，龙川大桥施工建设对曲线也没有明显影响。

3 工程加固前后水位流量关系变化分析

2006年 6月，江都东闸水下部分改造基本完成后，采用转子式流速仪对淹没孔流进行校测，测得16个流量测点，同样采用堰闸流量系数法，把所测点点绘在1989～1990年关系线上(见图2)。

图2 流量系数与开启高度水位差乘积关系曲线(1989～1990年)

如图2所示，2006年流量测点点据非常散乱，未形成明显点带，有很大的任意性，无法确定关系线下部趋势走向，且相比1989～1990年关系线系统偏小。这说明，堰闸流量系数法已不能满足当前的推流需求。随后，尝试改用堰闸过水平均流速法，利用公式

V=Q/Be

(2)

式中，V为平均流速，m/s。采用△Z及V两个相关因素，对2006年的测点重新定线(见图3)。

图3 平均流速与水位差关系曲线

图3中，新定关系线为一条光滑的幂函数曲线，点线关系较为集中，16个测点基本兼顾了高、中、低水位差，偏离趋势线正偏与负偏测点大致相等，上线吻合度完好。

水位流量关系相对稳定的闸坝，在经过加固改造以后，在相同的条件下过水流量开始改变。为了分析其原因，将1989～1990年的测点同样用堰闸过水平均流速法定线，与2006年所定曲线放在同一图表中进行对比分析(见图4)。

图4 平均流速与水位差关系曲线

从图4可以看出，2006年流量测点与1989～1990年关系线存在明显的系统误差，随着△Z的增大，2006年曲线与1989～1990年的曲线偏离也越来越大(△Z在0.5，1.0 m和1.5 m时，相差分别为12.1%、13.3%、14.3%)。

针对这一问题，对节制闸的水下改造情况进行调查后发现，改造前平底闸底部为水泥板，过闸水流较为通畅。改造后的闸门下部增加了高0.8 m的过水坎，当底层水流经过节制闸时，撞击到过水坎，产生曲形回流，致使闸底水流发生了变化，水流形态由渐变流转变成急变流，紊流度变大，雷诺系数Re也相应增大，过闸流量与闸底回流流速成正比。

水力学原理也说明，粘滞性是液体的特性，Re就是表征液流粘滞力与惯性力程度的指标，当Re变大，粘滞力也会因上层水流受到反向粘滞作用变大，致使摩擦阻力和水头损失也增大，所以过闸流量就会相应减少。另外据实地观察，由于节制闸上扉门底抬高，致使闸门在开启高度不高时漏水流量减少，实测流量也偏小。

4 工程加固后水位流量关系稳定性分析

为检验江都东闸工程加固后新定水位流量关系曲线的稳定程度，于2007～2015年汛期，采用先进的测流仪器超声波多普勒流量流速剖面仪(ADCP)，对淹没孔流进行校测。在施测期间，考虑到闸门变动时会产生折冲水流，下游水流易产生脉动现象，故将所有闸门固定在同一开启高度，上、下游水位差变化幅度由配套水工建筑物江都西闸(上游约1 500 m)升降闸门开启高度加以控制，使紊乱江水经过江都西闸到达江都东闸上游时流态趋于稳定，这样才能更好地控制测验精度，保证测验成果满足当年推流变幅。

2007～2015年期间，采用堰闸过水平均流速法，逐年对推流曲线开展校测工作，然而每年的校核点经过计算并点绘在曲线图上之后分布不佳。2007年实测流量测点15个，点绘在2006年水位流量关系曲线图上,测点上线吻合度较差，正偏为13个，负偏为2个，数目相差甚多，显著性水平α=0.05时，t=2.25，大于t1-α/2=2.13，学生氏t检验不能通过，表明原曲线已不再适合本年流量的推求，须合并2006年与2007年的31个测点，率定出新的水位流量关系曲线。2008年实测21个流量测点，所有实测点均为正偏，相比2007年关系线系统明显偏大。而在2009～2015年逐年流量校测中，每年水位流量关系曲线均有所变动。

由上可见，江都东闸节制闸自2006年以来工程加固后，水位流量关系曲线的趋势走向、偏离大小、倾斜程度等均发生了系列性变化，且无任何规律可寻。非稳定水位流量关系导致江都东闸淹没孔流流量测验无法满足向上级部门申报流量间测的基本条件，须每年校测。

为了研究工程加固后率定的水位流量关系曲线不稳定的原因，基于式(2)，从节制闸改造项目、测验控制精度和水力因素变化情况等多方面展开逐一分析。Q为测回流量的算术平均值(剔除测回差值大于5%的数据)，符合《声学多普勒流量测验规范》的规定。B为节制闸闸孔总宽度，即固定为78 m(13×6)。e为闸门开启高度，是由固定式卷扬启闭机通过两根钢绳悬挂闸门控制升降，升降高度根据闸位计测量所得。

江都东闸工程加固之前，节制闸闸门的钢绳维护保养少，e的精度相对较高。当时水文站采用转子式流速仪测验，施测1份数据历时近1 h，阶段性测验工作需要几天乃至几周才能完成，测验期间节制闸受工程调度控制，闸门调整次数较多，开启高度e即使有微小的误差也会在频繁的升降变动中相互抵触消除，所推求的水位流量关系曲线相对稳定。

在江都东闸工程加固之后，工作人员会在每年的汛期前后，定期对悬挂在闸门上的粗钢绳进行保养，但保养后却并未对闸门的开启高度重新进行校对，导致e出现误差。此外，江都东闸水文站在加固以后引进了ADCP测验仪器。ADCP是利用声学多普勒频移效应进行流速或流量测验的仪器，比传统的转子式流速仪器测验历时短、不扰动流场、测速幅度大。在使用ADCP对江都东闸的流量测验中，无需变动闸门开启高度，通过江都西闸的工程调控，1 d内就能完成全年的校测任务。但是所采用的e值是存在误差的固定值。

综上分析认为，江都东闸工程加固后率定的水位流量关系曲线之所以不稳定，是由闸门开启高度e的误差造成的。对此提出以下几点建议。

(1) 流量测验中必须精确闸门开启高度。若条件允许，可在节制闸上、下扉门安装防水红外线测距设备，保证每次粗钢绳保养后闸门开启高度的准确性，从而率定出准确的水位流量关系曲线。

(2) 加强闸门在不同开启高度下的流量测验工作。如果在测验期间闸门发生变动，可适当延长下一测回的始测时间，控制测验精度，等水流平稳后再进行测验。

(3) 适当延长施测周期。根据潮汐涨落规律，充分把握测验时机，实测成果需兼顾到高、中、低各级水位变幅以及抽水站抽引、排涝、发电、停机等各种工况，必要时及时加测，总结分析出流规律。

(4) 加强ADCP和传统转子式流速仪的流量比测工作，以验证ADCP在中型闸坝流量测验中的适用性。

5 结 语

江都东闸为解决我国北方水资源严重短缺问题，为里下河和滨海垦区提供灌溉用水、解决水资源短缺、改善下洼地区农田用水条件以及涝年排泄洪水入江都发挥了巨大作用。因此，江都东闸准确可靠的引排流量数据是防洪减灾、工程管理运用、区域水量平衡计算及水文情报的重要依据。这就要求水文工作人员加强对江都东闸的流量测验，取得更多准确数据，逐步完善水位流量关系曲线的精度，为防洪、抗旱、治涝、灌溉、供水等提供更加精确的水情信息。

(编辑：唐湘茜)

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2016-10-30

王骏秋，男，江苏省江都水利工程管理处，工程师.

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