渠道引水枢纽水闸改造工程泄流计算方法研究

黄荣峰

(滁州市城西水库管理处，安徽 滁州 239000)

0 引 言

经过调查研究发现，我国水利资源较为丰富，总量可以达到6.8×108kW[1]。其中，能够开发的水利资源达到3.78×108kW，在世界范围内排名第一。但是，我国水利资源分布极其不均。随着改革开放，我国工业、经济的不断发展，对水利资源的需求量也逐渐上升，部分地区出现水资源缺乏、农田干旱等问题。为了解决上述问题，修建渠道引水枢纽，将水利资源通过渠道进行输送，不但可以防止洪涝灾害现象的发生，也为水利资源匮乏地区解决了灌溉、发电、养殖、供水等用水问题。在渠道引水枢纽中，水闸是一个关键构成部分。调查数据显示，我国建设水闸已达5×104座以上，但是其中包含大量的病患水闸，会造成极大的不利后果。水闸安全状况已经成为社会以及政府相关部门的重点研究问题之一，故对渠道引水枢纽水闸进行改造势在必行[2]。

现今渠道引水枢纽水闸改造工程以水闸设计规范为标准，结合计算机技术与手段，分析水闸结构应力问题与稳定性，忽视施工过程的加载方式，获取水闸泄流水力、阻力系数、荷载等参数，进行水闸泄流计算，为水闸改造工程提供一定的参考[3]。就现有研究成果来看，使用较为广泛的是基于有限元分析软件ABAQUS的水闸泄流计算方法，其由于模拟加载方式较为单一，导致其存在着水闸泄流计算效率较低的缺陷，无法满足现今水资源匮乏地区的需求，故提出渠道引水枢纽水闸改造工程泄流计算方法研究。

1 渠道引水枢纽水闸改造工程泄流计算方法研究

1.1 渠道引水枢纽布置

渠道引水枢纽应该布置在河流岸边前坡积存层上，经过地层为砾岩层与碎石亚砂土，并且保障整个渠道坡度稳定，无不良地质现象出现[4]。

渠道采用矩形断面，渠道引水枢纽相关参数见表1。

表1 渠道引水枢纽相关参数表

对于渠道引水枢纽来说，渠首水位深度与流量之间存在着紧密的联系。常规情况下，随着渠首水位深度的不断加深，流量也呈现不断上升的趋势，这为后续水闸泄流计算提供一定的支撑[5]。

通过现有文献研究可知，渠道引水枢纽的渠首水位深度与流量关系见表2。

表2 渠首水位深度与流量关系表

1.2 水闸改造工程

为了提升渠道引水枢纽的性能以及改善现有水闸的安全问题，对水闸进行改造。其主要分为两个阶段，分别为施工导流阶段与闸室改造阶段，具体过程如下：

阶段一：施工导流阶段

依据现有渠道引水枢纽建设特点、地形条件与交通环境，可以采用分期导流与明渠导流两种方式。其中，分期导流需要修筑纵向围堰，其断面较大，无法满足引水枢纽的泄流需求，故此研究采用明渠导流方式[6]。

明渠导流工程量统计情况见表3。

表3 明渠导流工程量统计表

另外，明渠底部宽度设置为11 m，底板高程设置为49.0 m，纵坡比降设置为1/1 000，明渠长度设置为250 m，两侧渠道边坡坡度比降为1∶1.5[7]。

阶段二：闸室改造阶段

闸室也是影响水闸性能的关键构成部分之一，闸室稳定性是水闸安全的关键指标[8]。依据目前渠道引水枢纽的需求，设置闸室改造相关参数见表4。

表4 闸室改造相关参数表

续表4

闸室改造中，胸墙结构见图1。

图1 胸墙结构示意图

闸门重量计算公式为：

G=kzkckgH1.43B0.08

(1)

式中：G为闸门重量；kz为闸门行走支承系数；kc为材料系数；kg为孔口高度系数；H与B分别为孔口的高度与宽度[9]。

闸室荷载主要包含自重、水重、泥沙压力、地震载荷、水压力等，其稳定性计算工况主要分为5种情况，分别为完建工况、正常蓄水位工况、设计洪水位工况、校核洪水位工况与地震工况，其对应的荷载组合见表5。

表5 不同工况对应荷载组合表

由表5可知，自重、水重与水压力计算较为简单，不对其进行详细叙述，而泥沙压力与地震荷载较为复杂，此研究给出上述两者计算公式：

(2)

式中：pn为泥沙压力数值；γn为闸前沉积泥沙的浮容量；hn为闸前泥沙淤积厚度；φn为泥沙的内摩擦角；G1为地震载荷；G自重为水闸本身重量[10]。

闸室稳定性由基底应力及其校核参数[11]决定，其计算公式为：

(3)

通过上述过程，完成了渠道引水枢纽水闸的改造，为后续水闸泄流计算提供基础数据支撑。

1.3 水闸泄流计算

依据上述水闸改造工程情况，结合水闸顶部高程与不同泄流荷载进行水闸泄流计算，具体计算过程如下。

常规情况下，水闸在泄水时，其顶部高程应该不小于设置水位(或者校核水位)与对应安全超高值总和。为了方便研究的进行，设置闸顶超高与安全加高一致[13]，则水闸顶部高程计算情况见表6。

表6 水闸顶部高程计算表

一般情况下，渠道引水枢纽水闸泄流主要包含4种状态，分别为闸孔自由出流、闸孔淹没出流、堰流自由出流与堰流淹没出流[14]。为了方便研究的进行，将其归为两大类，分别为闸孔出流与堰流出流，其泄流计算公式为：

(4)

式中：Q1与Q2分别为闸孔出流与堰流出流；σs为闸孔出流淹没系数；μ0为闸孔自由出流的流量系数；n为开闸孔数；b为每个孔的宽度；e为闸门开启高度；H0为行进流速水头的闸前水头；σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数[15]。

为了精确计算水闸泄流计算数值，对相关参数进行确定。具体如下：

闸孔出流淹没系数计算公式为：

(5)

闸孔自由出流流量系数计算公式为：

μ0=0.60-0.176(e/H0)

(6)

堰流淹没系数计算公式为：

(7)

堰流侧收缩系数与相对开度(e/H0)具有紧密联系。常规情况下，需要依据《水闸设计规范》(SL 265-2016)进行具体设置。

通过上述过程，实现了渠道引水枢纽水闸改造工程泄流的计算。通过水闸改造与公式参数精准确定，极大地提升了水闸泄流计算的效率，能够为渠道引水枢纽的发展与应用提供帮助，也为水闸改造相关研究提供一定的理论参考[16]。

2 实验与结果分析

上述过程提出了一种新的渠道引水枢纽水闸改造工程泄流计算方法，为了验证提出方法与现有方法之间的性能差异，采用Matlab软件设计仿真对比实验，具体实验过程如下。

2.1 实验对象选取

选取某地区渠道引水枢纽作为实验对象。渠道引水枢纽整体形态见图2。

图2 渠道引水枢纽整体形态图

实验对象水闸底板高程为42.0 m，顶部高程为47.0 m，闸孔宽度为4.0 m。

2.2 实验参数设置

为了保障实验的顺利进行，在实验对象相关信息基础上，确定水闸泄流计算公式相关参数，具体参数见表7。

表7 实验参数设置表

2.3 实验结果分析

依据上述选取的实验对象与设置的实验参数，进行渠道引水枢纽水闸泄流计算，通过水闸泄流计算精确度与时间来显示方法的计算效率。常规情况下，水闸泄流计算精确度越高、计算时间越短，表明方法的泄流计算效率更好，具体实验结果分析过程如下。

2.3.1 水闸泄流计算精确度分析

设置10种不同的情况，每种情况背景下进行5次实验，取5次实验平均值作为实验数据，以此来提高实验结果的客观性。由于篇幅的限制，此研究不对各种实验情况进行过多的赘述。

通过仿真实验获得水闸泄流计算精确度数据见表8。

表8 水闸泄流计算精确度数据表

由表8数据可知，提出方法水闸泄流计算精确度范围为78.59%～90.12%，现有方法水闸泄流计算精确度范围为50.11%～64.15%。通过对比研究发现，提出方法水闸泄流计算精确度数值更高。

2.3.2 水闸泄流计算时间分析

通过仿真实验获得水闸泄流计算时间数据见表9。

表9 水闸泄流计算时间数据表

由表9数据可知，提出方法水闸泄流计算时间范围为1.99～3.15 s，现有方法水闸泄流计算时间范围为4.35～5.49 s。通过对比研究发现，提出方法水闸泄流计算时间数值更小。

通过上述实验结果显示，与现有方法相比较，提出方法水闸泄流计算精准度更高，计算时间更短，表明提出方法泄流计算效率更高，充分证实了提出方法的可行性与有效性。

3 结 语

本文在合理布置渠道引水枢纽基础上，对水闸进行科学、合理的改造，并提出一种新的水闸泄流计算方法，极大地提升了水闸泄流计算精准度，降低了水闸泄流计算时间，整体提高了泄流计算效率，能够为渠道引水枢纽建设与应用提供帮助，也为泄流计算研究提供一定的参考。