淮河临淮岗工程深孔闸过闸流量计算分析

陈富川

(安徽省临淮岗洪水控制工程管理局,安徽 合肥 230088)

水利工程中,为了控制水位和流量,常在河道、渠道或水库中修建水闸,利用闸门控制流量和调节水位。闸孔出流流量的精确确定是保证工程安全运行、发挥应有效益的关键。影响闸孔出流流量的因素很多,闸门类型、闸底坎形式、闸门上下游水深及其差值、出孔水流是否受下游水深影响、闸门宽度、闸门开启度、闸上游行近段的河道形态等都将影响闸孔出流流量的大小。闸孔出流虽然有一些经验公式和水工模型试验推荐的理论公式,但由于闸孔出流具有很强的三维特征,这些公式还不能完全符合所有建成后水闸的过流计算。必须对过闸流量的实际观测数据与计算数据进行对比分析,建立合适的过闸流量推算公式。王玉琼等[1]针对胡家岸引黄水闸的过闸流量进行了计算分析;李宛东等[2]对节制闸水头开度和过闸流量动态特性开展了分析与应用研究。

淮河临淮岗洪水控制工程(以下简称“临淮岗工程”)位于淮河中游,该工程于2001年12月开工建设,2007年6月通过竣工验收并投入运行。临淮岗工程是淮河防洪体系的重要工程,运行方式复杂,需要兼顾防洪保安与水资源利用两个方面[3]。沿淮地区水资源相对缺乏,要发挥工程的综合效益。在前期试验性蓄水的实践基础上,临淮岗水资源综合利用项目被列为150项重大水利工程,列入《“十四五”水安全保障规划》,工程实施后,按照23.00m蓄水位计算,年均可供水量约7.2亿m3,将有效保障上游地区466万人饮水安全。在《临淮岗水资源综合利用工程总体方案》中,推荐临淮岗蓄水位23.00m,汛限水位采用20.50m(汛期5—9月)。为了实现水闸的精准调度,对临淮岗工程各大型水闸的过闸流量进行计算分析很有必要。首先,以临淮岗工程的深孔闸为研究对象,结合工程运行状况,分析并确定闸孔过流流态;其次,将由经验公式、水工模型推荐公式计算的流量与实际观测数据进行对比分析,推算出两个公式的适用范围;最后针对当前深孔闸较大开度流量观测数据不足的现状,基于水闸的上下游水位、闸孔开度、开启孔数,拟合出流量系数与闸孔相对开度的关系曲线,进而拟合出水位流量参数的计算公式。经实测数据与公式计算结果比较,验证了计算方法具有一定的准确性,可适用于淹没式孔流各相对开度条件下闸孔流量的监控,初步解决了深孔闸过闸流量的计算问题。

1 工程概况

临淮岗工程是淮河流域最大的防洪工程,是淮河中游多层次防洪体系中的关键性工程。临淮岗工程由主坝、南副坝、北副坝、12孔深孔闸、49孔浅孔闸、姜唐湖进洪闸、临淮岗船闸、城西湖船闸(现复线船闸)等建筑物组成[3]。工程布置见图1。

图1 临淮岗工程示意图

12孔深孔闸是临淮岗工程主要泄水建筑物之一,为开敞式水闸,一级建筑物共12孔,主要承担汛期洪水下泄和非汛期水位调控任务,运行频繁。根据临淮岗工程蓄水调度方案,深孔闸上蓄水位范围为20.50～23.00m。非汛期和中小洪水时,按照蓄水方案控制坝上水位;大洪水时,下闸控泄,与临淮岗工程其他泄水建筑物一起控制淮河干流下泄流量[3]。目前,多采用闸门流量经验公式粗算流量,为了实现水闸的精准调度,通过水力学方法来对深孔闸过闸流量进行计算分析很有必要。

2 水力学模型

2.1 流态分析

过闸水流分为堰流和闸孔出流(简称“孔流”)。当闸门开度e较大时,闸门下缘离开水面,对水流控制不起作用时,为堰流;当闸门位启出水面,水流受闸门开度影响时,为孔流。一般由下面经验公式判别闸孔流出方式:

式中:e为闸门开启高度,m;H为闸前总水头,m;e/H称为水闸的相对开度[1]。

基于近几年非汛期和中小洪水时深孔闸历史观测数据,闸前水头常年维持在7.50～8.00m,闸门开启高度一般在0.5～1.5m,不超过2m,水闸相对开度远小于0.65,深孔闸属于典型的平底闸孔流形态[4]。根据出流流态是否受下游水位影响,孔流又分为自由孔流和淹没孔流。当下游水位较低使闸孔下游发生远驱水跃、下游水位不影响闸孔过流时,称为自由孔流;当下游水位较高使闸孔下游发生淹没水跃、下游水位影响闸孔过流时,称为淹没孔流[1],见图2。

图2 自由孔流与淹没孔流示意图

工程建成后,深孔闸下游常年保持在18.0m以上的水位。根据深孔闸历史过闸水位数据估算,非汛期和中小洪水时水闸跃后水深不超过3.00m,下游水头常年保持在3.00m以上,属于平底闸淹没孔流。由于工程建成后,淮河仅发生过2007年、2020年两次流域性大的洪水过程,闸门敞泄洪水,下游水位较高,深孔闸下游常年保持在18.00m以上的水位,不存在发生自由堰流的状况。其他汛期、水情较大的时候,存在闸门提出水面的情况,深孔闸出现过淹没堰流的流态。因此,深孔闸中高水时发生淹没式堰流,大部分时间流态为淹没式孔流,过闸流量主要受水闸上下游水位、闸门开启孔数及开启高度影响[1]。

2.2 淹没孔流水力学模型

利用水力学公式建模推算过闸流量,建立合适的数学模型和流量参数,只需记录水位数据、闸门开启高度信息等,即可实现过闸流量的快速准确推算。根据《水工建筑物与堰槽测流规范》(SL 537—2011),目前,深孔闸采用上、下游水位差为淹没孔流的流量计算公式:

(1)

式中:Q为过闸流量,m3/s;μ1为淹没孔流流量系数(以下简称“流量系数”);n为闸孔开启数;b为闸孔净宽度,m;e为闸门开启高度,m;g为重力加速度,m/s2;ΔZ为上、下游水位差,m;H为上游水头。

根据淮河淮滨—蚌埠段防洪规划洪水演进数学模型、临淮岗枢纽整体水工模型试验研究及安徽省类似平底闸试验资料,推荐深孔闸孔流过流时流量公式为

(2)

K=1.0021(e/h2)2-0.2151(e/h2)+0.6775

(3)

式中:K为淹没孔流综合流量系数;h1为上游水深,m;h2为下游水深,m。

2.3 数据对比分析

深孔闸在实际水位调控过程中,只启闭部分闸孔闸门。因此,实测流量时,选择在深孔闸全部开启和临淮岗船闸、城西湖退水闸关闭期间,减少了测量的数据误差。表1给出了深孔闸日常观测到的一组物理量数据,包括开启闸孔数量、闸门开启高度、上游水位、下游水位、瞬时流量等实测数据,以及用经验公式及模型试验推荐公式计算的流量数据,并进行了对比分析。

表1 实测流量与计算流量对比分析

深孔闸实测流量与计算流量相对比除了水文测验本身的误差外,主要还有水位观测位置不当、忽略行近流速水头的影响、闸门开启高度精度不高等方面的原因[5]。除了上、下游水位和开启高度外,以相对开度e/H为参变数也有较大影响。当e/H≤0.3时,深孔闸保持小流量下泄。经验公式、模型试验推荐公式计算的流量数据与实际测量数据对比,误差率一般都在7%以下,两个公式中的流量系数曲线较好地反映了流量系数和各自相对开度之间的函数关系,验证了该数学模型的准确性。两个公式用于推求深孔闸小开度下淹没孔流流量,方法简单,精度较高,设计的控泄方案也较为可靠。当e/H≥0.3时,经验公式、模型试验推荐公式计算的流量数据与实际测量数据对比,有相当一部分数据误差率都在10%以上,此时,不宜采用两个公式来计算。

3 流量系数曲线

3.1 实测流量数据关系分析

根据深孔闸淹没孔流历史观测资料,可由下式求出流量系数μ1:

(4)

得到一组流量系数与相对开度的工况数据,以μ1-e/H建立相关关系图。深孔闸在淹没孔流流态下,由于受到闸门开启高度影响,收集到的相对开度较大的数据较少,因此关系曲线点据下部密集,上部稀少,点据分布极不均匀。在相对开度(e/H)较小开度区间,去掉偏差过大明显失真的坐标点,流量系数与相对开度总体呈相关趋势;相对开度(e/H)处于较大开度区间的观测数据还比较少,相关关系并不理想,部分点与点之间关系散乱,无法进行特征分析,无法得到比较稳定的流量系数关系。

3.2 流量系数率定分析

水工建筑物测流包括建立关系曲线、流量系数率定及推流等阶段,实测通过堰闸的流量、水位和闸孔的开启度,然后计算出相应的系数和绘制关系曲线[6]。由于深孔闸在相对开度较大区间的流量系数相关关系不佳,淹没孔流流量系数的率定比较困难。

随着计算机模拟技术的普及,关系曲线法计算变得简便,适用性强。水工模型推荐公式的深孔闸淹没孔流综合流量系数采用二阶多项式,为解决深孔闸流量系数与相对开度直接拟合难以保证准确性的问题,采取二阶多项式拟合深孔闸流量系数曲线。根据实测数据的对比分析,本文采用的具体方法为:当闸门相对开度e/H≤0.3时,采用式(3)计算出推荐的综合流量系数数据;当闸门相对开度0.3≤e/H≤0.65时,根据实测流量利用式(2)计算出实测综合流量系数数据。结合与闸门相对开度e/H的相对比值,对得到的两种综合流量系数的区间进行内插,得到一组新的综合流量系数数据。然后再对新的综合流量系数数据进行拟合,绘制成μ1-e/h2关系曲线,从而推算出淹没孔流e/H≤0.65时的流量系数与相对开度的函数关系,见图3。

图3 深孔闸淹没孔流闸门相对开度与流量系数拟合曲线

从二阶多项式拟合的结果可以看出,深孔闸大部分时间保持小流量泄流,过流情况较为简单,流量系数与相对开度关系曲线总体为一条弧度较小的曲线,相关度为0.99,较好地反映了流量系数和相对开度之间的函数关系。所以本文采用二阶多项式曲线表征流量系数与相对开度的函数关系,即y=0.4733x2-0.014x+0.661,R2=0.9912。

4 数学模型验证

通过近几年的流量资料分析可以看出,深孔闸淹没孔流线目前还不太稳定,受工程水情调度的限制,在实测资料中较大开度测点较少,大部分测点位于关系曲线的中下部。过程流量测次分布不均,关系点阵的密集度还不够完善,趋势线的代表性还略有不足,淹没孔流系数线尚不稳定[7]。选取23组实测数据,利用拟合后的流量系数计算过闸流量并与实测流量进行比较。计算结果表明,在闸门相对开度较小及闸门相对开度较大两种情况下,计算的过闸流量值与实测值相对误差绝大部分在10%以内,且精度与推荐公式计算的结果相比较高,验证了该数学模型具有一定的准确性,见表2。目前情况下,可以作为水闸流量计算的参考依据。

表2 实测流量与推荐公式和拟合公式计算流量对比分析

同时,随着工程的持续运行和水情观测数据的不断丰富,通过对观测样本数据的深入优化筛选,进行关系曲线拟合,深孔闸过流流量系数的率定精度将会得到进一步提升。为了验证测点与关系线的拟合情况,要根据《水文资料整编规范》(SL 247—2012)要求,对关系线分别进行符号检验、适线检验和偏离数值检验。经过计算分析,符号检验、适线检验、偏离检验[8]的三项检验合格后,流量系数的率定精度即能满足水闸运行的需要,可以作为工程管理调度的依据。

5 结 论

过闸流量计算是水闸管理工作中的一项重要内容,对水闸的精准调度和科学管理具有重要意义[9]。本文在阐述通过水力学方法来对临淮岗工程深孔闸过闸流量进行计算分析的必要性基础上,分析并确定了过闸流态,推算出流量计算经验公式、水工模型推荐公式的适用范围,根据目前观测的流量数据,采用二阶多项式进行曲线拟合,推算出流量系数与相对开度的函数关系,初步解决了过闸流量计算问题,为水闸精准调度提供了依据,并提出了建议。主要研究结论如下:

a.结合工程运行状况,分析并确定深孔闸过闸流态为中高水时发生淹没式堰流,其他大部分时间流态为淹没式孔流。

b.通过流量数据对比分析,推算出流量计算经验公式、水工模型推荐公式适用于闸门相对开度较小的状态。

c.针对当前深孔闸较大开度流量观测数据不足的现状,对实测综合流量系数与推荐综合流量系数的数据进行内插,采用二阶多项式进行曲线拟合,推算出流量系数与相对开度的函数关系,通过实测数据与拟合公式计算结果比较,验证了计算方法具有一定的准确性,目前情况下可适用于各相对开度条件下闸孔流量的监控,初步解决了过闸流量计算问题,为水闸精准调度提供了依据。

d.由于受观测资料系列较短、观测手段匮乏等制约,流量系数尚未圆满解决,如何进一步提高较大开度下淹没孔流流量系数的拟合精度、确定深孔闸堰流过流流量及在混合开启时各闸门的闸孔过流流量,有待于在以后的工作中作更深入的分析研究。建议在以后的调度运行中,深孔闸12孔闸门要全开且开启高度一致,进一步加强洪水期及高水位、大开度情况下过流测验,以获取不同水情下的流量观测数据,提高流量系数的率定精度。