堰闸影响的河道流量推求探讨

张亮

摘要：四川省绵阳市梓潼文昌闸坝是梓潼河在梓潼县境内的主要控制水利工程。由于城市景观工程以及取水的需要，现河道受水利工程影响的情况日益严重。因此，有必要对受水利工程影响的河流的流量推求进行分析，利用堰闸的出流规律，根据历年的实测流量资料，对其数据进行分析并且率定出各形态下水位流量关系。

关键词：WES实用溢流堰；闸孔出流；无坎宽顶堰推流

Abstract: Mianyang City, Sichuan Province the Zitong Wenchang Gate Dam the Zitong River Zitong County, the main control water conservancy. Due to the needs of the urban landscape works and water, the present river Affected by Water Project is becoming increasingly serious. Therefore, it is necessary for the flow of rivers Affected by Water Project Deriving analyzed using a flow law of the weir gate, based on years of measured flow data, analyze the data and the rate set under the various forms of stage-discharge relationship.

Keywords: WES practical overflow weir; gate orifice discharge; no Hom broad crested weir plug flow

中图分类号：TV132+.13 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

一、基本情况

梓潼水文站该测站于1971年由原来上游的中兴站下迁设立梓潼水文站，由四川省水文总站设立于梓潼县长卿乡，同年断面下迁32.5米，集水面积1547Km2，本站观测项目有水位、流量、泥沙和降水。河段顺直长约800m，左岸为沙壤土，河床为沙卵石结构，右岸为页岩层伸向，宽浅式河床。冲淤变化不大，基下270m南桥为中、高水控制，桥下40-70m河滩为低水控制，中低水主流在200-210m之间，高水在210-230m之间摆动，低水受人类活动影响。低水于基下1010m为临时测流断面。原基本水尺断面与测流断面重合，从2000年6月起测流断面上迁8m新建缆道，河床为连山石组成，左岸为卵石组成。自建站以来，该站高、中、低水位以流速仪测流为主。由于受洪水涨落和断面冲淤的影响，该站水位流量关系为多曲线，并按临时曲线推流。

2004年，梓潼县在梓潼水文站下游约2km处开始修建文昌闸坝工程，工程于2006年9月完工。工程为梓潼县的景观河道工程，工程的枢纽部署包括左右两岸分别宽15m的WES实用溢流堰、7孔宽12m的平底闸坝以及位于河道左岸的溢洪道组成。WES溢流堰为上游侧垂直、顶高468.70m的实用堰，其堰底高程为464.00m，采用折线消力舌进行连接，在尾端采用消力坎进行最后消能；闸门组由7孔12m宽平底闸组成，闸底高程464.00m，闸门的顶高为469.50m。

梓潼文昌闸坝于2006年九月下闸蓄水，闸坝的正常蓄水位为468.70m。蓄水后根据闸坝的运行设计方案，在水位低于469.10m直接采用位于闸坝两侧的WES溢流堰进行溢流，当水位高于469.10时，闸门启动进行泄洪。梓潼文昌闸坝的闸上闸下水位、溢流堰水位以及闸坝开启高度均采用由山河科技公司的自动监测设备进行记录。根据梓潼文昌闸坝记录于梓潼水文站的同期水位记录比较，梓潼文昌闸坝的闸前水位记录于梓潼水文站的水位记录一致，可以直接采用闸坝记录的水位进行使用。

二、流量推求方案

梓潼水文站的流量推求方案采用当文昌闸坝不开闸泄流时采用两侧的溢流堰进行推流，当文昌闸坝的泄洪闸开启泄洪后，分别对闸前水深与闸门开启高度进行比较确定采用闸孔出流与溢流堰结合方式、闸单独出流以及闸全开采用宽顶堰方式或河槽过流进行出流来推求下泄流量，当基本水尺断面能正常测流后采用基本水尺断面的水位流量关系线进行推流，三种方法结合推求梓潼站流量日表。

㈠WES实用堰推流

堰流流量的计算公式为

式中 b——每孔净宽；N——闸孔孔数；H0——包括行近流速水头的堰前水头；

v0——行进流速；m——自由溢流的流量系数，它与堰型、堰高等边界条件有关；

σc——侧收缩系数，它反映由于闸墩（包括翼墙、边墩和中墩）对堰流的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流的影响；

σs——淹没系数，当下游水位影响的泄流能力时，堰流为淹没堰流，其影响用淹没系数表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时σs=1.0。

①流量系数m

根据梓潼文昌闸坝设计资料，溢流堰采用上侧垂直，堰高P=4.7m，根据设计资料和推流水位的范围，其P/H0〉1.33，为高堰，可不计其行进流速，其流量系数计算采用计算（其中A=1.7915，B=0.2062,并且H0/Hd>0.4），H0/Hd≤0.4采用内插表进行计算。梓潼文昌闸坝的设计水头为Hd=474.80-468.70=6.10m。

②淹没系数σs

根据梓潼文昌闸坝设计和梓潼水文站推流的要求，文昌闸坝的溢流堰为自由出流，其淹没系数确定为1。

③侧收缩系数σc

b——每孔净宽；H0——堰顶全水头；ζ0——闸墩形状系数；ζk——边墩形状系数。

根据梓潼文昌闸坝的设计，由于是采用单孔的溢流堰，其边墩系数ζk=0.1，闸墩形状系数ζ0=0。堰下实测流量，率定后的溢流堰水位流量关系，见表1。

表1 WES实用溢流堰水位～流量曲线关系

㈡闸孔出流

其中 e——闸门开启高度；b——每孔净宽；n——闸孔孔数；

H0——包括行进流速水头的闸前水头；——垂直收缩系数，见表2；

μ——闸孔自由出流的流量系数，它综合反映闸孔形状和闸门相对开度e/H对泄流量的影响；σs——淹没系数。自由出流时σs=1.0。根据梓潼文昌闸坝的设计，泄洪闸为7孔12m的平底闸，其流量系数μ采用进行计算。

淹没系数σs，见表3。根据计算出的收缩系数和初算流量以及闸下水深进行自回归计算。其计算流程，见表4。

表2文昌闸坝的闸门的垂直收缩系数参数表

平板闸门垂直收缩系数

表3 平底闸淹没系数表

表 4 计算流程

㈢无坎宽顶堰推流

梓潼文昌闸坝在闸门完全打开后，闸室下游为陡坡河道，其坡降为1：4，下游流态为急流，因此形成了无坎宽顶堰出流。

无坎宽顶堰流，是由于堰孔宽度小于上游引渠宽度，水流受平面上的束窄产生侧向收缩,引起水面跌落而形成.其计算公式与普通宽顶堰流公式相同。但在计算中一般不单独考虑侧向收缩的影响，而是把它包含在流量系数中一并考虑，即令m=m*ε1，m为包括侧收缩影响的流量系数。计算公式为，无坎宽顶堰的流量系数m，可根据进口翼墙的形式及平面收缩的程度查取而得。

根据梓潼文昌闸坝的设计方案，梓潼文昌闸坝的进口翼墙为直角式翼墙，采用直角翼墙根据b/B的关系进行流量系数插补，见表5。

表 5b/B关系

文昌闸坝的闸门开启为人为控制，其方式按实际高度记载资料进行分析，对于多孔则采用边孔及中孔的加权平均值，梓潼文昌闸坝的中墩和中墩厚为均2m。

无坎宽顶堰的淹没系数，可近似地采用下表进行查用，见表6。

表 6无坎宽顶堰的淹没系数

梓潼文昌闸坝的宽顶堰方式出流的流量计算采用“逐步近似法”进行计算，由于闸孔全开后流量较大，因此采用“逐步近似法”的流量精度控制在1m3/s。

三、流量推求成果

根据梓潼闸坝实时记录成果分析，当闸门全关闭时，直接采用 两侧的WES实用堰进行计算泄流流量；当闸门开启后，闸前水深大于闸门的开启高度时，采用闸孔泄流和WES实用堰联合泄流方式计算泄流流量；当闸门的开启高度大于闸前水深时，则采用无坎宽顶堰和WES实用堰联合泄流方式计算泄流流量。

四、成果评定

根据梓潼水文站实测的流量与溢流堰下泄流量进行对比分析。采用WES实用堰计算的堰流与实测的流量成果相符，各种方法推流衔接较好，资料可供使用。

五、结论

由于目前我局各水文站所在河流大部分受水利工程影响，测验情况千变万化，采用工程水文学的方法对水文测验进行有益的补充和扩展事在必行。

梓潼水文站的推流方法结合了本站河段的实际情况，推流方法选用较合理，成果比较可靠。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。