北运河杨洼闸泄流能力试验研究（杨淑慧,王理许,张霓,刘侠玲,张春义）

摘要：结合北运河杨洼闸的改建设计, 对杨洼闸进行模拟试验, 分析平原河道上平底板闸门的泄流能力。并与设计计算进行比较, 试验结果表明, 闸孔全开时可以选用《水闸设计规范》推荐的水闸泄流能力计算公式; 部分闸孔开启, 泄流能力需由模型试验确定。

关键词：平底板水闸 泄流能力 流态

中图分类号TV663+.1 文献标识码A 文章编号1673- 4637( 2006) 04- 0031- 04

1 基本情况

北运河是北京市唯一一条发源于境内的水系,境内主河道全长90 km, 以通州北关拦河闸为界, 上段称温榆河, 下段称北运河。杨洼闸是北运河在北京界内最下游的一个出境的控制性拦河建筑物, 建于1973 年。该工程为桥、闸合一建筑物, 经过30余年的运行后, 根据水利部进行的安全鉴定, 杨洼闸为四类病险闸, 应拆除重建。拟建杨洼闸拦河闸共15 孔, 每孔净宽8.0 m,总宽144.0 m。杨洼闸主要用于拦蓄雨洪, 有效利用水资源, 改善水环境。

拟建杨洼闸位于平原河道,为平底板水闸, 过闸落差小,一般落差在0. 1 ～0. 3 m之间,出闸水流属于高淹没度潜流, 其泄量计算, 尤其是流量系数尚未圆满解决。而闸孔泄流能力直接决定水闸枢纽设计规模。若闸宽设计较大, 可能造成工程浪费; 闸宽设计较小, 又恐泄洪能力不足,工程不安全。因此, 确定水闸枢纽泄流能力, 对工程的安全性和经济性至关重要。本文通过模型试验给出杨洼闸的泄流能力, 并与计算值进行对比、分析, 为同类型水闸提供借鉴。

2 模型设计

模型模拟杨洼闸上游约1 000 m、闸下游约600 m河段, 为正态模型, 几何比尺为1∶40, 模型平面布置见图1。按照水流运动相似条件, 确定其他主要参数比尺: 几何比尺: al=ah=40; 流速比尺: av=ah1/2=6.32; 糙率比尺: an=ah1/6=1.85; 流量比尺: aQ=ah2.5=10 119.29。

式中: al 为水平比尺; ah 为垂直比尺; av 为流速比尺; an 为糙率比尺; aj 为水面比降比尺; aQ 为流量比尺。

3 泄流能力试验结果

3.1 闸门不同开度泄流能力

闸门开度分别为e = 0.5 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m, 闸门全开, 试验观测闸上游水位及过闸流量,绘制水位- 流量关系曲线, 得出水闸泄流能力, 见图2。

闸门开度不同, 下泄流量不同会出现堰流和孔流2种过流形式。一般采用下列判别式来区分堰流和孔流:

e / H < 0.65 为孔流出流形式;

e / H ≥ 0.65 为堰流出流形式。

孔流流量公式采用:

利用本文试验结果及上述流量公式可以获得流量系数。闸门开度较小、下泄流量较大时过流形式为孔流, 综合流量系数为0.240 ～0.424; 闸门开度较大、流量较小时过流形式为堰流, 综合流量系数m 为0.190 ～0.267。

由此可见, 杨洼闸综合流量系数较小。由于过闸水流均为淹没出流, 随着下游水位升高, 迫使闸前水面壅高, 整个闸室为缓变流, 水流的粘性阻力较大,上、下游水面落差较小, 淹没度较大, 导致包含淹没系数在内的综合流量系数较小。

3.2 泄流能力的敏感性试验

闸孔泄流为淹没出流, 下游水位对泄流能力具有很大的影响, 因此本文针对几种典型洪峰流量控制不同下游水位, 进行试验, 分析杨洼闸泄流能力变化。

典型流量分别为10 a 一遇洪峰流量Q= 952 m3 / s、20 a 一遇洪峰流量Q= 1 592 m3 / s、50 a 一遇洪峰流量Q = 2 220 m3 / s, 控制不同下游水位, 观测上游水位、流速。上、下游水位、流量系数见表1; 上、下游水位关系见图3; 下游水位与流量系数的关系见图4。

分析试验结果, 各典型流量泄流能力变化规律基本相同。控制不同的下游水位, 综合流量系数不同,泄流能力不同。随着下游水位的增加, 流量系数呈减小趋势, 表明泄流能力随下游水位升高而减小。其原因, 下游水深增加, 淹没度加大, 上、下游水位差减小, 淹没系数值随之减小, 使包含淹没系数在内的综合流量系数变小, 泄流能力降低。

试验得到拦河闸下泄不同流量的淹没度( hs / H0,hs 为闸下水深) , 估算其淹没系数, 见表2, 分析淹没出流对杨洼闸泄流能力的影响。随着流量的增加(流量为952 ～2 220 m3 / s), 淹没度减小( 淹没度为0.944～0.914) , 淹没系数随之加大(淹没系数为0.67 ～0.81)。尽管综合流量系数m 较小, 但去除淹没影响的流量系数m1 仍在0.32 ～0.329 之间。

流量分别为952、1 592、2 220 m3 / s, 闸下游河道控制水位为12.95、13.85、14.64 m 时, 闸前行近流速分别为1.72、2.32、2.80 m / s, 可见闸前行近流速V0 较大, 因此行近流速水头v02 / 2g, 在闸上总水头(H0+ v02 / 2g) 中占有一定的分量, 造成闸前水流收缩不充分, 导致闸室压强和势能较大, 故流量系数较小。

4 设计泄流能力验证

4.1 泄流能力计算方法

杨洼闸泄流能力设计计算采用《水闸设计规范》推荐的水闸泄流能力计算公式:

式中: Q 为过闸流量, m3 / s ; ε为堰流侧收缩系数;H0 为计入行进流速的堰上水头, m; m 为流量系数; B为闸孔净宽, m; " 为堰流淹没系数。

4.2 泄流能力设计与计算对比

本文将7 组不同控制条件的设计计算泄流曲线,在模型中进行模拟验证, 结果见表3。

闸门全开, 杨洼闸的泄流能力试验值与设计值相差不大。流量为200 ～2 220 m3 / s, 上游水位的试验值与设计值相差0.05 ～0.12 m; 泄流能力试验值与设计值相差4.99%以下。

开启7 孔闸门, 杨洼闸的泄流能力小于设计计算值。并随着流量的增大, 试验值与设计值之差逐渐增大, 流量为820～1 600 m3 / s, 相差0.07 ～0.33 m。控制相同上游水位, 下泄流量试验值比相应设计值减少2.52% ～6.61%, 而且随流量增加, 减小百分数随之加大。

开启5 孔闸门, 泄流能力小于设计计算值, 流量为400 ～800 m3 / s, 相差0.25 ～0.34 m。下泄流量试验值比相应设计值减小8.73% ～9.58%。

开启3 孔闸门, 泄流能力小于设计计算值, 流量为180 ～300 m3 / s, 泄流能力减小8.81% ～14.12%。综上所述, 闸门孔全部开启时泄流能力计算值与试验值相差较小, 计算值能够满足设计要求; 闸门孔部分开启时, 泄流能力设计计算值均大于试验值, 闸孔实际泄流能力小于设计值, 因此闸门孔部分开启运行时, 建议增加闸门开启孔数。

4.3 计算与试验值误差原因分析

泄流能力计算值与试验值存在偏差, 主要原因是综合流量系数取值影响。设计计算流量系数包括: 堰流流量系数、堰流侧收缩系数、中间孔侧收缩系数、边闸孔侧收缩系数, 考虑了闸孔宽度、闸墩形式、淹没出流等对泄流能力的影响, 但缺乏水流流态对泄流能力影响分析。

部分闸孔开启时, 水流在开启的闸孔前收缩, 受闸墩绕流影响, 外侧闸墩上部出现较大的漩涡, 使过水断面减小, 泄流能力降低, 而中间闸孔绕流影响较小。这是试验泄流能力与设计计算泄流能力相差较大的原因。而且开启孔数越少, 闸墩绕流影响相对较大,泄流能力设计值与试验值相差越大。

闸孔全部开启, 闸上两侧翼墙导流, 水流平稳过渡,闸前水流流态平顺, 闸室没有旋涡等不良流态出现。

5 结语

试验研究结果表明, 对于平原河道上平底板水闸,闸孔全开时过闸水流均为淹没出流, 使其综合流量系数较小; 水闸泄流能力与下游水位相关, 随下游水位抬高, 流量系数减小, 泄流能力降低。

闸孔全开时, 采用《水闸设计规范》推荐的水闸泄流能力计算公式计算, 流量系数取值适当, 能够作为设计参考; 但对于部分闸孔开启, 由于流量系数中没有考虑过闸水流流态的影响, 计算泄流能力相对较大, 对于水闸设计偏于不安全, 因此泄流能力需由模型试验确定。

参考文献

[1] 赵振兴, 何建京.水力学[M].清华大学出版社.

[2] 中华人民共和国水利部.SL265—2001.水闸设计规范.[S].

作者简介: 杨淑慧( 1955 — ) , 女, 高级工程师。

来源：《北京水务》2006.4