劉志輝 陳維維 周 婧

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 長沙市 410014）

1 工程簡介

某水利工程主要任務(wù)以防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉及航運(yùn)等。樞紐工程由攔河大壩、壩后式廠房、左右灌溉渠首、右岸斜面升船機(jī)等建筑物組成。

大壩壩頂高程▽148m，最大壩高88.0m，正常蓄水位▽140m，防洪汛前限制水位▽125m，總庫容14.4億m3，其中防洪庫容7.83億m3。大壩按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水校核，消力池按100年一遇洪水設(shè)計(jì)。

泄洪消能采用 “五表四底+消力池”的布置型式，5表孔、4底孔集中壩身相間布置。底孔體型采用有壓管型式，有壓段長29.9m，出口控制斷面尺寸4.5m×7.2m（寬×高）。表孔溢流前緣寬度為112.5 m，孔口尺寸11m×16m（寬×高），見圖1和圖2。

2 閘門開度檢查及原因分析

大壩運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)按原設(shè)定集控開度下泄時(shí)實(shí)測流量較設(shè)計(jì)值偏小。為查清問題產(chǎn)生原因，對底孔閘門進(jìn)行現(xiàn)地開度測量。通過集控系統(tǒng)將閘門提至全開狀態(tài)（原設(shè)定開度7.2m）后，測量人員下至底孔溢流面現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)閘門并未全部打開；繼續(xù)向上開啟閘門，閘門全開時(shí)集控系統(tǒng)顯示開度為7.98m。

圖1 表孔剖面圖

圖2 底孔剖面圖

經(jīng)查有關(guān)資料，原集控系統(tǒng)閘門開度設(shè)定為閘門底緣高程與底坎高程的高程差，與底孔設(shè)計(jì)孔口尺寸4.5m×7.2m含義不同，底孔設(shè)計(jì)孔口尺寸7.2 m指閘門打開后底孔過水?dāng)嗝娓叨?。本工程閘門段底孔溢流面剖面為半徑96m的弧形斜坡面，不是水平面。按照水力學(xué)計(jì)算公式定義，本工程采用閘門底緣高程與底坎高程的高程差（即垂直水平面的高度）作為過水?dāng)嗝娓叨仁遣粶?zhǔn)確的，而應(yīng)該采用閘門底緣垂直溢流面的高度（即垂直弧形斜坡面切線的高度）。按設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，閘門底坎高程101.017m，底孔出口頂高程108.97m，高程差7.953m，此時(shí)垂直溢流面的高度為7.202m。閘門全開時(shí)集控系統(tǒng)顯示開度7.98m（高程差）與閘門實(shí)際開度7.953m（高程差）基本一致，相差27mm（總開度的0.3%），此差值系止水橡皮壓縮量、混凝土澆筑、埋件和閘門安裝誤差等原因所致。

由于原設(shè)定閘門集控開度（即閘門底緣高程與底坎高程的高程差）大于相應(yīng)過水?dāng)嗝娓叨?，集控系統(tǒng)顯示閘門全開工況時(shí)閘門沒有完全打開，這是導(dǎo)致下泄流量測量數(shù)據(jù)偏小的主要原因。經(jīng)現(xiàn)場檢查，大壩表孔閘門也存在類似問題。

3 修正公式推導(dǎo)

3.1 底孔閘門

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙推導(dǎo)得出閘門垂直水平面開度（即高程差）與閘門過水?dāng)嗝娓叨葥Q算公式：

式中 h——閘門底緣與底坎的高程差（全開時(shí)h＝7.953m）；

h0——過水?dāng)嗝娓叨龋撮l門底緣垂直溢流面高度。

3.2 表孔閘門

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙利用微積分方法求最小值和迭代法推導(dǎo)閘門垂直水平面開度（即高程差）與閘門過水?dāng)嗝娓叨葥Q算公式。為使轉(zhuǎn)換公式更加接近理論值，擬定閘門開度（過水?dāng)嗝娓叨龋?m以內(nèi)，采用3次回歸方程式；5m以上，采用冪指數(shù)函數(shù)，具體轉(zhuǎn)換公式如下：

式中 h——閘門底緣與底坎的高程差（全開時(shí)h＝18m）；

h0——過水?dāng)嗝娓叨龋撮l門底緣垂直溢流面高度。

4 修正公式復(fù)核

為驗(yàn)證換算公式準(zhǔn)確性，再次組織進(jìn)行閘門開度現(xiàn)場測量，測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 大壩底孔閘門過水?dāng)嗝娓叨扔?jì)算值與實(shí)測值對比表 m

表2 大壩表孔閘門過水?dāng)嗝娓叨扔?jì)算值與實(shí)測值對比表 m

經(jīng)復(fù)測，閘門過水?dāng)嗝嬗?jì)算值與實(shí)測值基本接近，底孔最大差值15mm，表孔最大差值30mm，滿足計(jì)算精度和運(yùn)行要求。

5 流量復(fù)測與流量系數(shù)計(jì)算

根據(jù)測量成果，對閘門集控系統(tǒng)進(jìn)行重新調(diào)試，組織不同庫水位下若干閘門開度流量測量，計(jì)算相應(yīng)流量系數(shù)。

5.1 計(jì)算公式

5.1.1 底 孔

底孔下泄為孔口出流，流量系數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中 μ——流量系數(shù)；

Q——下泄流量（m3/s）；

A——過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；

G——重力加速度；

H0——弧門出水孔口中心線以上作用水頭（m），H0＝H-101.017-h0/2，其中：H為上游庫水位，101.017m為閘門底坎高程，h0為閘門底緣至底坎高程差。

5.1.2 表 孔

表孔下泄分兩種情況：一是當(dāng)壩上水位大于堰頂高程與閘門開度之和時(shí)（閘門未提離水面），應(yīng)視為孔口出流；二是當(dāng)壩上水位小于堰頂高程與閘門開度之和時(shí)（閘門已離開水面），應(yīng)視為自由堰流。

（1）第一種情況流量系數(shù)按式（2）計(jì)算：

式中 μ——流量系數(shù)；

Q——下泄流量（m3/s）；

A——過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；

G——重力加速度；

H0——表孔堰頂以上作用水頭 （m），H0＝H－124，其中：H為庫水位，124m為堰頂高程。

（2）第二種情況流量系數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中 m——流量系數(shù)；

Q——表孔泄量（m3/s）；B——堰孔凈寬（11m）；

H0——堰頂以上的作用水頭（m），H0=H－124，其中：H為庫水位，124m為堰頂高程；

G——重力加速度。

5.2 流量系數(shù)計(jì)算

流量測量數(shù)據(jù)和流量系數(shù)如表3、表4和表5。

表3 3#底孔控泄流量與流量系數(shù)表

表4 3#表孔控泄流量與流量系數(shù)表

表5 3#表、底孔敞泄流量與流量系數(shù)表

6 結(jié) 語

針對某水庫大壩按原設(shè)定集控開度下泄時(shí)實(shí)測流量較設(shè)計(jì)值偏小的情況，通過對閘門開度進(jìn)行實(shí)地測量找出原因，按設(shè)計(jì)圖紙利用微積分方法求最小值和迭代法推導(dǎo)閘門垂直水平面開度（即高程差）與閘門過水?dāng)嗝娓叨葥Q算公式并進(jìn)行實(shí)地測量復(fù)核，調(diào)整后進(jìn)行的大壩水力學(xué)原型觀測試驗(yàn)成果表明：大壩下泄流量均超過設(shè)計(jì)值，泄洪能力滿足水庫防洪和安全運(yùn)行要求。

[1]趙振興，何建京.水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

[2]劉啟釗，胡明.水電站[M].北京:中國水利水電出版社，2010.

[3]林繼鏞.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社，2009.

[4]同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2004.