王駿秋 王 江 王 成(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

南水北調(diào)工程江都東閘加固前后推流過(guò)程淺析

王駿秋 王 江 王 成(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

作為南水北調(diào)東線源頭配套工程，江都東閘節(jié)制閘經(jīng)加固改造后，因出流環(huán)境、水力要素發(fā)生了變化，歷年所采用的堰閘流量系數(shù)法率定水位流量關(guān)系曲線已不再適合當(dāng)前過(guò)閘流量的推求。為更合理地掌握水工建筑物的出流規(guī)律，收集了工程加固后淹沒(méi)孔流流態(tài)下10 a的實(shí)測(cè)流量資料，改用堰閘過(guò)水平均流速法，率定出新的水位流量關(guān)系曲線，并對(duì)逐年的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比和分析。

節(jié)制閘；堰閘；淹沒(méi)孔流；水位流量；曲線對(duì)比分析；加固處理；南水北調(diào)工程

1 工程概況

江都東閘位于揚(yáng)州市江都區(qū)境內(nèi)，隸屬通揚(yáng)運(yùn)河水系，設(shè)計(jì)流量為550 m3/s，為寬頂平底節(jié)制閘，Ⅳ級(jí)水工建筑物。作為南水北調(diào)東線源頭(江都水利樞紐)的配套工程，當(dāng)抽水站抽引江水向北供水時(shí)，江都東閘可以關(guān)閘擋水阻止江水下泄。與此同時(shí)，當(dāng)里下河地區(qū)需要灌溉時(shí)，可以開(kāi)閘自流引水；當(dāng)江都抽水站開(kāi)機(jī)排澇時(shí)，可以開(kāi)閘排泄里下河澇水。2005年初，江都東閘對(duì)閘身、閘墩及排架進(jìn)行加固改造，同年11月拆除公路橋和工作橋進(jìn)行重建。經(jīng)過(guò)近3 a的施工建設(shè)，加固改造工程基本完成。

2 加固改造前歷年水位流量關(guān)系

1989～1990年期間，江都東閘開(kāi)啟淹沒(méi)孔流時(shí)，采用流速儀船測(cè)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，共實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)27個(gè)。根據(jù)《水工建筑物測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，選用節(jié)制閘推流比較常見(jiàn)的堰閘流量系數(shù)法，堰閘淹沒(méi)孔流流量推算公式如下。

Q=M2Be△Z

(1)

式中，Q為實(shí)測(cè)流量，m3/s；M2為流量系數(shù)，B為閘門開(kāi)寬，m;e為閘門開(kāi)啟高度，m;△Z為閘上下游水位差，m。根據(jù)式(1)，建立△Z.e及M2相關(guān)關(guān)系，率定水位流量關(guān)系曲線。27個(gè)關(guān)系測(cè)點(diǎn)兼顧了高、中、低水位，呈帶狀均勻分布于趨勢(shì)線的兩側(cè)，點(diǎn)線關(guān)系基本吻合。隨著相關(guān)因素△Z.e升高，其淹沒(méi)孔流流量系數(shù)值M2穩(wěn)定在 3.82 左右。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，對(duì)水位流量關(guān)系曲線做3種檢驗(yàn)(符號(hào)檢驗(yàn)，適線檢驗(yàn)，偏離值檢驗(yàn))，其統(tǒng)計(jì)量均符合規(guī)范臨界值。

1991～1994年期間，逐年對(duì)江都東閘淹沒(méi)孔流進(jìn)行校測(cè)72次，所有測(cè)點(diǎn)都均勻分布于關(guān)系線的兩側(cè)，并能控制相關(guān)因素全部變幅的89.1%(實(shí)測(cè)變幅1.88 m，1991～1994年實(shí)際變幅2.11 m)，水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定。1995年，江都東閘根據(jù)江蘇省水文水資源勘測(cè)局下達(dá)的[水文(95)字第50號(hào)]文，對(duì)淹沒(méi)孔流實(shí)行間測(cè)，隔4 a檢測(cè)一次，遇到特殊水情或者超出相關(guān)因素的變幅范圍，及時(shí)檢測(cè)，以保證資料的準(zhǔn)確性和完整性。

1997年，江都市政府在新通揚(yáng)運(yùn)河河口尖沙嘴處(江都東閘下游約450 m)新建龍川大橋，大橋橫跨新通揚(yáng)運(yùn)河、送水河及引江河。根據(jù)流量間測(cè)要求，對(duì)節(jié)制閘淹沒(méi)孔流進(jìn)行校測(cè)，1997年校測(cè)11次，2004年校測(cè)16次。將1991～2004年的所有測(cè)點(diǎn)點(diǎn)繪在關(guān)系圖上(見(jiàn)圖1)。

圖1 流量系數(shù)與開(kāi)啟高度水位差乘積關(guān)系曲線

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，選取顯著性水平α為 0.05，采用逐年實(shí)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)1989～1990年率定的水位流量關(guān)系線做學(xué)生氏t檢驗(yàn)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 學(xué)生氏t檢驗(yàn)

從圖1和表1中可明顯看出，實(shí)測(cè)點(diǎn)呈帶狀分布在關(guān)系曲線兩側(cè)，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線吻合度較好，且相對(duì)于關(guān)系線正偏與負(fù)偏測(cè)點(diǎn)大致相等，最大誤差5.3%，偏離關(guān)系線的誤差符合允許范圍(中上部為±8%，下部為±10%)；各年的學(xué)生氏t檢驗(yàn)值均在允許范圍內(nèi)，水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定。由此表明，江都東閘在工程加固前，歷年來(lái)水位流量關(guān)系曲線無(wú)明顯變化，龍川大橋施工建設(shè)對(duì)曲線也沒(méi)有明顯影響。

3 工程加固前后水位流量關(guān)系變化分析

2006年 6月，江都東閘水下部分改造基本完成后，采用轉(zhuǎn)子式流速儀對(duì)淹沒(méi)孔流進(jìn)行校測(cè)，測(cè)得16個(gè)流量測(cè)點(diǎn)，同樣采用堰閘流量系數(shù)法，把所測(cè)點(diǎn)點(diǎn)繪在1989～1990年關(guān)系線上(見(jiàn)圖2)。

圖2 流量系數(shù)與開(kāi)啟高度水位差乘積關(guān)系曲線(1989～1990年)

如圖2所示，2006年流量測(cè)點(diǎn)點(diǎn)據(jù)非常散亂，未形成明顯點(diǎn)帶，有很大的任意性，無(wú)法確定關(guān)系線下部趨勢(shì)走向，且相比1989～1990年關(guān)系線系統(tǒng)偏小。這說(shuō)明，堰閘流量系數(shù)法已不能滿足當(dāng)前的推流需求。隨后，嘗試改用堰閘過(guò)水平均流速法，利用公式

V=Q/Be

(2)

式中，V為平均流速，m/s。采用△Z及V兩個(gè)相關(guān)因素，對(duì)2006年的測(cè)點(diǎn)重新定線(見(jiàn)圖3)。

圖3 平均流速與水位差關(guān)系曲線

圖3中，新定關(guān)系線為一條光滑的冪函數(shù)曲線，點(diǎn)線關(guān)系較為集中，16個(gè)測(cè)點(diǎn)基本兼顧了高、中、低水位差，偏離趨勢(shì)線正偏與負(fù)偏測(cè)點(diǎn)大致相等，上線吻合度完好。

水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定的閘壩，在經(jīng)過(guò)加固改造以后，在相同的條件下過(guò)水流量開(kāi)始改變。為了分析其原因，將1989～1990年的測(cè)點(diǎn)同樣用堰閘過(guò)水平均流速法定線，與2006年所定曲線放在同一圖表中進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖4)。

圖4 平均流速與水位差關(guān)系曲線

從圖4可以看出，2006年流量測(cè)點(diǎn)與1989～1990年關(guān)系線存在明顯的系統(tǒng)誤差，隨著△Z的增大，2006年曲線與1989～1990年的曲線偏離也越來(lái)越大(△Z在0.5，1.0 m和1.5 m時(shí)，相差分別為12.1%、13.3%、14.3%)。

針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)節(jié)制閘的水下改造情況進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，改造前平底閘底部為水泥板，過(guò)閘水流較為通暢。改造后的閘門下部增加了高0.8 m的過(guò)水坎，當(dāng)?shù)讓铀鹘?jīng)過(guò)節(jié)制閘時(shí)，撞擊到過(guò)水坎，產(chǎn)生曲形回流，致使閘底水流發(fā)生了變化，水流形態(tài)由漸變流轉(zhuǎn)變成急變流，紊流度變大，雷諾系數(shù)Re也相應(yīng)增大，過(guò)閘流量與閘底回流流速成正比。

水力學(xué)原理也說(shuō)明，粘滯性是液體的特性，Re就是表征液流粘滯力與慣性力程度的指標(biāo)，當(dāng)Re變大，粘滯力也會(huì)因上層水流受到反向粘滯作用變大，致使摩擦阻力和水頭損失也增大，所以過(guò)閘流量就會(huì)相應(yīng)減少。另外據(jù)實(shí)地觀察，由于節(jié)制閘上扉門底抬高，致使閘門在開(kāi)啟高度不高時(shí)漏水流量減少，實(shí)測(cè)流量也偏小。

4 工程加固后水位流量關(guān)系穩(wěn)定性分析

為檢驗(yàn)江都東閘工程加固后新定水位流量關(guān)系曲線的穩(wěn)定程度，于2007～2015年汛期，采用先進(jìn)的測(cè)流儀器超聲波多普勒流量流速剖面儀(ADCP)，對(duì)淹沒(méi)孔流進(jìn)行校測(cè)。在施測(cè)期間，考慮到閘門變動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生折沖水流，下游水流易產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，故將所有閘門固定在同一開(kāi)啟高度，上、下游水位差變化幅度由配套水工建筑物江都西閘(上游約1 500 m)升降閘門開(kāi)啟高度加以控制，使紊亂江水經(jīng)過(guò)江都西閘到達(dá)江都東閘上游時(shí)流態(tài)趨于穩(wěn)定，這樣才能更好地控制測(cè)驗(yàn)精度，保證測(cè)驗(yàn)成果滿足當(dāng)年推流變幅。

2007～2015年期間，采用堰閘過(guò)水平均流速法，逐年對(duì)推流曲線開(kāi)展校測(cè)工作，然而每年的校核點(diǎn)經(jīng)過(guò)計(jì)算并點(diǎn)繪在曲線圖上之后分布不佳。2007年實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)15個(gè)，點(diǎn)繪在2006年水位流量關(guān)系曲線圖上,測(cè)點(diǎn)上線吻合度較差，正偏為13個(gè)，負(fù)偏為2個(gè)，數(shù)目相差甚多，顯著性水平α=0.05時(shí)，t=2.25，大于t1-α/2=2.13，學(xué)生氏t檢驗(yàn)不能通過(guò)，表明原曲線已不再適合本年流量的推求，須合并2006年與2007年的31個(gè)測(cè)點(diǎn)，率定出新的水位流量關(guān)系曲線。2008年實(shí)測(cè)21個(gè)流量測(cè)點(diǎn)，所有實(shí)測(cè)點(diǎn)均為正偏，相比2007年關(guān)系線系統(tǒng)明顯偏大。而在2009～2015年逐年流量校測(cè)中，每年水位流量關(guān)系曲線均有所變動(dòng)。

由上可見(jiàn)，江都東閘節(jié)制閘自2006年以來(lái)工程加固后，水位流量關(guān)系曲線的趨勢(shì)走向、偏離大小、傾斜程度等均發(fā)生了系列性變化，且無(wú)任何規(guī)律可尋。非穩(wěn)定水位流量關(guān)系導(dǎo)致江都東閘淹沒(méi)孔流流量測(cè)驗(yàn)無(wú)法滿足向上級(jí)部門申報(bào)流量間測(cè)的基本條件，須每年校測(cè)。

為了研究工程加固后率定的水位流量關(guān)系曲線不穩(wěn)定的原因，基于式(2)，從節(jié)制閘改造項(xiàng)目、測(cè)驗(yàn)控制精度和水力因素變化情況等多方面展開(kāi)逐一分析。Q為測(cè)回流量的算術(shù)平均值(剔除測(cè)回差值大于5%的數(shù)據(jù))，符合《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定。B為節(jié)制閘閘孔總寬度，即固定為78 m(13×6)。e為閘門開(kāi)啟高度，是由固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)通過(guò)兩根鋼繩懸掛閘門控制升降，升降高度根據(jù)閘位計(jì)測(cè)量所得。

江都東閘工程加固之前，節(jié)制閘閘門的鋼繩維護(hù)保養(yǎng)少，e的精度相對(duì)較高。當(dāng)時(shí)水文站采用轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)，施測(cè)1份數(shù)據(jù)歷時(shí)近1 h，階段性測(cè)驗(yàn)工作需要幾天乃至幾周才能完成，測(cè)驗(yàn)期間節(jié)制閘受工程調(diào)度控制，閘門調(diào)整次數(shù)較多，開(kāi)啟高度e即使有微小的誤差也會(huì)在頻繁的升降變動(dòng)中相互抵觸消除，所推求的水位流量關(guān)系曲線相對(duì)穩(wěn)定。

在江都東閘工程加固之后，工作人員會(huì)在每年的汛期前后，定期對(duì)懸掛在閘門上的粗鋼繩進(jìn)行保養(yǎng)，但保養(yǎng)后卻并未對(duì)閘門的開(kāi)啟高度重新進(jìn)行校對(duì)，導(dǎo)致e出現(xiàn)誤差。此外，江都東閘水文站在加固以后引進(jìn)了ADCP測(cè)驗(yàn)儀器。ADCP是利用聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)進(jìn)行流速或流量測(cè)驗(yàn)的儀器，比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀器測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)速幅度大。在使用ADCP對(duì)江都東閘的流量測(cè)驗(yàn)中，無(wú)需變動(dòng)閘門開(kāi)啟高度，通過(guò)江都西閘的工程調(diào)控，1 d內(nèi)就能完成全年的校測(cè)任務(wù)。但是所采用的e值是存在誤差的固定值。

綜上分析認(rèn)為，江都東閘工程加固后率定的水位流量關(guān)系曲線之所以不穩(wěn)定，是由閘門開(kāi)啟高度e的誤差造成的。對(duì)此提出以下幾點(diǎn)建議。

(1) 流量測(cè)驗(yàn)中必須精確閘門開(kāi)啟高度。若條件允許，可在節(jié)制閘上、下扉門安裝防水紅外線測(cè)距設(shè)備，保證每次粗鋼繩保養(yǎng)后閘門開(kāi)啟高度的準(zhǔn)確性，從而率定出準(zhǔn)確的水位流量關(guān)系曲線。

(2) 加強(qiáng)閘門在不同開(kāi)啟高度下的流量測(cè)驗(yàn)工作。如果在測(cè)驗(yàn)期間閘門發(fā)生變動(dòng)，可適當(dāng)延長(zhǎng)下一測(cè)回的始測(cè)時(shí)間，控制測(cè)驗(yàn)精度，等水流平穩(wěn)后再進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

(3) 適當(dāng)延長(zhǎng)施測(cè)周期。根據(jù)潮汐漲落規(guī)律，充分把握測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)，實(shí)測(cè)成果需兼顧到高、中、低各級(jí)水位變幅以及抽水站抽引、排澇、發(fā)電、停機(jī)等各種工況，必要時(shí)及時(shí)加測(cè)，總結(jié)分析出流規(guī)律。

(4) 加強(qiáng)ADCP和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀的流量比測(cè)工作，以驗(yàn)證ADCP在中型閘壩流量測(cè)驗(yàn)中的適用性。

5 結(jié) 語(yǔ)

江都東閘為解決我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題，為里下河和濱海墾區(qū)提供灌溉用水、解決水資源短缺、改善下洼地區(qū)農(nóng)田用水條件以及澇年排泄洪水入江都發(fā)揮了巨大作用。因此，江都東閘準(zhǔn)確可靠的引排流量數(shù)據(jù)是防洪減災(zāi)、工程管理運(yùn)用、區(qū)域水量平衡計(jì)算及水文情報(bào)的重要依據(jù)。這就要求水文工作人員加強(qiáng)對(duì)江都東閘的流量測(cè)驗(yàn)，取得更多準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，逐步完善水位流量關(guān)系曲線的精度，為防洪、抗旱、治澇、灌溉、供水等提供更加精確的水情信息。

(編輯：唐湘茜)

1006-0081(2017)01-0034-03

2016-10-30

王駿秋，男，江蘇省江都水利工程管理處，工程師.

TV132.13

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