葛慶艷

（山東省蘭陵縣水利局，山東 臨沂 277700）

1 引言

在進(jìn)行引水渠道設(shè)計(jì)時(shí)，在分水口部位進(jìn)行設(shè)計(jì)流量分配是引水渠道工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題之一。吳怡等[1]以南水北調(diào)中線工程為例，對分水口的進(jìn)行敏感性分析，認(rèn)為引水渠道流量越大，分水口敏感性越?。桓邔W(xué)平等[2]以南水北調(diào)東線工程為例，研究節(jié)制閘對分水口水力的影響，認(rèn)為分水口對節(jié)制閘的調(diào)節(jié)幅度較為敏感；劉海強(qiáng)等[3]對影響矩形分水口分流的因素進(jìn)行分析，認(rèn)為流量對矩形分水口水面線影響較小，流向角隨分流比的增大而增大；郭青春[4]以東湖水電站為例對不同形式的分水口的過流能力進(jìn)行計(jì)算，劉海強(qiáng)等[5]使用試驗(yàn)方法對矩形渠道分水口的水力性能進(jìn)行研究；方神光等[6]以南水北調(diào)中線工程為例，研究分水口對渠道引水的影響，得出分水口前水位下降速率與分水口流量變化呈線性相關(guān)；張成等[7]以南水北調(diào)中線工程為例，對分水口調(diào)度進(jìn)行研究，認(rèn)為單步分水時(shí)波動(dòng)影響范圍較大；薛海等[8]采用數(shù)值模擬的方法對不同角度的分水口的流動(dòng)特征進(jìn)行分析，認(rèn)為應(yīng)采用小角度的管道連接方式；張成等[9]以南水北調(diào)中線工程為例，獲取水力響應(yīng)的基本參數(shù)，可為工程運(yùn)行提供參考；丁愛萍等[10]對分水口和節(jié)制閘的水力敏感性進(jìn)行分析，認(rèn)為影響渠道水位的主要因素為分水口流量變化幅度和節(jié)制閘的開度幅度。本文在前人研究基礎(chǔ)上，對分水口的過流能力進(jìn)行計(jì)算，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度提供參考。

2 工程概況

會(huì)寶嶺灌區(qū)為山東省蘭陵縣境內(nèi)的西南部的一片灌區(qū)，東界線至蘭陵縣汶河，南界線至蘇魯省界，西邊同棗莊市相連。該區(qū)域涉及蘭陵縣管轄下的6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對應(yīng)391個(gè)村莊，其灌溉面積當(dāng)前設(shè)計(jì)為30.1萬畝。灌區(qū)于1959年開始建設(shè)，主干渠凈寬為3.6 m，設(shè)計(jì)流量為16.3 m3/s，設(shè)計(jì)水深為3.15 m，設(shè)計(jì)縱坡為1/3000，向下游輸水分為南、北兩個(gè)干渠。其中北干渠凈寬為3.0 m，設(shè)計(jì)縱坡為1/2000，設(shè)計(jì)流量為10.15 m3/s，南干渠凈寬為2.5 m，設(shè)計(jì)縱坡為1/3000，設(shè)計(jì)流量為6.15 m3/s。南北干渠夾角為52.393°。引水渠道示意圖見圖1。

圖1 引水渠道示意圖

3 閘孔過流能力計(jì)算

3.1 過流流量計(jì)算

引水渠道的輸送水能力滿足能量守恒定理。在引水輸水路徑中選取兩個(gè)計(jì)算剖面，見圖1。根據(jù)能量守恒的基本原理，可知:

式中:αa、αb分別表示上游、下游動(dòng)能修正系數(shù)；Ha、Hb分別表示斷面a-a和b-b處的水頭；Va、Vb分別表示斷面a-a和b-b處的水流速度；hf為沿程水頭損失，與引水渠道的光滑程度有關(guān)。

通過公式推導(dǎo)可知:

式中:ε為收縮系數(shù)；A為b-b剖面的過流斷面面積；φ為流速系數(shù)；μ為流量系數(shù)，等于流速系數(shù)和收縮系數(shù)的乘積；Q為b-b剖面的過流量。

根據(jù)引水渠道下游引水水深和收縮斷面的躍后水深的關(guān)系，閘孔水流有兩種出流方式:自由出流和淹沒出流。當(dāng)躍后水深大于下游水深時(shí)，則下游水深對閘孔過流能力不產(chǎn)生影響，此時(shí)為自由出流；反之，則為淹沒出流。淹沒出流時(shí)收縮斷面將會(huì)被淹沒，不利于充分發(fā)揮閘孔的過流能力。因此，在工程設(shè)計(jì)中一般選取自由出流。參考葉云濤等[11]的研究，自由出流滿足下式:

式中:b為引水渠道寬度；e為閘門的開度；H為閘門上游水頭。

3.2 不同閘門開度的過流量計(jì)算

根據(jù)工程概況，選取總干渠、南干渠、北干渠作為研究對象。當(dāng)總干渠閘門全開時(shí)，南干渠、北干渠的閘前水位為3.15 m，分別調(diào)節(jié)南干渠、北干渠閘門的開度，從而計(jì)算出不同開度情況下，分水口的過流能力和流量的分配情況。

當(dāng)北干渠開度為0.5 m時(shí)，閘門相對開度為0.158，根據(jù)文獻(xiàn)[11]流量系數(shù)與相對開度的關(guān)系曲線，取流量系數(shù)為0.577，代入式（3）求得Q=6.905 m3/s。南干渠、北干渠不同開度情況下，流量計(jì)算結(jié)果見表1～表2。

表1 南干渠不同開度情況下過流量計(jì)算結(jié)果

表2 北干渠不同開度情況下過流量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)繪制計(jì)算流量與開度的關(guān)系，見圖2。當(dāng)閘前水位保持恒定不變時(shí)，隨著開度的增大，南干渠、北干渠的計(jì)算流量均有所增大，且呈線性正相關(guān)關(guān)系。北干渠開度與設(shè)計(jì)流量關(guān)系為:y=10.591x+1.9485(R2=0.9968)，根據(jù)北干渠的設(shè)計(jì)流量為10.15 m3/s，當(dāng)開度為0.775時(shí)，達(dá)到北干渠設(shè)計(jì)流量；同理，南干渠開度與設(shè)計(jì)流量關(guān)系為:y=7.0606x+1.299(R2=0.9968)，根據(jù)南干渠的設(shè)計(jì)流量為6.15 m3/s，當(dāng)開度為0.687時(shí)，達(dá)到南干渠設(shè)計(jì)流量；當(dāng)閘前水位恒定為3.15 m時(shí)，南干渠、北干渠過流量均能達(dá)到設(shè)計(jì)流量。

圖2 南、北干渠閘門開度與計(jì)算流量關(guān)系圖

4 南干渠、北干渠恒定流量下閘門開啟速率研究

南干渠和北干渠的設(shè)計(jì)流量，分別為6.15 m3/s和10.15 m3/s。引水渠道水位波動(dòng)為0.15 m/h，以此來計(jì)算南干渠、北干渠閘門的開度，當(dāng)Q恒定時(shí)，根據(jù)式（3）可以計(jì)算，南閘門開度從0.75 m調(diào)整至1.0 m后，水位從3.29 m變化為2.20 m，水位落差可達(dá)1.09 m，若水位落差需要小于0.15 m/h時(shí)，則水閘開度從0.75 m變?yōu)?.0 m，所需時(shí)間最少為7.3 h。則閘門開啟速度為0.0342 m/h。計(jì)算恒定流量下南干渠、北干渠閘門的開啟速率，見表3～ 表 4。

表3 北閘門不同水位下閘前水位變化

表4 南閘門不同水位下閘前水位變化

從表3～表4可以看出，當(dāng)南干渠和北干渠的過流量為恒定值時(shí)，閘門開度的變化會(huì)引起閘前水位的劇烈變化，若在引水渠道長期的運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)水位劇烈變化的情況，則會(huì)對引水渠道的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。因此，控制水位變化的速率及閘門開啟、關(guān)閉的速率是極為重要的，因此準(zhǔn)確計(jì)算閘門開啟、關(guān)閉的速率的最大值是非常有必要的。

繪制設(shè)計(jì)流量下，南干渠、北干渠閘前水位與閘門開啟、關(guān)閉速率的曲線，見圖3。東西干渠在水位高度小于2.2 m時(shí)閘門啟閉速率差異較大，當(dāng)閘前水位大于2.2 m時(shí)，閘門啟閉速率差異較小。當(dāng)閘門啟閉速度位于曲線下方則可以在安全的情況下滿足輸水量，當(dāng)速率位于曲線上方時(shí)，則水位變化波動(dòng)較大，易對引水渠道安全產(chǎn)生威脅。

圖3 水位調(diào)節(jié)前閘前水位與閘門啟閉關(guān)系

5 結(jié)論

（1）從實(shí)際出發(fā)，建立了分水口流量計(jì)算公式；通過對閘門開度和渠道流量關(guān)系進(jìn)行分析，隨著閘門開度的增大，渠道計(jì)算流量呈線性增大。

（2）計(jì)算保證南干渠、北干渠流量的情況下，閘門的啟閉速率，計(jì)算在滿足最大水位變動(dòng)情況下的閘門啟閉速率，并繪制最大速率曲線，當(dāng)閘門啟閉速率位于曲線以下時(shí)，則可以在滿足安全的情況下保證干渠過流量要求。民黃河，2018，40(07):121-123+128.