馬余良，趙天昌，許 攀，馬 悅，張前進(jìn)

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

原泗陽閘建成于1960年，共17孔，閘孔凈寬4.0 m，設(shè)計(jì)流量1 000 m3/s，屬沂沭泗水系，通過中運(yùn)河串聯(lián)駱馬湖、洪澤湖，實(shí)現(xiàn)淮沂互調(diào)互濟(jì)，為中運(yùn)河上重要的水工控制建筑物。主要功能有排洪和節(jié)制水位，排洪主要是排泄駱馬湖下泄的洪水及黃墩湖地區(qū)、中運(yùn)河沿岸的澇水；節(jié)制水位主要是保證中運(yùn)河沿線灌溉、航運(yùn)及城鎮(zhèn)用水的需要。該閘經(jīng)過多年的運(yùn)行，雖然歷經(jīng)多次的除險(xiǎn)加固，但工程仍然存在嚴(yán)重的安全隱患，經(jīng)安全鑒定為四類閘，于2012年拆除，并在原泗陽閘下游約50 m處進(jìn)行新建。

新建的泗陽閘共7孔，閘孔凈寬10.0 m，弧形鋼閘門［1］，采用圓角梯形堰，堰頂高程為11.50 m，上游堰高3.0 m。按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，100年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)流量仍為1 000 m3/s，閘一側(cè)設(shè)2孔3 m凈寬的小水電孔，共2臺機(jī)組，每臺裝機(jī)容量160 kW，發(fā)電總裝機(jī)容量為320 kW，設(shè)計(jì)流量10.0 m3/s。

2 水力學(xué)模型出流能力試驗(yàn)

新建的泗陽閘采用圓角梯形堰，建設(shè)單位委托河海大學(xué)建立該閘水力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究新型圓角梯形堰在堰流、孔流方式下的泄流能力，為工程運(yùn)行管理及優(yōu)化控制運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄嗝娌捎?孔閘孔寬度進(jìn)行模擬，上游模擬至閘上游約130 m處，下游模擬至閘下約150 m處，模型全長約20 m［2］。

2.1 閘門全部開啟運(yùn)行時(shí)的出流能力

當(dāng)閘門全部開啟運(yùn)行時(shí)，閘孔出流水流為淹沒式堰流，試驗(yàn)中通過對模型的上、下游水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別測得不同水位組合情況下的閘孔出流流量，淹沒式堰流計(jì)算式為

式中：m為流量系數(shù)；H為上游水頭，m；B為閘孔凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s。

根據(jù)試驗(yàn)所測得的流量及上、下游水位等數(shù)據(jù)，利用式（1）可以計(jì)算出公式中的流量系數(shù)m，由試驗(yàn)結(jié)果可知，流量系數(shù)m與相對淹沒度hs/H的相關(guān)關(guān)系從整體上來看關(guān)系較好。

2.2 閘門部分開啟運(yùn)行時(shí)的出流能力

當(dāng)閘門部分開啟運(yùn)行時(shí)，由于下游水位的變化會影響閘孔出流能力，閘孔出流又可分為自由式孔流和淹沒式孔流2種流態(tài)。

自由式孔流流量計(jì)算式為

式中：μ為流量系數(shù)；e為閘門開啟高度，m。

根據(jù)試驗(yàn)所測得的閘孔流量、水位等數(shù)據(jù)，利用式（2）可以計(jì)算出流量系數(shù)μ，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，流量系數(shù)μ與e/H的相關(guān)關(guān)系良好。

為了工程控制運(yùn)用的方便，將流量系數(shù)μ與e/H關(guān)系曲線擬合為以下公式：

淹沒式孔流流量計(jì)算式為

式中：Cs為流量系數(shù)。

同樣，根據(jù)試驗(yàn)所測得相關(guān)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出流量系數(shù)Cs，流量系數(shù)Cs與hs/e具有良好的相關(guān)關(guān)系。

利用回歸分析將流量系數(shù)Cs與hs/e關(guān)系曲線進(jìn)行分析便于工程控制時(shí)使用，通過擬合最終可以得到：

3 現(xiàn)狀工程出流能力分析

泗陽閘水文站于2020年1月由水位站升級為水文站，在2020—2021年泗陽閘行洪期間，對該閘過閘流量進(jìn)行了實(shí)測率定。測流斷面位于閘下游440 m處，為基本水尺斷面處，流量測驗(yàn)方式采用纜道ADCP法［3］，閘上、下游水位觀測均采用遙測水位，閘孔出流流態(tài)為人工現(xiàn)場目測，共施測自由式孔流7次，淹沒式孔流9次，小水電未運(yùn)行，實(shí)測的流量為閘孔過流流量，采用逐步圖解法分別對自由式孔流、淹沒式孔流出流能力進(jìn)行率定［4］。

3.1 自由式孔流流量

自由式孔流流量計(jì)算式［5］為

式中：Mb為流量系數(shù)；α、β為指數(shù)，通常β取值0.5。

自由式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 自由式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)

由表1可知，自由式孔流實(shí)測出流能力率定線系統(tǒng)誤差為-0.39%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.15%，置信水平95%的隨機(jī)不確定度為4.30%，

3.2 淹沒式孔流流量

淹沒式孔流流量計(jì)算式為

式中：M c為流量系數(shù)；α、β為指數(shù)，通常β取值0.5；ΔZ為閘上下游水位差，m。

淹沒式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，淹沒式孔流實(shí)測出流能力率定線系統(tǒng)誤差為0.08%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.94%，置信水平95%的隨機(jī)不確定度為5.88%。

表2 淹沒式孔流出流能力率定分析數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)狀工程與水力學(xué)模型出流能力對比

2020—2021年實(shí)測流量期間，該閘未出現(xiàn)淹沒式堰流，故本文未對此流態(tài)下的水力學(xué)模型出流能力與實(shí)測率定出流能力做對比分析，僅對自由式孔流和淹沒式孔流2種流態(tài)的出流能力對比分析，成果分別見表3、表4。

由表3、表4的實(shí)測流量與水力學(xué)模型泄流能力對比分析可以看出，泗陽閘在自由式孔流出流的情況下，試驗(yàn)研究水力學(xué)模型計(jì)算流量與該閘運(yùn)行中的實(shí)測流量誤差在-3.85%～1.46%之間，平均誤差為1.17%；在淹沒式孔流出流的情況下，試驗(yàn)研究模型計(jì)算流量與該閘運(yùn)行中的實(shí)測流量誤差在-4.02%～3.87%之間，平均誤差為0.35%。

表3 自由式孔流出流能力對比

表4 淹沒式孔流出流能力對比

5 結(jié)論

通過泗陽閘模型計(jì)算的出流能力與實(shí)測率定出流能力比較分析，泗陽閘水力學(xué)模型試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可靠，建成后的實(shí)際過流能力也達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，與水力學(xué)模型出流能力基本一致，符合水力學(xué)模型設(shè)計(jì)要求。