李 楊

(滁州水文水資源局，安徽 滁州 239000)

0 引言

滁州市位于安徽省東部，地處江淮分水嶺地區(qū)，為解決農業(yè)灌溉用水問題，20 世紀60、70 年代興建了大中小型水庫1032 座，其中大中型水庫53 座。近年來，水庫除險加固工程已陸續(xù)實施，除險加固設計中，大中型水庫有--座采用弧形閘門替代了傳統(tǒng)的平面閘門。水庫泄洪流量推求主要采用自由孔流e/H～M關系，因此如何準確、快捷地確定弧形閘門開啟高度，滿足泄洪流量預報要求，已成為水庫防汛調度的一個重要問題。

1 不同型式閘門開度的確定方法

目前最常用的閘門有平面閘門和弧形閘門兩種。

平面閘門的擋水板是平面，結構簡單，門的啟閉一般都是鉛直升降，閘門垂直高度等于閘門開度，操作簡單，計算方便。

弧形閘門的擋水板是圓弧面，弧形閘門相對于傳統(tǒng)的平面閘門，閘門開啟高度計算相對復雜，門的啟閉是繞著固定水平鉸軸旋動，由于弧形閘門的特殊性，閘門垂直高度一般不等于閘門開度。目前現(xiàn)有的閘門開度計算，利用測量角度值的方法計算閘門開度值，這種方法存在測量和操作麻煩的情況，給工程調度、防洪預報等帶來諸多不便。

2 弧形閘門開啟高度的計算方法

弧形閘門若不能方便地觀測到閘門開啟移動的角度，可選取若干個角度值，分別計算閘門開啟高度和閘門頂移動的垂直高度，并點繪兩者的關系線，從線上查出閘門開啟高度為0.1、0.2……m時相應的閘門頂移動的垂直高度見圖1。

圖1 弧形閘門示意圖

閘門頂移動的垂直高度可按下式計算:

式中:e'為弧形閘門頂移動的垂直高度，m;R為弧形閘門門臂長，m;a為弧形閘門移動角度，(°);Φ'為開閘時閘門頂至弧形連線與水平線的夾角，(°)，可從設計圖上量得。

弧形閘門開啟高度可按下式計算:

式中:e為弧形閘門開啟高度，m;R為弧形閘門門臂長，m;為弧形閘門移動角度，(°);φ為關閘時閘門底至弧形連線與水平線的夾角，(°)，可從設計圖上量得。

圖1中:AB為閘門關閉時閘門度、閘門頂的位置;A'B'為閘門開啟時閘門度、閘門頂的位置;e為閘門開啟高度，m;e'為閘門頂移動的垂直高度，m。

3 應用實例

以沙河集水庫水文站為例，沙河集水庫水文站設立于1953 年，集水面積為300 km2，為省級重要站、二類精度水文站，江淮丘陵區(qū)200 km2～500 km2代表站，搜集水文、水質等資料，為沙河集水庫防汛、管理、調度服務。沙河集水庫溢洪道系人工開挖河道，主河槽寬約130 m，測驗河段順直長度約200 m，測流斷面位于閘上游130 m 處，是溢洪道和非常溢洪道的總控制斷面，斷面河槽表層為砂粘土，河底約0.50 m 以下為巖石，枯水時長有雜草，河床較為穩(wěn)定。泄洪閘共5 孔，每孔寬10 m，弧型閘門，底部為寬頂堰，堰頂高程33.00 m，閘門門臂長9.6 m。主河槽左側與泄洪閘平齊處建有200 m 長、平均高程為42.58 m 的非常溢洪道。

3.1 實測流量資料

沙河集水庫溢洪道測流斷面2021 年收集了8 份實測流量資料，見表1。

表1 沙河集沙河集水庫溢洪道測流斷面實測流量

3.2 關系建立的應用

3.2.1求垂直高度

采用式(1)計算: = 5°，φ'= 0°(從設計圖紙上量得)，同理計算其它角度，結果見表2。

3.2.2求閘門開度e

采用式(2)計算: = 5°，φ'= 56.4°(從設計圖紙上量得)，同理計算其它角度，結果見表2。

3.2.3建立與e的關系

用閘門頂移動的垂直高度e'和閘門開啟高度e'的數據見表2，點繪兩者關系線(縱坐標為e'，橫坐標為e)，沙河集弧形閘門垂直高度與閘門開度曲線關系圖見圖2。

表2 沙河集弧形閘門開度推算表

圖2 沙河集弧形閘門垂直高度與開度曲線關系圖

3.3 驗證分析

3.3.1利用Auto CAD 繪圖驗證分析

弧形閘門支臂的支承餃位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉動，通過運用Auto CAD 軟件繪制沙河集水庫泄洪閘工作閘門及啟閉機布置圖，還原弧形閘門啟閉時的運動軌跡，在CAD 圖中以圓心為固定點分別按1°、2°……10°順時針轉動，并量取閘門各個角度前后的垂直高度、開度和弧度的數據見表3。

表3 沙河集弧形閘門開度查線數據與圖紙數據對比

圖3 沙河集弧形閘門查線開度與實測開度關系圖

沙河集弧形閘門開度在Auto CAD 中驗證分析的兩種方法，一種方法是驗證分析閘門的垂直高度與閘門運行弧長關系，另一種是驗證分析查線閘門開度與實測閘門開度關系見圖4，兩種方法的差值都在1 cm 以內，在實際工作中較難操作，故忽略不計?；⌒伍l門開度在0～1.04 m 之間這個范圍內，閘門運行弧長可代替閘門的垂直高度，e'與e的關系曲線精度高，誤差小，成果符合客觀實際，可靠性高。

3.3.2實測流量驗證分析

自由孔流e/H～M關系在堰閘關系推流中已經得到了廣泛應用，閘門開啟高度的確定是該關系應用精度的主要影響要素。根據2021 年沙河集水庫溢洪道測流斷面共收集8 份實測流量資料見表4，實測流量變幅為29.6 m3/s～156 m3/s，閘門開度變幅為0.14 m～0.34 m，實測流量經水文資料整編，代表性好，可靠性高，滿足驗證分析要求。

表4 沙河集水利工程調度與實測資料的對比表

列公式對工程調度流量和查線流量進行誤差計算。

式中:σ 為相對誤差，%;Q1為工程調度流量，m3/s;Q2為查線流量，m3/s。

由表4 可見，驗證了8 次流量，其中3 次相對誤差大于5%;5 次相對誤差小于5%，目前e/H～M關系在理論試驗階段，流量很小時可適當放寬。按照水利工程調度流量，確定閘門開度，反推閘門垂直高度經驗證數據一致。該站防汛工程調度任務量重，流量測驗工作量大，測流歷時長?；⌒伍l門開啟高度理論計算比較復雜，實際應用不方便，需要尋求一種快速、便捷、精度可控的一種解決途徑或方法。閘門開度的確定，利用自由孔流e/H～M關系推流可以減輕該站防汛工程調度流量測驗工作量，縮短防汛工程調度的測報歷時。

4 結論

本次通過對弧形閘門垂直高度與開度關系曲線的驗證分析得出以下幾點結論:

(1)根據沙河集水庫水文站弧形閘門垂直高度與開度關系曲線成果驗證分析，在閘門開度0～1.04 m 這個范圍內，應用便捷、精度可靠、關系穩(wěn)定，具有普適性，值得推廣和應用各弧形閘門，為泄洪流量預報、應急報汛及工程調度提供技術支撐和科學依據。

(2)開啟度數量級受限，數據點不足。由于缺乏閘門開度在1.04 m 以上的實測資料，這方面的研究有待于進一步探討。