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浅谈平原地区水闸闸孔总净宽计算注意的几个问题
RSS 打印 复制链接 发布时间:2012-04-25 16:17:31

随着国家对水利投入的加大,我市先后对浍河、唐河、奎濉河进行了治理,建成大量的涵闸工程;笔者在通过对一些工程的设计实践中发现,《水闸设计规范》SL265-2001中所给出按宽顶堰淹没出流计算平底闸闸孔总净宽两个计算公式中,其计算结果相差较大,究竟选用哪一个公式计算更经济合理本文进行了分析,并对闸孔总净宽计算有较大影响的上下游水位落差及行近流速水头进行了讨论。

 

  公式选择很重要

水闸闸孔总净宽计算,是工程设计中所首要解决的问题之一。

《水闸设计规范》SL265-2001(后称新规范)已于2001年4月1日起实施了,代替了原试行的《水闸设计规范》SD133-84(后称老规范)。按宽顶堰淹没出流计算平底闸闸孔总净宽,新规范分别给出了以堰上水头为主要因素和以流速水头为主要因素的两个计算公式,即:

新规范称:规范公式2,当堰流处于高淹没度(hs/H0≥0.9)时也可采用。

我市属淮北平原地区,地势平坦,把上下游水位落差定得很小,水深为3.0m~8.0m,过闸水流符合淹没宽顶堰流的条件。笔者统计,我市已建、在建及待建中型水闸的淹没度hs/H0都在0.93以上,均大于0.9,这就意味着新规范两个计算公式都可采用。设计实践中发现,同样边界条件下,两个公式计算闸孔总净宽是不相同的,而且相差较大。

利用规范公式1计算闸孔总净宽,淹没系数σ的取值是个关键。规范公式1与老规范公式的表达式是相同的仅对淹没系数σ取值进行了调整。老规范淹没系数σ是根据别列津斯基的试验成果及原安徽省水科所对某闸高淹没堰流水工模型试验成果。但别列斯基的试验模型条件基本上是二元的,边界条件也与一般平底闸不同。

新规范在给出淹没系数值的经验公式的同时还给出了淹没系数表。经验公式是南京水科院最新研究成果提供的经验公式基础上,对其拟合系数稍作修改而成的[参1]。南京水科院给出的淹没系数表中数据及拟合公式,是根据平底水闸典型实例的试验结果制定的,并经原型观测资料验证,有较大的实用性及可靠性[参3]

笔者通过对奎濉河治理工程中部分新建水闸闸孔总净宽分别用规范公式1、规范公式2,老规范公式及南京水科院公式进行核算分析比较,结果见下表:

涵 闸

名 称

  

   量(m3/s)

上游水深(m)

下游水深(m)

落差(m)

行近流速水头(m)

Hs/Ho

规范公式1

(m)

规范公式2

(m)

老规

范公式

(m)

南京水科院公式

(m)

马 元 闸

299

5.0

4.9

0.1

0.101

0.9606

26.32

31.57

27.41

24.33

浍 沟 闸

787

5.1

5.0

0.1

0.201

0.9433

57.56

67.28

58.22

52.37

枯 河 闸

896

5.0

4.9

0.1

0.191

0.9439

67.87

79.39

68.71

62.27

结果表明:规范公式1结果比较接近稍大于南京水科院公式,小于老规范公式,规范公式2结果最大。笔者认为采用规范公式1,对平原地区水闸较适用,经济安全可靠。

  落差取值要斟酌

规范公式1计算闸孔总净宽,影响最大的是上下游的过闸水位落差(简称落差)。落差决定了淹没系数σ的值。特别是高淹没度时,闸孔总净宽的影响主要是淹没系数σ,其它收缩影响可忽略不计。因此在水闸设计中,落差的采用,对水闸的工程造价关系极大,在条件允许的情况下,采用较大的落差,可缩减闸孔总净宽,降低工程规模投资。

下图是对奎濉河治理工程中部分新建水闸按设计条件绘制的落差~闸孔总净宽关系曲线,由图分析可知,落差对闸孔总净宽的影响是很大的,落差愈小影响愈大。如小李庄闸:落差0.05m,总净宽21.86m; 落差0.1m,总净宽18.20m;落差0.2m,总净宽仅14.88m。

当然,在水闸设计中,对落差的采用还应结合水闸的功能特点、运用要求及其它具体情况综合考虑。平原地区,地势平坦,把水流过闸落差定得很小,规范规定:一般情况下,平原地区水闸的落差可采用0.1m~0.3m。在平原地区采取较小的落差,对于排涝闸,是为了争取时间抢排,尽量减免涝情;对于进水闸与分水闸,是为了在低水位情况下,能够获取较多的流量;对于拦河节制闸,是为了减轻上游堤防的负担。

但是把落差定得太小也是不对的,造成的浪费也是惊人的。长期以来,个别规划人员不论具体情况,不进行经济分析,河道规划设计时,水闸一律按设计落差为0.1m采用,计算时按0.1m落差计算,出图时往往又留富裕度,0.1m带出10m(如某闸计算闸孔总净宽81.1m取9孔10m)。实际核算落差远小于0.1m。如在建的濉河八里桥节制闸对落差核算仅为0.0125m。已建成使用的唐河草沟节制闸10孔6m,总净宽为60m。该闸闸址处河道底宽77m,上游河道断面底宽37m,行成了所谓“大肚子”闸。采用新规范公式1按设计落差为0.1m核算该闸总净宽为34.20m,这就意味着10孔6m仅需6孔6m。核算实际落差时出现负值。

闸孔的孔径取整是造成实际工程的核算落差小于规划阶段规定设计落差原因之一。笔者建议:规划阶段对设计落差规定一个经济合理的区间范围,如0.1m≤落差≤0.2m,这样就可避免了落差过小的情况发生。

值得一提的是那些大量的沟口涵闸,因控制流域面积小,作物种植结构又允许,下游防冲因外河客水与大沟来水组合情况不同已采取措施,加大落差是完全可行的。沟口涵闸,洞身对造价影响最大,落差加大,闸孔尺寸减小,洞身工程量减少,就可以有效降低工程造价。

当然落差的加大使闸孔总净宽减小了,单宽流量却加大了,对下游消能不利。经分析,落差在规范规定0.1m~0.3m范围内,单宽流量基本都在允许范围内。对于平原河道节制闸工程,下游消能防冲一般不是受排涝及泄洪条件的控制,而是在蓄水期下游水位很低或下游无水等恶劣放水条件控制的,此时通过对闸门的开启高度的控制限制单宽流量,满足下游消能防冲设施的设计要求。

  行近流速水头要重视

由于平原河道落差定得很小,行近流速水头虽然不大,但相对比重不小,因此要利用好这宝贵的行近流速水头。

在计算闸孔总净宽时,行近流速水头必须考虑进去,否则就会出现荒谬的结论。宿迁节制闸,若不考虑行近流速水头,落差等于零,流量理应为零,而实际通过的流量仍达到200m3/s,可见行近流速水头的重要性[参3]。上述唐河草沟节制闸核算其落差出现负值也说明行近流速水头起的作用,其“大肚子”行成就因为当初设计时,行近流速水头没有考虑造成的,按老规范不考虑行近流速水头计算闸孔总净宽为55m取10孔6m。

下表是对奎濉河治理工程中部分新建水闸按设计条件计入行近流速水头和不计行近流速水头分别对闸孔总净宽进行计算,分析可知行近流速水头对闸孔总净宽的影响是很大的,大流量时,影响更甚。如浍沟闸、枯河闸不计行近流速水头比计入行近流速水头闸孔总净宽多算1/3。

涵 闸

名 称

(m3/s)

落差(m)

行近流速水头(m)

计入行近流速水头B0计入(m)

不计行近流速水头B0不计(m)

B0不计—B0计入差值

(m)

(m)

小李庄闸

139

0.1

0.031

18.22

20.25

2.03

11%

黄 桥 闸

170

0.1

0.091

16.80

21.76

4.96

30%

马 元 闸

299

0.1

0.101

26.32

34.87

8.55

32%

浍 沟 闸

787

0.1

0.201

57.56

89.76

32.20

56%

枯 河 闸

896

0.1

0.191

67.87

104.49

36.62

54%

在计算行近流速水头时,断面应选距堰的上游3~5倍上游水深,翼墙以上上游河道断面,该断面为渐变流动的区域。笔者发现,有些计算机程序在计算行近流速中的断面面积直接采用闸总宽乘闸上水深,显然是不对的。有些计算机程序忽略上游流速水头,同样是不对的。以上情况对于有程序清单的,可修改源程序;对于已编译的程序见不着程序清单的,使用时要格外注意,要反核算一下,不要拿来就用。

目前,一些河道进行了治理,标准提高了,相应原建的水闸不能满足泄水要求,需要扩建,对扩建水闸闸前行近流速水头的取值是一个值得研究的问题。奎濉河老汪湖上的小李庄退水闸,由于孔径偏小,底板高程偏高,与设计河底高程相差近2m,共同排水时老闸流量只相当于拟扩建的新闸流量的1/5。对这样的工程,笔者认为,老闸在核算流量时可偏安全地忽略行近流速水头。如果采用与扩建的新闸相同的行近流速水头,显然是不合适的,偏不安全。

结语

水闸的闸孔总净宽一定程度上决定了工程规模,而闸孔总净宽的计算也一定程度上受人为因素的影响。有人认为,闸孔总净宽大了,有好处,没有坏处,过流能力增强了,排涝防洪的标准提高了,但恰恰忽略了这样会造成国家资金的浪费。过去一些单位为争项目争投资,主观上想加大投资规模,如在采用公式上按有利于扩大工程规模的公式;在行近流速水头上打埋伏,少算甚至不算;把上下落差定得很小。从而出现了“大肚子”闸工程,造成不必要的工程投入。

水闸的闸孔总净宽公式的选择使用,落差的合理取值应引起高度重视。落差选择是一个综合经济分析比较优化设计的问题,作为今天商品经济的设计人员,不仅要精通“CAD”,更要“神机妙算”。要研究它的“性价比”,再也不要出现那些“大肚子”闸工程了。

参考文献

   [参1]《水闸设计规范》SL265-2001     (简称新规范)     水利电力出版社

   [参2]《水闸设计规范》(试行)SD133-84 (简称老规范)   水利电力出版社

   [参3]《闸坝工程水力学与设计管理》    毛昶熙等著      水利电力出版社

作者简介

张树军 男 40岁 水利工程师  二级注册建筑师

  话:0557-3025138   

E-mail:zsj[email protected]sohu.com

通讯地址:安徽省宿州市淮海中路 

     宿州市水利勘测设计院 

       张树军

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