淺談平原地區(qū)水閘閘孔總凈寬計(jì)算注意的幾個(gè)問(wèn)題

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　　隨著國(guó)家對(duì)水利投入的加大，我市先后對(duì)澮河、唐河、奎濉河進(jìn)行了治理，建成大量的涵閘工程；筆者在通過(guò)對(duì)一些工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001中所給出按寬頂堰淹沒(méi)出流計(jì)算平底閘閘孔總凈寬兩個(gè)計(jì)算公式中，其計(jì)算結(jié)果相差較大，究竟選用哪一個(gè)公式計(jì)算更經(jīng)濟(jì)合理本文進(jìn)行了分析，并對(duì)閘孔總凈寬計(jì)算有較大影響的上下游水位落差及行近流速水頭進(jìn)行了討論。

一  公式選擇很重要

水閘閘孔總凈寬計(jì)算，是工程設(shè)計(jì)中所首要解決的問(wèn)題之一。

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001（后稱新規(guī)范）已于2001年4月1日起實(shí)施了，代替了原試行的《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SD133-84（后稱老規(guī)范）。按寬頂堰淹沒(méi)出流計(jì)算平底閘閘孔總凈寬，新規(guī)范分別給出了以堰上水頭為主要因素和以流速水頭為主要因素的兩個(gè)計(jì)算公式，即：

新規(guī)范稱：規(guī)范公式2，當(dāng)堰流處于高淹沒(méi)度（hs/H₀≥0.9）時(shí)也可采用。

我市屬淮北平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，把上下游水位落差定得很小，水深為3.0m～8.0m，過(guò)閘水流符合淹沒(méi)寬頂堰流的條件。筆者統(tǒng)計(jì)，我市已建、在建及待建中型水閘的淹沒(méi)度hs/H₀都在0.93以上，均大于0.9，這就意味著新規(guī)范兩個(gè)計(jì)算公式都可采用。設(shè)計(jì)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同樣邊界條件下，兩個(gè)公式計(jì)算閘孔總凈寬是不相同的，而且相差較大。

利用規(guī)范公式1計(jì)算閘孔總凈寬，淹沒(méi)系數(shù)σ的取值是個(gè)關(guān)鍵。規(guī)范公式1與老規(guī)范公式的表達(dá)式是相同的僅對(duì)淹沒(méi)系數(shù)σ取值進(jìn)行了調(diào)整。老規(guī)范淹沒(méi)系數(shù)σ是根據(jù)別列津斯基的試驗(yàn)成果及原安徽省水科所對(duì)某閘高淹沒(méi)堰流水工模型試驗(yàn)成果。但別列斯基的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件基本上是二元的，邊界條件也與一般平底閘不同。

新規(guī)范在給出淹沒(méi)系數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)公式的同時(shí)還給出了淹沒(méi)系數(shù)表。經(jīng)驗(yàn)公式是南京水科院最新研究成果提供的經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，對(duì)其擬合系數(shù)稍作修改而成的^[參1]。南京水科院給出的淹沒(méi)系數(shù)表中數(shù)據(jù)及擬合公式，是根據(jù)平底水閘典型實(shí)例的試驗(yàn)結(jié)果制定的，并經(jīng)原型觀測(cè)資料驗(yàn)證，有較大的實(shí)用性及可靠性^[參3]。

筆者通過(guò)對(duì)奎濉河治理工程中部分新建水閘閘孔總凈寬分別用規(guī)范公式1、規(guī)范公式2，老規(guī)范公式及南京水科院公式進(jìn)行核算分析比較，結(jié)果見(jiàn)下表：

涵 閘

名 稱

設(shè)   計(jì)

流   量(m³/s)

上游水深(m)

下游水深(m)

落差(m)

行近流速水頭(m)

Hs/Ho

規(guī)范公式1

(m)

規(guī)范公式2

(m)

老規(guī)

范公式

(m)

南京水科院公式

(m)

馬 元 閘

299

5.0

4.9

0.1

0.101

0.9606

26.32

31.57

27.41

24.33

澮 溝 閘

787

5.1

5.0

0.1

0.201

0.9433

57.56

67.28

58.22

52.37

枯 河 閘

896

5.0

4.9

0.1

0.191

0.9439

67.87

79.39

68.71

62.27

結(jié)果表明：規(guī)范公式1結(jié)果比較接近稍大于南京水科院公式，小于老規(guī)范公式，規(guī)范公式2結(jié)果最大。筆者認(rèn)為采用規(guī)范公式1，對(duì)平原地區(qū)水閘較適用，經(jīng)濟(jì)安全可靠。

二  落差取值要斟酌

規(guī)范公式1計(jì)算閘孔總凈寬，影響最大的是上下游的過(guò)閘水位落差（簡(jiǎn)稱落差）。落差決定了淹沒(méi)系數(shù)σ的值。特別是高淹沒(méi)度時(shí)，閘孔總凈寬的影響主要是淹沒(méi)系數(shù)σ，其它收縮影響可忽略不計(jì)。因此在水閘設(shè)計(jì)中，落差的采用，對(duì)水閘的工程造價(jià)關(guān)系極大，在條件允許的情況下，采用較大的落差，可縮減閘孔總凈寬，降低工程規(guī)模投資。

下圖是對(duì)奎濉河治理工程中部分新建水閘按設(shè)計(jì)條件繪制的落差～閘孔總凈寬關(guān)系曲線，由圖分析可知，落差對(duì)閘孔總凈寬的影響是很大的，落差愈小影響愈大。如小李莊閘：落差0.05m，總凈寬21.86m； 落差0.1m，總凈寬18.20m；落差0.2m，總凈寬僅14.88m。

當(dāng)然，在水閘設(shè)計(jì)中，對(duì)落差的采用還應(yīng)結(jié)合水閘的功能特點(diǎn)、運(yùn)用要求及其它具體情況綜合考慮。平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，把水流過(guò)閘落差定得很小，規(guī)范規(guī)定：一般情況下，平原地區(qū)水閘的落差可采用0.1m～0.3m。在平原地區(qū)采取較小的落差，對(duì)于排澇閘，是為了爭(zhēng)取時(shí)間搶排，盡量減免澇情；對(duì)于進(jìn)水閘與分水閘，是為了在低水位情況下，能夠獲取較多的流量；對(duì)于攔河節(jié)制閘，是為了減輕上游堤防的負(fù)擔(dān)。

但是把落差定得太小也是不對(duì)的，造成的浪費(fèi)也是驚人的。長(zhǎng)期以來(lái)，個(gè)別規(guī)劃人員不論具體情況，不進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，河道規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，水閘一律按設(shè)計(jì)落差為0.1m采用，計(jì)算時(shí)按0.1m落差計(jì)算，出圖時(shí)往往又留富裕度，0.1m帶出10m（如某閘計(jì)算閘孔總凈寬81.1m取9孔10m）。實(shí)際核算落差遠(yuǎn)小于0.1m。如在建的濉河八里橋節(jié)制閘對(duì)落差核算僅為0.0125m。已建成使用的唐河草溝節(jié)制閘10孔6m，總凈寬為60m。該閘閘址處河道底寬77m，上游河道斷面底寬37m，行成了所謂“大肚子”閘。采用新規(guī)范公式1按設(shè)計(jì)落差為0.1m核算該閘總凈寬為34.20m，這就意味著10孔6m僅需6孔6m。核算實(shí)際落差時(shí)出現(xiàn)負(fù)值。

閘孔的孔徑取整是造成實(shí)際工程的核算落差小于規(guī)劃階段規(guī)定設(shè)計(jì)落差原因之一。筆者建議：規(guī)劃階段對(duì)設(shè)計(jì)落差規(guī)定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的區(qū)間范圍，如0.1m≤落差≤0.2m，這樣就可避免了落差過(guò)小的情況發(fā)生。

值得一提的是那些大量的溝口涵閘，因控制流域面積小，作物種植結(jié)構(gòu)又允許，下游防沖因外河客水與大溝來(lái)水組合情況不同已采取措施，加大落差是完全可行的。溝口涵閘，洞身對(duì)造價(jià)影響最大，落差加大，閘孔尺寸減小，洞身工程量減少，就可以有效降低工程造價(jià)。

當(dāng)然落差的加大使閘孔總凈寬減小了，單寬流量卻加大了，對(duì)下游消能不利。經(jīng)分析，落差在規(guī)范規(guī)定0.1m～0.3m范圍內(nèi)，單寬流量基本都在允許范圍內(nèi)。對(duì)于平原河道節(jié)制閘工程，下游消能防沖一般不是受排澇及泄洪條件的控制，而是在蓄水期下游水位很低或下游無(wú)水等惡劣放水條件控制的，此時(shí)通過(guò)對(duì)閘門(mén)的開(kāi)啟高度的控制限制單寬流量，滿足下游消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)要求。

三  行近流速水頭要重視

由于平原河道落差定得很小，行近流速水頭雖然不大，但相對(duì)比重不小，因此要利用好這寶貴的行近流速水頭。

在計(jì)算閘孔總凈寬時(shí)，行近流速水頭必須考慮進(jìn)去，否則就會(huì)出現(xiàn)荒謬的結(jié)論。宿遷節(jié)制閘，若不考慮行近流速水頭，落差等于零，流量理應(yīng)為零，而實(shí)際通過(guò)的流量仍達(dá)到200m³/s，可見(jiàn)行近流速水頭的重要性^［參3］。上述唐河草溝節(jié)制閘核算其落差出現(xiàn)負(fù)值也說(shuō)明行近流速水頭起的作用，其“大肚子”行成就因?yàn)楫?dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，行近流速水頭沒(méi)有考慮造成的，按老規(guī)范不考慮行近流速水頭計(jì)算閘孔總凈寬為55m取10孔6m。

下表是對(duì)奎濉河治理工程中部分新建水閘按設(shè)計(jì)條件計(jì)入行近流速水頭和不計(jì)行近流速水頭分別對(duì)閘孔總凈寬進(jìn)行計(jì)算，分析可知行近流速水頭對(duì)閘孔總凈寬的影響是很大的，大流量時(shí)，影響更甚。如澮溝閘、枯河閘不計(jì)行近流速水頭比計(jì)入行近流速水頭閘孔總凈寬多算1/3。

涵 閘

名 稱

流

量(m³/s)

落差(m)

行近流速水頭(m)

計(jì)入行近流速水頭B_0計(jì)入(m)

不計(jì)行近流速水頭B_0不計(jì)(m)

B_{0不計(jì)—}B_0計(jì)入差值

(m)

(m)

小李莊閘

139

0.1

0.031

18.22

20.25

2.03

11%

黃 橋 閘

170

0.1

0.091

16.80

21.76

4.96

30%

馬 元 閘

299

0.1

0.101

26.32

34.87

8.55

32%

澮 溝 閘

787

0.1

0.201

57.56

89.76

32.20

56%

枯 河 閘

896

0.1

0.191

67.87

104.49

36.62

54%

在計(jì)算行近流速水頭時(shí)，斷面應(yīng)選距堰的上游3～5倍上游水深，翼墻以上上游河道斷面，該斷面為漸變流動(dòng)的區(qū)域。筆者發(fā)現(xiàn)，有些計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算行近流速中的斷面面積直接采用閘總寬乘閘上水深，顯然是不對(duì)的。有些計(jì)算機(jī)程序忽略上游流速水頭，同樣是不對(duì)的。以上情況對(duì)于有程序清單的，可修改源程序；對(duì)于已編譯的程序見(jiàn)不著程序清單的，使用時(shí)要格外注意，要反核算一下，不要拿來(lái)就用。

目前，一些河道進(jìn)行了治理，標(biāo)準(zhǔn)提高了，相應(yīng)原建的水閘不能滿足泄水要求，需要擴(kuò)建，對(duì)擴(kuò)建水閘閘前行近流速水頭的取值是一個(gè)值得研究的問(wèn)題?？『永贤艉系男±钋f退水閘，由于孔徑偏小，底板高程偏高，與設(shè)計(jì)河底高程相差近2m，共同排水時(shí)老閘流量只相當(dāng)于擬擴(kuò)建的新閘流量的1/5。對(duì)這樣的工程，筆者認(rèn)為，老閘在核算流量時(shí)可偏安全地忽略行近流速水頭。如果采用與擴(kuò)建的新閘相同的行近流速水頭，顯然是不合適的，偏不安全。

結(jié)語(yǔ)

水閘的閘孔總凈寬一定程度上決定了工程規(guī)模，而閘孔總凈寬的計(jì)算也一定程度上受人為因素的影響。有人認(rèn)為，閘孔總凈寬大了，有好處，沒(méi)有壞處，過(guò)流能力增強(qiáng)了，排澇防洪的標(biāo)準(zhǔn)提高了，但恰恰忽略了這樣會(huì)造成國(guó)家資金的浪費(fèi)。過(guò)去一些單位為爭(zhēng)項(xiàng)目爭(zhēng)投資，主觀上想加大投資規(guī)模，如在采用公式上按有利于擴(kuò)大工程規(guī)模的公式；在行近流速水頭上打埋伏，少算甚至不算；把上下落差定得很小。從而出現(xiàn)了“大肚子”閘工程，造成不必要的工程投入。

水閘的閘孔總凈寬公式的選擇使用，落差的合理取值應(yīng)引起高度重視。落差選擇是一個(gè)綜合經(jīng)濟(jì)分析比較優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，作為今天商品經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)人員，不僅要精通“CAD”，更要“神機(jī)妙算”。要研究它的“性價(jià)比”，再也不要出現(xiàn)那些“大肚子”閘工程了。

參考文獻(xiàn)

   [參1]《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265－2001　   　(簡(jiǎn)稱新規(guī)范)   　 水利電力出版社

   [參2]《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（試行）SD133－84 （簡(jiǎn)稱老規(guī)范） 　　水利電力出版社

   [參3]《閘壩工程水力學(xué)與設(shè)計(jì)管理》  　　毛昶熙等著    　　水利電力出版社

作者簡(jiǎn)介

張樹(shù)軍　男　４０歲　水利工程師　　二級(jí)注冊(cè)建筑師

電  話：0557-3025138   

E-mail：zsjPKPM@sohu.com

通訊地址：安徽省宿州市淮海中路　

　　　　　宿州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院　

　　　　　　　張樹(shù)軍

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