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1、文章编号: 100221876 (2001) 0120047205宁夏汉延渠斗口闸孔出流的水力计算志1 , 陈广宏1 , 张志昌2 , 刘亚菲2杨(1. 宁夏汉延渠管理处, 宁夏 永宁 750100; 2. 西安理工大学, 陕西 西安 710048)摘要: 分析了宁夏汉延渠斗口闸孔出流存在的主要问题。 通过试验提出了闸后暗涵自由出流、淹没出流以及有压管流流态的判别方法, 提出了相应的水力计算公式, 可供工程采用。关键词: 闸孔出流; 暗涵; 水流流态; 流量中图分类号: TV 135. 3文献标识码: A高, 因此, 有必要对汉延渠斗口闸孔出流的流量计算方法重新进行研究, 提出各种流态判别的条
2、件,以及各种流态下的水力计算方法。问题的提出宁夏汉延渠灌区地处银川平原, 是宁夏青铜 峡的四大灌区之一, 灌溉面积 40 万亩。 主干渠汉 延渠根据需要在两岸建设了 300 多个斗口。 斗口 上设平板闸门, 闸后接矩形暗涵, 暗涵断面尺寸与 斗口的孔口尺寸相同。 暗涵出口下游接一圆形水 池, 在该圆形池上设多个取水口, 把水由此取水口 引向田间。多年来, 汉延渠主要利用闸孔的上下游水位 差来进行测流, 无可非议, 这种测流方法在理论上 是可行的, 但在汉延渠上利用这种方法存在下列 问题: 一是闸门后暗涵中的水流流态随闸前水位和闸门开度以及下游水深的变化呈极为复杂的流 态, 可能是自由出流, 也
3、可能是淹没出流或有压管 流, 水流流态不同, 流量计算的方法也不同, 而汉 延渠现在采用的方法仅为灌区量水工作手册1 中暗涵出流的计算方法, 该方法仅适合有压管流流态。 二是下游水尺设在圆形池中的每一个取水 口进口侧面, 而从暗涵出来的水流流速大, 水流 急, 直冲圆形池, 在圆形池中形成高速旋转的螺旋 流, 水尺处水流横向旋转, 竖向翻卷, 根本读不准 下游水深, 使量水精度受到很大的影响。随着国家水费制度的改革与调整, 人民群众 对依法用水, 准确计量, 按量收费的呼声越来越1斗口闸孔出流的分析汉延渠斗口闸孔出流如图 1 所示。由图可见, 斗口和主干渠有正交, 也有斜交, 水力计算的任务
4、是计算闸孔出流的流量。众所周知, 对于闸孔后接 暗涵的出流情况, 水流流态可能有三种形式, 第一 种是闸孔自由出流, 第二种是闸孔淹没出流, 第三 种是暗涵出流。 各种流态的流量计算公式如下:2(1)自由出流Q = 0 eb2g H 00 =1 -(e/H 0 )(2)淹没出流Q = eb( )2g H 03s 02g (H 0 - h )(4)或Q = beh 2 -h =(H 0 -M /4) +M /2(5)Mt(h t - hc )M = 42 h 2( )6ch th c暗涵出流可用管流公式计算, 即Q = A1(7)(8)2g Z =8gL 0 + 0 + 2 +4R c2收稿日期
5、: 2001201205作者简介: 杨志 (19672) , 男, 宁夏中宁人, 宁夏汉延渠管理处工程师。图 1 渠道斗口闸孔出流平面和剖面布置图式 (1) 式 (8) 的符号分别为: Q 为流量; 0 为自由出流的流量系数; e 为闸门开度; b 为闸孔 宽度; g 为重力加速度; H 0 为上游水头; 为流速系数; 为垂直收缩系数; s 为淹没系数; h 为收缩 断面处淹没出流时的水深; h t 为下游水深; h c 为自 由出流时收缩断面的水深, 该水深与闸门开度 e和垂直收缩系数 有关, 即 h c =e; 为暗涵出流的流量系数; A 为暗涵的横断面面积; Z 为上下游水位差; 0 为
6、动能修正系数, 一般取为 1. 0; 0 为出 口的局部水头损失系数; 2 为自进口上游渐变流断面到暗涵出口断面间的局部水头损失系数之 和; c 为谢才系数; L 为暗涵长度; R 为暗涵满流时的水力半径。3 斗口闸孔出流流量系数的研究311自由出流时的流量系数闸孔自由出流的流量系数文献 2, 3过研究, 文献2的研究结果为0 = 0. 60 - 0. 18 (e/H )上式的适用条件为 011 e/H 0. 3 时s = 2. 75 (e/H ) 1. 58 (1 -h t /H ) 0. 83(15)HH由 式 ( 18) 计算的 值与文献 2给出的值比较见h t /H ) 0. 83(1
7、6)表 1 所示, 由表中可以看出给出值相差甚小。, 计算值与由文献 2式 ( 13) 式 ( 16) 的符号为: H 为闸前水深, h 为c表 1计算值与文献2给出的值比较计算出 值后, 再由式 (11) 计算流量系数 0 ,公式为然后将 , 0 代入式 (17) 求 h , 由式 (6) 求M , 求出c1Q = m2g Zeb0. 06 + (m e/a) 2 +(1 - m e/a) 2M 后代入式 (5) 求解 h , 将 h 代入式 (4) 求流量。用式 (4) 求解淹没出流的流量能满足精度要 求, 但计算过程较麻烦, 根据实测资料, 求得淹没出流时的流量可用下式计算, 当 e/H
8、 0. 3 时(20)其中 a 为暗涵高度 ( 对于汉延渠即为闸孔高 度) , m 为流量系数, 对矩形涵管, m 值与翼墙类型有关, 对于渐变翼墙 m = 0. 60, 对于八字翼墙 m = 0. 63。0. 62, 对于平翼墙 m e+ 0. 153 ( e ) 2 Q = 0. 627 -0. 698HH0. 64, 对于直翼墙 m ln (H- h t )(19)h ) eb2g Hln (H-c本文对汉延渠有压暗涵出流的流量系数进行了研究, 研究结果如图 3 所示。 由图可以看出, 暗 涵出流的流量系数随闸门开度和相对水头的增大 而增大, 并不是一个常数, 这和式 ( 20) 当 e
9、/a 一定时, 流量系数为一常数形成明显的对比, 拟合图 3的关系为当 e/H 0. 3 时用式 (13) 计算流量。为了对比, 现将 式 ( 4)、式 ( 13)、式 ( 14) 和式 ( 19) 计算的流量一 同列入表 2, 可以看出, 在闸门开度较小时, 各家公式计算值与实测值均吻合较好, 在开度较大时 式 ( 14 ) 误 差 逐 渐 增 大, 所 以 推 荐 用 式 ( 19 ) 和 式(13) 计算淹没出流时的流量。313暗涵出流时流量的计算 = A 0 ln (1 - h t /H ) + B 0(21)式中系数 A 0、B 0 可由表 3 查算。 将式 (21) 代入式(7)
10、可得矩形暗涵出流的流量式为矩形暗涵有压潜流流量计算文献 1给出的e/H文献2 计算值相对误差e/H文献2 计算值相对误差0. 0250. 6120. 615 2- 0. 5270. 400. 6330. 632 90. 0080. 050. 6130. 614 7- 0. 2720. 450. 6390. 639 4- 0. 0630. 100. 6150. 614 40. 0990. 500. 6450. 646 8- 0. 2830. 150. 6170. 615 10. 3110. 550. 6520. 655 2- 0. 4920. 200. 6190. 616 70. 3660. 6
11、00. 6610. 664 5- 0. 5370. 250. 6220. 619 30. 4270. 650. 6730. 674 8- 0. 2750. 300. 6250. 622 90. 3330. 700. 6870. 686 10. 1280. 350. 6280. 627 50. 0870. 750. 7030. 698 30. 662表 2淹没出流实测流量与计算流量比较c注: 相对误差是实测流量与式 (19) 计算流量的相对误差。Q =A 0 ln (1 -表 3h t /H ) + B 0 A系数 A 0、B 02g Z (22)注: e 闸门开度, a 隧洞高度斗口闸孔出流有
12、关流态的判别前面已述, 汉延渠斗口闸孔出流可能出现闸 孔自由出流, 淹没出流和暗涵有压管流等水流流 态。 流态的判别标准应以闸后自由出流时收缩断 面的水深 h c 与该点的实际水深之比来进行判别,4图 3 有压涵洞流量系数与相对水深关系e/a0. 250. 500. 751. 0A 00. 018 40. 034 20. 037 00. 049 4B 00. 195 20. 430 30. 640 00. 806 8H(cm )h t(cm )Q 实(L /s)hc(cm )h(cm )式 (4) (L /s)式 (13) (L /s)式 (14) (L /s)式 (19) (L /s)Q 实
13、 - Q Q 实(% )e/a46. 6120. 5510. 5162. 45719. 3300. 5890. 614 410. 27510. 36210. 62110. 6030. 830. 2546. 5622. 799. 9062. 45719. 3150. 5890. 614 49. 5109. 6749. 8479. 9000. 060. 2539. 9618. 599. 6562. 45717. 7080. 5860. 614 49. 4859. 6039. 9869. 7040. 500. 2540. 1619. 579. 3342. 45717. 7590. 5860. 614
14、 49. 1139. 3199. 6519. 4210. 930. 2540. 4622. 388, 4872. 45717. 8350. 5860. 614 48. 2638. 4758. 6208. 5731. 010. 2546. 1120. 1510. 5672. 45719. 2090. 5890. 614 410. 33110. 38610. 66310. 6190. 490. 2546. 3122. 0210. 0832. 45719. 2560. 5890. 614 49. 6889. 85410. 06610. 0780. 050. 2546. 3624. 099. 5572
15、. 45719. 2680. 5890. 614 49. 1019. 2509. 3559. 4611. 000. 2532. 3117. 987. 7832. 45815. 6530. 5810. 614 67. 6367. 9498. 2647. 8641. 040. 2532. 5620. 187. 0332. 45815. 7250. 5810. 614 66. 9087. 1967. 2827. 1251. 310. 2525. 1616. 385. 9762. 46113. 470. 5730. 615 36. 0156. 3946. 5076. 1252. 490. 2525.
16、2617. 685. 4992. 46113. 5030. 5730. 615 35. 4925. 8355. 7455. 5921. 690. 2524. 2115. 885. 8792. 46213. 1540. 5710. 615 55. 8936. 2796. 3925. 9791. 700. 2516. 5113. 933. 2002. 47610. 2670. 5540. 618 93. 3243. 6403. 1233. 2160. 500. 2513. 369. 384. 1942. 4928. 8390. 5400. 622 94. 7834. 9725. 1574. 138
17、1. 340. 2514. 9111. 759. 1625. 22310. 6560. 481 20. 652 910. 5648. 81211. 5700. 515. 5612. 857. 5535. 19311. 1380. 487 00. 649 18. 8218. 1539. 7970. 515. 8613. 876. 5275. 18011. 3560. 489 50. 647 57. 1986. 9167. 4510. 525. 6118. 0912. 8584. 99516. 9020. 535 80. 624 413. 07613. 55014. 5240. 526. 6119
18、. 9710. 8264. 98417. 6240. 539 90. 624 011. 79012. 65312. 64910. 5172. 850. 533. 4621. 1815. 8354. 95020. 7210. 554 40. 618 716. 82916. 94317. 97815. 0165. 170. 538. 0623. 0817. 1904. 93822. 5770. 561 10. 617 218. 01518. 27219. 44916. 6663. 050. 538. 8124. 3916. 7034. 93622. 8660. 562 00. 617 016. 8
19、3317. 69018. 59916. 2003. 010. 546. 0625. 9520. 1464. 92625. 5040. 569 40. 615 720. 29120. 472218550. 518. 1014. 5814. 9348. 13212. 4660. 447 50. 677 716. 51913. 23020. 1290. 7518. 5113. 5815. 7608. 09412. 8330. 451 50. 674 515. 44026. 0860. 7528. 4619. 0822. 5227. 62718. 5100. 510 40. 635 621. 7683
20、0. 0790. 7522. 7616. 1822. 62310. 98915. 3490. 436 60. 686 822. 6351. 00设该点的实际水深为 h ,当 h a 时按淹没出流公式计算流量, 当 h t 当(自由出流)tath t h c(23)(24) (25)时按有压管流公式计算流量。h c a然而收缩断面的位置是不固定的, 它随上游水头和闸门开度的变化而变化, 不易量测。为了观 测, 在闸后 30 cm (模型值) 处设一水尺, 以该点水在的主要问题, 通过试验做了以下几点工作:1) 分析了闸孔出流的水流流态。由于闸孔后 接一暗涵, 通过闸孔泄出的水流在暗涵中呈现极 为
21、复杂的流态, 有自由出流、淹没出流以及有压管 流等, 试验分析了这几种流态的区分界限, 其判别 条件为深来判断水流流态。 试验表明, 当该点水深 h 较t小, 且下游水深 h t 小于水跃的第二共轭水深 h , 可c按自由出流计算流量; 当该点水深 h 小于或等于t涵洞高度, 且下游水深 h t 大于 h 时可按淹没出流c当 h t h c , 可按自由出流计算流量;计算流量; 当该点水深大于涵洞高度, 且下游水深当 h t h c 且 h t a, 可按淹没出流计算流量;h t 大于 h 时可按有压管流计算流量。综上所述, 闸ch 当 h t c 且 h t a, 可按有压管流计算流量 。孔
22、后接暗涵的流态判别条件为h t 可按式 (29) 计算。2) 研究了闸孔自由出流、淹没出流以及有压 管流流量的计算公式。 对于自由出流, 将式 (11)、 ( 12) 代入式 (1) 计算流量。对淹没出流当 e/H 013 时用式 (19) 计算流量, 当 e/H 013 时用式 (13) 计算流量, 对于有压管流用式 (22) 计算流量。3) 拟合了垂直收缩系数 同闸门相对开度的 关系式 (18) , 并经和文献2 给出的值比较相差甚小。h t h (按自由出流计算流量)()(27) (28)26ch 且 h ah t h t (按淹没出流计算流量)(按有压管流计算流量)cth 且 h ac
23、 t参考文献:李之田, 文和森, 任延祯, 等. 灌区量水手册M 1银川: 宁夏人民出版社, 1982.武汉水利电力学院水力学教研室. 水力计算手册M 1 北京: 水利电力出版社, 1983.薛朝阳, 胡德保. 平底闸平面闸门下孔流流量计算J 1 华东水利学院学报, 1982, (2).张志昌, 李国栋, 李建中. 用边界层理论计算平底闸 孔出流的流量J 1 西安理工大学学报, 1988, (3).1图 4 h /h 与闸门相对开度关系t t2然而在实际工程中, 一般只测量上下游水位,而 h 不易测量, 所以由实验得出区别淹没出流与t3有压管流的 h 同闸门相对开度的关系如图 4 所t示, 由
24、图可得4e ) - 0. 11 ( e ) 0. 175+ 0. 44 e h t = 1. 231h t ( a()29aHHydra ul ic ca lcula t ion of d ischa rge a t the la tera l ga te of Han yan cana l in N in gx iaYA N G Zh i1 , CH EN Guang2hong1 , ZHA N G Zh i2ch ang2 , L IU Ya2fei2(1.A dm in ist ray ion D iv ision of H anyan C ana l, N ingx ia Yongn
25、ing 750100, C h ina;2.X ian U n iver sity ofT ech no logy, X ian 710048, C h ina)A bstra ct: T h e m a in ex ist ing p rob lem of d isch a rge a t th e la tera l ga te of H anyan cana l in N ingx ia is ana2lyzed. A m ethod is advanced to d ist ingu ish th e f low p a t tern betw een f ree ou tf low of th e clo sed cu lver t be2 h ind ga te, subm erged d isch a rge and p ressu re condu it f low. A h yd rau lic ca lcu la t ion fo rm u la is a lso de2 duced, w h ich can be adop ted by o th er sim ila r p ro ject s.Key words: ga te d isch a rge; clo sed cu lver t; f low p a t tern; d isch a rge
