闸门水力学试验管理论文

2022-04-15

闸门水力学试验管理论文篇1：

弧形闸门流量计算方法的比较与分析

摘要:目前,弧形闸门的水力计算方法主要基于能量方程或量纲分析,无论哪种方法,其中都包含有与模型试验或原型数据有关的经验公式或常数系数,因此所得公式通常仅适用于某范围内,在实际应用时,有时会带来较大的误差,给弧形闸门的水力计算、闸门校准等工程应用带来诸多不便。通过弧形闸门的实验室水槽数据和现场观测数据,将传统的基于能量方程的方法和量纲分析的表征方法进行了比较,在分析了不同方法的特点的同时,指出不同方法的应用条件,为闸门水力计算和校准等计算方法的选择提供了依据。

关键词:水力学,弧形闸门,能量方程,量纲分析

Comparison and Analysis of Discharge Calculation Methods of Radial Gates

MU Xiang-peng, CHEN Wen-xue, CUI Wei, GUO Xiao-chen, WANG Qi

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Key words: hydraulics;radial gate;energy equation;dimensional analysis

1 引言

弧形闸门与平板闸门相比有很多优点[1],得到了越来越广泛的应用,其闸孔出流的水力计算对于水闸的设计和运用、渠道的水力控制、输水系统水力特性研究等,均具有重要意义。

人们对弧形闸门的水力计算和校准做过较多的研究,Metzler(1948)、Toch(1955)、Buyalski(1983)通过确定弧形闸门的流量系数研究了闸门的水力计算方法。王韦[2](1955)对平底闸淹没孔流的流量系数进行了初步分析,通过试验得到了平底闸的潜流比与淹没系数的关系曲线。Clemmens et al. [3] (2003)在能量方程和动量方程的基础上,通过迭代计算的方法对弧形闸门的流量系数进行了校正。这些方法都是根据能量方程来确定闸门的过闸流量,属于传统的方法,其关键就是确定闸门在自由孔流和淹没孔流状态下的流量系数、垂直收缩系数、淹没系数等相关系数。与这些工作相对应的研究成果就是一系列根据实验获得的流量系数、垂直收缩系数、淹没系数等参数的经验公式或数据曲线。近些年,量纲分析方法开始用于闸门水力计算的分析。Ferro[4](2000)利用定理研究了平板门、堰等在自由流情况下流量的无量纲方程。Ansar et al. [5] (2002)针对平板闸门,将量纲分析的结果与基于流量系数、收缩系数的方法所得结果进行了比较,认为量纲分析结果更精确,更具有物理基础,且所得方程式更具有通用性。M. A. Shahrokhnia[6](2006)根据水槽试验数据,采用量纲分析方法得到了弧形闸门流量、开度、上下游水深之间的表征关系式,并通过现场数据对公式进行了验证。

无论是基于能量方程的方法,还是量纲分析法,其所得闸门水力计算公式中的流量系数、淹没系数、收缩系数或无量纲方程的常数系数等均与模型试验或原型数据有关,因此所得公式仅适用于某范围内,在实际应用时,有时会带来较大的误差,给弧形闸门的水力计算、闸门校准等工程应用带了诸多不便。本文通过弧形闸门的实验室水槽数据和现场观测数据,将传统的基于能量方程的方法和量纲分析的表征方法进行了比较,在分析了不同方法的特点的同时,指出不同方法的应用条件,为闸门水力计算和校准等计算方法的选择提供了依据。

2 基于能量方程的方法

以闸前断面0-0及收缩断面c-c建立能量方程,弧形闸门示意图如图1所示:

H0=hc+acvc22g+hw(1)

式中:H0─包含流速水头的闸前全水头;hc、vc─收缩断面的水深和流速;g─重力加速度;hw─0-0断面到c-c断面的水头损失,因为这一段水流是急流,且距离较短,可只考虑局部水头损失。

图1 弧形闸门示意图

由能量方程(1)整理可得闸门出流的水力计算公式:

Q=m•σs•B•e•2gH0(2)

式中:Q─过闸流量;m─流量系数;σs─淹没系数;B─闸孔宽度;e─闸门宽度。

式(2)中的流量系数、淹没系数等一般通过模型或原型试验获得的经验公式或数据曲线获得。

流量系数m可由经验公式(3)计算[7]:

m=0.97-0.81•α180°-0.56-0.81•α180°•eH0(3)

式中:α─闸门下缘切线与水平方向夹角,单位为角度,可由式(4)求得。

a=arccosc-eR•180°π(4)

式中:c─门轴高度;R─弧门半径。

设闸门的下游水深为Ht,收缩断面的水深为hc,收缩断面的跃后水深为hc″,那么如果Ht≤hc″,则下游水深不影响闸孔出流,闸门为自由出流,其淹没系数σs取1.0;如果Ht>hc″,则水跃发生在收缩断面的上游,过闸流量随下游水深的增大而减小,闸门为淹没出流,此时淹没系数0≤σs<1.0,闸门的淹没系数可由表1求得[2],表中x为闸门的潜流比,可由式(5)求得:

x=Ht-hc″H0-hc″(5)

表1 平底闸门的潜流比与淹没系数的关系

x00.10.20.30.40.50.60.70.80.90.920.940.960.980.990.995

σs1.00.860.780.710.660.590.520.450.360.230.190.160.120.070.040.02

经分析可以发现,基于能量方程的闸门流量计算方法主要有以下几个特点。

①基于能量方程的闸门流量计算方法需要确定两个关键系数:流量系数和淹没系数,一般由根据试验或原型数据获得的经验公式或图表来得到。因为闸门的水力关系复杂,因此率定工作难度较大。

②表1为潜流比与淹没系数的关系。分析表中数据可知,潜流比大于0.8时,淹没系数随之变化的梯度较大,此时淹没系数对于潜流比十分敏感。特别是潜流比大于0.96时,微小的淹没系数差别,都有可能导致淹没系数的计算结果差别较大。因此当闸门的淹没度较大,潜流比较大时,闸门的淹没系数的计算易产生较大的误差。

3 量纲分析法

量纲分析在闸门过流计算中的应用首先由Chadwich和Morfett (1986) 提出。对于弧形闸门,假定在淹没流情况下,单宽流量q是闸门开度e、重力加速度g、能量差HE和绝对黏性系数μ的函数,其函数关系可用式(6)所示,其中,能量差HE可由式(7)得到:

q=f(e,g,HE,μ)(6)

HE=H0-Ht(7)

假定过闸流量具有如下形式:

q=m(eagbHEcμd)(8)

其中,a、b、c、d和m为常数系数。

利用量纲分析可得:

(q2/g)1/3=m2/3e(HE/e)2c/3(9)

式(9)左边表示矩形渠道的临界水深,若用K表示,则有:

K/e=m2/3(HE/e)2c/3=i•(HE/e)j(10)

对于自由流,上式依然成立,只是将下游水深设为0。

Shahrokhnia利用Buyalski(1983)的试验数据对公式(9)中的常数系数i,j进行了率定,得到:i=0.88,j=0.40 (自由闸孔出流);i=1.14,j=0.33(淹没闸孔出流)[6]。

经分析可以发现,基于量纲分析的方法主要有以下特点:

物理概念比较清晰,公式的形式比较简单,公式中只包含有两个常数系数,因此公式的率定工作非常简单,公式简单易用。

4 方法比较

下面将基于能量方程的弧形闸门水力计算公式和基于量纲分析的计算公式进行比较,首先选用模型试验的数据进行比较分析。Buyalski[8](1983)利用带硬橡胶边缘的弧形闸门进行了多组试验,获得了大量的实验数据,本文采用Buyalski的第一组试验数据来进行比较分析。图2为基于该组模型试验数据的比较结果,横坐标采用模型试验所测流量,图上三组数据的纵坐标分别为模型试验所测闸孔流量、基于量纲分析的公式计算的闸孔流量、能量方程法计算的闸孔流量。模型实测闸孔流量实际上是一组斜率为1的直线点,基于量纲分析的数据点和能量方程法所得数据点在实测点附近上下波动,由于本次计算所用的基于量纲分析的公式就是由Buyalski的试验数据率定所得,因此由量纲分析公式计算的闸孔流量与实测数据吻合较好,而能量方程法所得闸孔流量在过闸流量小于0.15 m3/s时,与实测数据吻合较好,过闸流量大于0.15 m3/s时,计算结果较模型实测数据相差较大,但仍在实测流量附近上下波动。经分析可知,流量大于0.15 m3/s的实验数据的淹没度较大,其潜流比均在0.8以上,由前面表1的分析可知,在计算淹没系数时,容易引起较大的误差。

图2 基于模型试验数据的比较结果

下面再通过现场观测数据,对基于能量方程的弧形闸门水力计算公式和基于量纲分析的计算公式进行比较。现场数据采用南水北调中线干渠京石段2008年临时供水阶段的唐河节制闸和北拒马河节制闸的观测数据。图3为基于唐河节

图3 基于京石段唐河节制闸实测数据的比较结果

制闸实测数据的比较结果,横坐标为现场实测过闸流量,图上三组数据的纵坐标分别为量纲分析公式计算的闸孔流量的误差百分比(公式仍采用Shahrokhnia率定后得到的常数系数值),能量方程法计算的闸孔流量的误差百分比,用现场实测数据重新率定后的量纲分析公式计算的闸孔流量的误差百分比。通过对三组流量计算误差的比较可以看出,Shahrokhnia利用量纲分析并用模型试验数据率定得到的公式,其流量计算误差范围在0～30%之间,经过现场数据重新率定后,其流量计算误差基本在-10%～10%之间,表明对于不同的闸门,其量纲分析法公式中的系数是不同的,在实际应用时,需要重新率定才可保证计算精度。而能量方程法计算的闸孔流量误差大部分在-15%～10%之间。图4为基于北拒马河节制闸的实测数据比较结果,分析三组流量计算误差可以看出,Shahrokhnia利用量纲分析并用模型试验数据率定得到的公式,其流量计算误差范围在-5%～20%之间,经过现场数据重新率定后,其流量计算误差基本在-10%～10%之间,而能量方程法计算的闸孔流量误差大部分在-10%～20%之间。

图4 基于京石段北拒马河节制闸实测数据的比较结果

经过比较可以看出,Shahrokhnia利用量纲分析,并通过实验数据率定的闸门流量计算公式在进行现场闸门流量计算时,所得结果偏大,且误差较大,在使用现场数据率定后,计算流量的误差能控制在-10%～10%,因此,量纲分析法所得的闸门水力计算公式在实际应用时应进行率定,应针对不同的闸门来确定各自的常数系数。另外,该计算公式仅有两个常数参数,使得闸门的校准、率定工作十分简便,在具备实测数据率定的条件下,量纲分析法所得的闸门水力计算公式非常实用。能量方程法得到的闸门水力计算公式的计算精度比经过率定的量纲分析公式稍差,但是从与现场观测数据的比较来看,误差基本能够控制在-20%～20%之间,因此在缺乏实测数据率定的情况下,采用能量方程所得公式进行闸门的水力计算也是可行的,另外,该公式中包含有关流量系数、淹没系数、纵向收缩系数的经验公式,这些经验公式由大量的试验和原型观测获得,且影响因素众多,因此这些经验公式的率定和修正工作十分复杂,往往需要不同水流条件下的大量的观测数据才能得到较好的率定结果。

5 结论

以上采用模型试验数据和现场观测数据,对量纲分析公式和能量方程所得公式进行了比较和分析,可以得到如下结论。

①基于能量方程的闸门流量计算方法需要确定两个关键系数:流量系数和淹没系数,一般由根据试验或原型数据获得的经验公式或图表来得到。因为闸门的水力关系复杂,因此率定工作难度较大。潜流比大于0.8时,淹没系数随潜流比变化的梯度较大,此时淹没系数对于潜流比十分敏感,因此当闸门的淹没度较大,潜流比较大时,闸门的淹没系数的计算易产生较大的误差。而基于量纲分析的方法,其物理概念比较清晰,公式的形式比较简单,公式中只包含有两个常数系数,因此公式的率定工作非常简单,公式简单易用。

②在工程应用中,量纲分析法公式如果不加以率定,在计算闸门过闸流量时,有时会产生较大的误差,如唐河节制闸的流量计算误差为0～30%,经过现场数据率定后,唐河节制闸的流量计算误差能控制在-10%～10%之间。可见,对于不同的闸门,其量纲分析法公式中的系数是不同的,在实际应用时,需要重新率定才可保证计算精度。在有闸门实测数据的条件下,率定后的量纲分析公式能够达到很好的计算精度,是进行闸门水力计算的较好选择。

③能量方程法得到的传统闸门水力计算公式的计算精度比率定后的量纲分析公式稍差,但是从与现场观测数据的比较来看,误差基本能够控制在-20%～20%之间。因此,如果量纲分析公式不具备率定条件,可以直接选用能量方程法得到的传统闸门水力计算公式,其计算误差也能控制在±20%之内。

致谢:文章中所用到的唐河节制闸和北拒马河节制闸的现场观测数据来源于南水北调中线干线工程建设管理局,在此向南水北调中线干线工程建设管理局的相关工作人员表示感谢。

参考文献:

[1] 吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社,1982:404-415.

[2] 王韦.平底闸潜没孔流流量系数的初步分析[G].水利部南京水利实验处研究实验报告汇编,1955.

[3] A.J. Clemmens, T.S.Strelkoff, J.A.Replogle. Calibration of submerged Radial Gate[J]. Journal of Hydraulic engineering. ASCE, 2003.9:680-687.

[4] Ferro, V. simultaneous flow over and under a gate[J]. Irrig. Drain. Eng., 2000, 126(3): 190-193.

[5] Ansar, M., Alexis, A., and Damisse, E. Flow computations at Kissimmee River gated structures: A comparative study [R]. Hydrology and Hydraulics Dept., South Florida Water Management District, Fla.

[6] M. A. Shahrokhnia, M. Javan. Dimensionless stage-discharge relationship in radial gates[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 2006,4: 180-184.

[7] 武汉水利电力学院水力学教研室.闸孔出流水力特性的研究[J].武汉水利电力学院学报,1974,(1).

[8] Buyalski, C.P. Discharge algorithms for canal radial gate[R]. Engineering and Research Center, United States Bureau of Reclamation, 1983.

作者：穆祥鹏　陈文学　崔　巍　郭晓晨　王　琦

闸门水力学试验管理论文篇2：

南水北调中线工程智能调控与应急调度关键技术

摘要：南水北调中线工程具有输水线路长、涉及区域广、参与工程多、调水规模大、输水工况多变等特点，给工程的调度、控制和运行管理带来极大困难。工程上技术的难题在于其背后的科学机理性问题并没有完全揭示和解决，包括变化条件下多水源联合多维均衡调控机制、水量水质多过程耦合机理、多物质突发水污染应急调度模式、多闸门联合运用下的明渠水力学响应机理与控制等。为建立一套完备的技术体系来支撑其调度运行，围绕“预报-调度-模拟-控制-评价”这五个关键环节对现有研究进行分类总结；然后，在综述以往研究不足的基础上，对亟需攻关的关键技术进行了详细阐释，涵盖了水源区与受水区预报调度、总干渠冰水污染多相模拟、总干渠水量水质联合调度、中线全线自动化控制技术、调度评价技术与平台建设等多个方面；最后，文章讨论了实现中线智能调控和应急调度亟待解决的科学问题，并进行了研究总结。

关键词：南水北调中线工程；智能调控；应急调度；关键技术

南水北调中线工程（中线工程）可解决河南、河北、北京和天津4个省市的水资源短缺问题，具有重要的战略意义。中线工程于2003年12月30日开工建设，并于2014年12月12日正式通水。中线工程从丹江口水库调水，全程自流，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，设计年均调水量95亿m³。中线工程具有如下几个特点：第一是长距离输水。中线总干渠长1 432 km，沿线共被63座节制闸和1座泵站分为63个渠段，闸泵群联调困难、潜在的污染点较多、工程建设和运行的要求非常高：第二是水力建筑物种类繁多，水流非线性极为显著，精确控制比较困难；第三是调水量大且无在线调节水库。中线渠道在设计流量下渠池水深比较大，渠池蓄水量大，应对突发事故的调控能力小：第四是水流由低纬度流向高纬度，在冬季运行，黄河以北渠段容易出现冰情。

为了支撑中线工程的自动化调度、控制和运行管理，在“十一五”和“十二五”期间，科技部、国务院南水北调办公室和中线干线工程建设管理局（中线局）设置了一些项目/课题进行研究。2005年，国务院南水北调办公室组织相关单位开展了“南水北调中线一期长距离调水水力调配与运行控制技术研究及应用”。2006年，科技部设置了“十一五”科技支撑项目，其中中线相关课题有“南水北调中线水资源调度关键技术研究”和“中线工程输水能力与冰害防治技术研究”。2007年，中线局委托相关单位设计了南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策支持系统，并于同年开展了南水北调中线一期工程总干渠供水调度方案研究及编制工作。目前，中线工程运行管理决策系统已经建成投用，系统包含闸站监控、水量调度、工程防洪、水质监测、信息管理等功能模块，为科学水量调度、闸群的集中控制提供了基础。为应对中线突发水污染等其它紧急情况，2012年，科技部在“十二五”水专项设置课题，研究了南水北调东中线水质水量联合调控与应急处置关键技术，并对其中一些技术进行示范应用。2015年，科技部在“十二五”科技支撑计划中，设置“南水北调中线干线工程应急运行集散控制技术研究与示范’课题，重点围绕应急工况下的中线自动化控制开展研究。

上述项目/课题在中线工程水资源调配、常规和应急调度控制、工程运行管理等方面取得了诸多成供决策支持。胡惠方完成了郑州市的工业、农业和生活需水量预测，王雪梅对河北省的生活、工业、农业和生态需水量进行了预测。

总体来看，中线工程已经建立的预报模型还没有完全覆盖中线水源区与受水区整个区域：也没有专门的气象模型，无法为中线的冰期和生态调度提供气温、水温等信息支持。因此，建议开展针对中线工程全线开展建立集合预报模型研究，研究长中短期嵌套集合预报模式，以提高预报的准确性，增强预报对调度的指导作用。

1.2模拟

模拟模型是调度、运行决策基础。模拟既包括常规的水动力学模拟，还包括极端情况下的冰期模拟和水质污染下的污染模拟等。针对渠道糙率，王开等通过模型模拟分析了中线总干渠糙率变化对水面线及过流能力的影响：马吉明等通过水槽试验研究了糙率变化对中线干渠输水过程的影响。此外，王光谦等通过模型试验与理论分析，得出中线干渠的糙率合适取值；杨开林等通过拟合实测数据，得出了糙率的经验计算公式。为考虑倒虹吸的影响，王开等计算了倒虹吸的局部水头损失系数。陈文学等分析了桥梁对中线渠道水流形态改变和渠道过水能力的的影响，方神光等分析了分、退水闸启闭下的渠道非恒定流过渡过程。在以上研究的基础上，方神光等通过对闸门、渡槽、倒虹吸等复杂水力建筑物进行概化处理，建立了一维模型，能模拟各种工况下的渠道水力响应过程。在冬季运行时，黄河以北700 km渠道中的水流由于受寒冷气温的影响，将有不同程度的冰凌产生。因此，穆祥鹏等开发了冰期输水模拟模型。范北林等。分析了中线冰期输水过渡过程，并且预测了中线冰期输水渠道冰情发展的时空分布特征；刘国强综合利用模型试验、数值模拟等多种手段，评估了中线冰期输水能力。南水北调中线总干渠沿线的跨渠桥梁、交叉河流和化学品企业众多、劣质地下水内排段长，藻类滋生条件富足，容易发生各种类型的水质污染事件。因此，雷晓辉和陈翔等开发了中线一维水质模型，朱德军开发了一维及二维水质耦合模型，能够较精确的预测污染扩散过程。

当前，中线所采用的水动力学模型、冰期输水和污染扩散模拟模型主要是一维模拟模型，尚无法精确模拟渠道边壁及水力建筑物对水流影响。当受水区配套工程完善后，中线工程是由水源区、干渠、配套工程等组成的复杂输配水系统，应建立统一的耦合模型进行模拟。此外，为精细化模拟，还应该针对不同的工况研究建立二维、三维模型。

1.3调度

中线工程的运行调度研究，多针对水源区和中线干渠分别开展研究。水源区丹江口水库调度的首要目的是供水，但其还有防洪、发电、生态、航运等功能。杨光等考虑未来径流变化，建立了丹江口水库调度规则。王浩和董延军等建立了中线准市场水量分配模型来分析水源区的可调水量和受水区的需水量，在此基础上建立丹江口水库水量调度方案。中线干渠的调度包括常规、应急和冰期输水3个方面。常规调度即是面对分水口流量变化，对闸门开度进行调整，以满足闸前常水位的运行方式，目标就是在满足渠道运行安全的情况下，使渠道输水流量快速而平稳地过渡到目标流量，黄会勇建立了常规调度模式下的闸门群调度規则。为了应对中线潜在的突发水污染事件，王浩和雷晓辉等建立了“数值模拟-评价诊断-溯源预测-应急调控污染处置”5大环节于一体的应急调度技术体系，练继建等、聂艳华、房彦梅等在事故渠池上游段、事故渠池和事故渠池下游段建立了相应的应急调度规则。针对冰期输水调度，杨开林等建立了通过控制水位、流量来防止中线冰期输水发生冰凌灾害的冰期输水调度规则。

1.4控制

控制是实现调度目标的具体措施。常规控制算法大致可分为“前馈”控制算法、“反馈”控制算法以及“前馈+反馈”控制算法。明渠非恒流输水的水动力学过程具有强耦合、大时滞等非线性控制特点，导致传统控制算法具有有限的适用性。“前馈”算法较为简单，主要的机理是通过提前蓄量补偿来减小渠池的水位波动，但无法保证中线闸前常水位运行。“反馈’算法主要是将自动化控制领域的集中控制算法应用于渠道模型。尚毅梓。将鲁棒控制算法应用于中线渠道，相关试验结果表明采用闸门鲁棒算法可以避免有限扰动造成的控制失稳。此外，杨桦等、安宁分别将模糊控制算法、预测控制算法应用于模拟渠道，也都取得了较好的效果。韩延成等提出了采用流量水位分层控制的逻辑思路，这是一种有益的尝试和探索。针对中线应急控制，尚未报导有较为成熟的控制算法。针对冰期运行，穆祥鹏等提出了防控冰凌灾害的运行控制算法，但没有考虑实时可能发生的气象条件变化。

总体而言，已有的控制算法研究推进我们对中线工程运行控制问题的认识，但不能完全解决中线的所有的控制问题。建议根据中线实际特点，应针对明渠输水的分布式、多点、非稳态控制的特点，开展分级、分层的实时、智能控制研究。

1.5评价

目前，在应急预案评价、河流健康评价等方面取得了较好的应用效果。这些评价方法都是先建立评价指标体系，然后进行分析，但有着主观影响较大的缺点。但是，对中线的评价技术研究很少，目前只有针对丹江口水库的水质的评价方法，对其他方面尚未涉及，这是一块亟需研究填补的空白。

2亟需攻克和解决的技术难题

前述研究极大的推进了我们对中线工程问题的认识，但是以下八个方面技术难题还没有完全解决，需要深入研究。这八个方面的技术构成了中线智能调度研发核心技术体系（图2）。

2.1中线工程水源受水区预报技术

为满足新形势下的中线水资源综合调度需求，需要建立集成气象、水文、径流预报还有用水预测模型的预报/预测平台。实现此项目标，我们还需要继续深入开展以下四方面的研究：（1）基于数值天气预报模式，研发汉江流域长中-短期多层嵌套的降水集合预报模型；（2）统计分析前期径流、降水等数值关系，并考虑气候变化对未来降雨径流影响，研究建立变化条件下的汉江流域分布式水文模型和丹江口水库来水长中短预报模型；（3）研究建立中线工程沿线受水区的气象预报模型，为中线工程的调度运行提供气温、水温等信息输入；（4）研究建立受水区大中型水库来水长中短预报模型。

2.2变化环境下水源水库水资源多目标调度技术

目前，水源区条件较设计之初也发生了变化，中线通水后，又规划建设鄂北调水等大型调水工程，影响丹江口水库的调度。气候变化不只影响水源区的降雨与径流，也影响着水源区的水量调度目标：此外，输配水过程中还存在着诸多不确定性的风险，如污染，水华等。因此，需要分析研究这些新的情况和形势对中线工程影响，研究兼顾多项效益目标的水源水库水资源调度技术和方法，包括以下研究：（1）开展变化环境下的汉江流域水循环机理研究，研究气候变化对水源区水资源可利用量的影响，评估丹江口上游水库群、下游需用水变化和新建外调水工程对丹江口外调水量的影响：（2）建立水污染事件风险评估模型，估计和预测水污染发生概率，研究通过改变水库流场来防止污染物进入中线干渠的陶岔闸和丹江口大坝联合运用方式；（3）研究通过径流调节抑制蓝藻水华发生的水库群调度方式和方法；（4）研发水源区水库群水资源多目标优化调度模型。

2.3变化条件下受水区多水源联合调度技术

2012年全国开始实施“最严格水資源管理制度”，在这项制度的引导下中线受水区用水结构发生较大变化，再生水、海水淡化等非常规水资源利用效率得到了较大幅度的提升，减少了受水区对外调水的需求；受水区某些省份，譬如河北省，借助中线工程通水的契机，开展了超采区的地下水的压采工作，增加了河北省的外调水的需调水量。因此有必要针对这些变化的条件开展分析，分析这些变化对受水区用水影响，研发受水区多水源联合调度技术，包括以下内容：（1）评估“最严格水资源管理制度考核办法”对外调水使用量的影响，分析“考核办法”实施前后受水区用水量和用水习惯的变化；（2）评估受水区再生水、海水淡化等非常规水利用对外调水使用量的影响，量化分析中线供水配套工程逐步建成后受水区的用水结构变化：（3）评估受水区水源转换对超采区地下水恢复影响；（4）研究建立受水区多水源联合优化调度模型，为调度和分水方案优化提供技术支撑。

2.4总干渠冰水污染多相多过程耦合模拟技术

中线干渠的潜在污染源和污染物种类较多，污染物的扩散会受到中线复杂水力建筑物的影响，这造成了中线的污染过程扩散模拟和追踪溯源有较大的难度。在冰期为防治冰害，需考虑气候的影响，完善冰期冰凌形成原理，并模拟冰情发展过程。因此需开展以下研究内容：（1）分析中线干渠闸门、桥梁、渡槽、倒虹吸等过水建筑物对明渠输水过程的影响，研发能够精细化模拟水流形态的一维、二维或三维的耦合模拟模型；（2）研发水动力学模型参数的在线辨识技术，能够使水动力学模型根据实测数据动态调整参数，以进一步提高模拟计算的准确性；（3）研究建立与天气预报相耦合的冰情发展模拟模型；（4）分析不同类型污染物扩散特点，研发针对整个输配水渠系的污染扩散预测与溯源追踪技术；（5）研发地表水与地下水的耦合模拟模型，分析地下水内排对南水北调中线干渠水质的影响；（6）研究多模拟模型集成耦合技术，研发模型的快速求解技术，实现渠道冰、水动力学和污染扩散过程的在线实时模拟。

2.5总干渠应急工况下水量水质联合调度技术

中线工程沿线存在突发水污染事故等应急工况，建议开展以下四方面研究：（1）研究能够灵活应对突发水污染事件的渠道运行方式，建立节制闸、分水口门退水闸联合运用规则；（2）研究运用闸门、分水口门和退水闸联合进行污染防控的技术手段和保障机制，制定科学合理的闸群应急调度预案；（3）以工程安全（水力、水质安全）为主、以经济调度（减少弃水、简化闸门操作程序）为辅，研究建立中线干渠的水量水质的联合调度模型，保障事故发生后中线干渠能够快速恢复至常态的闸前常水位运行方式；（4）针对受水区遭遇严重干旱情景，开展中线工程应急供水研究。

2.6总干渠闸泵群非线性耦联智能控制技术

中线总干渠63个渠段通过水流波动相互关联，但这种关联和作用是非线性的。非线性是水流、闸门/泵站动态调节、渠道水力运行要素相互关联的纽带，是控制系统内外协同、进行水力输移机理研究的关键。我们需将闸门控制算法与渠道运行方式结合起来考虑，开展渠道运行方式、控制方式和闸门控制算法的适用性和匹配性研究：（1）检验渠道现有运行模式、实现方式和闸门自动控制技术的合理性和控制精度；（2）研究分段子系统渠道水力特性对控制系统影响的物理机制，探索合理的渠道运行方式和闸泵控制器；（3）改进渠道运行模式，开发动态耦合控制模式和控制算法，研发开发中线总干渠闸泵群实时控制平台；（4）研发冰期输水过程控制技术，研究制定冰期输水的闸泵群安全调度操作程序；（5）研究极端、事故条件下的分级、分段控制模式，研发能够处理常态和应急工况的闸泵群全自动控制平台。

2.7南水北调中线调度全周期评价技术

全周期评价是指对模型、调度方案及效果等进行客观的分析，不断总结经验教训，并通过及时有效的信息反馈，为调度决策完善和供水相关的方案计划修订提出建议。通过全周期评价不断对模型、方案进行持续改进，实现调度综合效益最大的目标。建议开展以下研究：（1）开展预报的准确率分析，从提高预报精度入手，研究建立针对气象、水文和径流预报模型的性能评价指标和模型；（2）开展模拟模型的标定和校核研究，研究建立水文模拟，水力学模拟、污染扩散模拟、冰期发展模拟等模拟模型的性能评价指标和模型；（3）从水资源的供需平衡角度入手，分析供水计划的完成情况，研究建立能够衡量中线工程水资源优化配置效果的指标和模型；（4）综合考虑系统控制的稳定性、快速性和准确性，研究建立控制性能评价指标和模型；（5）围绕“预报-模拟-调度-控制”四个关键环节，研究建立能综合全面反映调度措施执行效果的评价指标体系和模型。

2.8中线工程常态与应急调度云服务平台

中线工程的云服务平台就是将前述的先进技术进行集成，以支撑中线工程全自动化运行与智能调控。要实现这一目标，需开展如下四方面研究：（1）分析提取云服务平台所集成模型的通用、共性功能，对这些功能进行抽象封装后形成应用组件，建立可以相互调用的模型或应用组件库；（2）研究中线工程现用应用系统之间信息交互方式，针对中线业务系统的需求以及闸控系统的需求，设计数据库关联关系和范式；（3）研究构建满足用水户和控制中心双向信息交互的云服务平台，满足既能在云服务平台进行信息展示，又能通过云服务平台收集水厂、用水户需求；（4）研究闸泵群控制系统与云服务平台的接入方式，研究云服务平台下信息隔离和共享技术，通过对不同的用水户设置不同的权限来达到平台的信息安全和信息共享。

3核心科学问题

中线工程的运行调度控制是工程技术问题，但是鉴于其工程自身的复杂性和诸多组成要素的耦合关联特征，要研发核心调控技术，需要开展科学问题集中攻关。核心科学问题如下。

（1）变化条件下多水源联合多维均衡调控机制。跨流域调水渠道跨越多行政地区、多地质结构、多地貌形态，同时由于水源区供水量以及受水区的需水量的不确定性，需要深刻认识水资源调度具有社会效益、工程效益、经济效益等多维性特点，综合考虑未来可能的条件变化，以及当前目标调整情况，找出多水源联合多维均衡调控的方法和理论。

（2）水量水质多过程耦合机理及逆时序反问题求解。中线的过水建筑物众多，复杂内边界条件造成渠道水流形态复杂，不仅影响到水动力学过程调控，同时也影响到渠道物质的对流扩散。因此，因此需要研发中线水量水质一、二、三维模模型。并在一维、二维、三维模型的基础上研究追踪溯源技术。

（3）长距离调水系统多物质突发水污染应急调度模式。不同的污染物具的扩散机理不同。我们必须针‘对多种潜在污染物质，开展污染物扩散特性研究，研發针对不同类型污染物的应急调度模式。

（4）多闸门联合运用下的明渠水力学响应机理与控制。任一闸门动作都会影响到上下游渠池控制点水位，上下游闸门同时操作将会造成水位、流量波动的叠加，危及渠道安全运行。分析多闸门联合运用下的明渠水力学响应，开展渠池间波动耦合机理研究，研发合适的渠道运行模式和闸群控制算法，提高输水安全性，提升输水效率。

4结论

中线工程可解决河南、河北、北京和天津4个省市的水资源短缺问题，具有重要的战略意义。中线工程输水线路长、水力建筑物众多、工况复杂多变、尤其是存在突发水污染事故等应急工况，对中线调度控制和运行管理造成困难。此外，随着经济社会的发展和流域水文条件的变化，现在中线水源和受水区的自然水文和用水情况都较设计阶段发生了较大改变。因此亟需对中线调度运行中存在的关键技术难题开展研究，研发中线工程的智能化调控和应急调度平台，支撑中线智能化安全运行。开展这项研究需要从“预报-模拟-调度-控制-评价”五个关键环节开展，研发包括水文预报、水库调度、渠道水力特性模拟、渠道污染扩散分析、闸泵群自动化控制等在内的多种技术，涵括工程的调水方案编制到实时闸门操作的整个流程上的科学问题。解决这些关键技术难题和科学问题，将有助于最大发挥中线工程的综合效益。

作者：王浩　雷晓辉　尚毅梓

闸门水力学试验管理论文篇3：

前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究

摘要：为了验证前坪水库泄洪洞原布置方案的合理性，根据弗劳德定律，采用1∶40的单体正态模型进行试验，研究了泄洪洞各试验工况下的泄流能力、时均压力分布、水面线及洞身余幅、消能防冲效果等。结果表明：前坪水库泄洪洞泄流能力满足要求;泄洪洞检修闸门槽最小空化数1.23，大于闸门初生空化数0.7，闸门槽设计合理，满足规范要求;泄洪洞洞身掺气水深均小于直墙高度，洞身余幅均大于15%，满足设计和规范要求;校核工况下，泄洪洞冲坑最深点高程为327.34 m，水流对下游山体造成一定的冲刷，需要对山体采取抗冲刷措施。

关键词：模型试验;泄流能力;水流空化数;洞身余幅;冲刷坑;前坪水库

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.025

引用格式：赵雪萍，李宜伦，赵玉良，等.前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究[J].人民黄河，2021，43（4）：134-136.

Key words： model test; discharge capacity; water flow cavitation number; residual width of tunnel body; scour pit; Qianping Reservoir

1 工程概況

河南省前坪水库位于洛阳市汝阳县前坪村附近，是国家172项重大水利工程建设项目之一，水库控制流域面积1 325 km2，总库容5.90亿m3，为Ⅱ等大（2）型工程。枢纽工程由主副坝、泄洪洞、溢洪道、输水洞及消能防冲建筑物等组成。

泄洪洞布置在溢洪道左侧，轴线总长689 m，进口洞底高程为360.00 m，进口顶部为一椭圆形曲线（曲线方程为x2/7.52+y2/2.52=1），控制段采用闸室有压短管式，闸孔尺寸为6.5 m×7.5 m（宽×高），洞身采用无压城门洞形隧洞，断面尺寸为7.5 m×8.4 m+2.1 m（宽×直墙高+拱高），洞身段长度为518 m，出口消能方式采用挑流消能，鼻坎高程为351.75 m。设检修闸门和工作闸门：检修平板钢闸门尺寸为6.5 m×8.7 m（宽×高），采用固定式卷扬启闭机启闭;检修门后设弧形工作钢闸门，工作闸门孔口尺寸为6.5 m×7.5 m（宽×高），采用液压启闭机启闭。为验证前坪水库泄洪洞原设计体形布置方案的合理性，采用几何比尺1∶40单体正态模型试验对前坪水库泄洪洞的水力特性进行了试验研究，并提出了泄洪洞原设计体形存在的问题和优化方案，为该工程的设计和运行管理提供可靠的理论依据。

2 模型制作及试验方案

2.1 模型制作

按弗劳德定律[1-3]设计模型，模型为正态模型，几何比尺Lr=40，模拟范围主要包括泄洪洞进口部分库区、引渠段、闸室段、洞身段、出口挑流消能段、下游主河槽及两岸山体。模拟范围为泄洪洞轴线进口以上80 m处至挑流鼻坎以下200 m，总长度890 m;为不影响泄洪洞进口水流，模型宽度满足水箱边墙到泄洪洞进口两侧宽度大于进水口总宽4倍的要求;模型高度满足校核洪水的超高控制要求。

根据糙率相似准则[1-3]，泄洪洞进口引水渠和出口翼墙用水泥砂浆抹面;泄洪洞进出口和洞身采用有机玻璃制作;模型主河槽及兩岸山体采用水泥粗砂浆粉面拉毛。

2.2 试验工况

试验的3种特征工况为：①50 a一遇洪水，库水位417.20 m，设计流量1 334 m3/s;②500 a一遇（设计）洪水，库水位418.36 m，设计流量1 350 m3/s;③5 000 a一遇（校核）洪水，库水位422.41 m，设计流量1 402 m3/s。

3 水力特性试验结果与分析

3.1 泄流能力

泄洪洞各特征工况下泄流能力试验结果见表1。工况①时泄洪洞试验流量为1 388 m3/s，比原设计值增加4.05%;工况②时泄洪洞试验流量为1 407 m3/s，比原设计值增加4.22%;工况③时泄洪洞试验流量为1 464 m3/s，比原设计值增加4.42%，由此可见泄洪洞的泄流能力满足设计要求。

3.2 水流流态及流速

当水位高于360.00 m时，泄洪洞开始过流，水流缓慢平顺通过闸室流向下游，水流经过闸室以后在泄洪洞内形成水跃。水跃随着水位的升高旋滚逐渐加剧，并向下游推移（洞内无水流封顶的现象）。当水位上升至368.23 m时，水流经挑流鼻坎挑流向下游。

试验观测发现，水位为367.50 m时，斜压板末端与过闸水流完全接触，顶板对过闸水流的约束作用开始显现（见图1）。当水位继续升高至374.80 m附近时，泄洪洞进口塔架前方出现了直径约0.6 m的逆时针间歇性游荡旋涡，能看到明显气柱，随着水位的上升，旋涡间断不连续，时而出现时而消失。在水位升高至379.30 m附近时，旋涡直径开始变小，仅表面下陷不再贯通，每次出现的间隔时间比较长且迅速消失。水位升至385.33 m附近时，在塔架前方进口右侧间断形成直径约0.9 m的顺时针游荡旋涡，塔架前方左侧偶尔形成直径约0.5 m的逆时针游荡旋涡，此时两旋涡都不贯通仅表面下陷，并且两旋涡时而并存，时而交替出现（见图2）。水位升至389.20 m附近时，基本无旋涡，偶尔随着进口右侧水体的旋转产生顺时针直径不大于1 m的表层未贯通旋涡。水位升至395.95 m附近后，进口表面水体沿塔架周围顺时针缓慢转动，无旋涡产生。

由试验结果可知，水位为417.20 m时，洞内流速范围为17.97～27.09 m/s;水位为418.36 m时，洞内流速范围为19.84～27.88 m/s;水位为422.41 m时，洞内流速范围为20.80～28.55 m/s。最大流速出现在0+042断面，为28.55 m/s;最小流速出现在0+575.60处，为13.70 m/s。

3.3 起挑、收挑

根据试验观测可知，泄洪洞闸门在局部开启和全部开启的情况下，水流起挑前均在洞内形成水跃，水跃强度较弱，跃后水深小，跃后水流并没有封顶。泄洪洞起挑前洞内流态见图3。随着闸门开度的增大，起挑、收挑水位逐渐降低，相应的流量逐渐增大。闸门全开时，起挑水位为368.23 m，起挑流量为277.12 m3/s;收挑水位为366.44 m，收挑流量为222.36 m3/s。

3.4 动水时均压力

（1）顶板动水时均压力。泄洪洞进口顶板动水时均压力在各种工况下变化趋势基本一致，进口顶板椭圆曲线段压力缓慢下降，表现为水流收缩;压板起始段压力较大，表现为水流冲击作用，压力在该处变化大。各级工况下，除桩号0+000.50处出现负压外，其余均为正压，且随着库水位的升高压力变化趋于平缓。工况①桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.73 m，工况②桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.17 m，工况③桩号0+000.50处顶板的负压水头为-3.01 m。

（2）闸门槽动水时均压力及水流空化数。泄洪洞检修门槽宽3.0 m、深1.60 m，宽深比1.88;该门槽为Ⅰ型门槽，初生空化数为0.7。根据试验成果可知，实测的最小空化数为1.23，大于闸门初生空化数0.7，闸门发生空蚀破坏的可能性较小，闸门槽设计合理，满足规范要求。

（3）底板动水时均压力。泄洪洞底板时均压力在各级工况下，除桩号0+032处出现负压外，其余均为正压。工况①桩号0+032处底板的负压水头为-0.85 m，工况②桩号0+032处底板的负压水头为-1.01 m，工况③桩号0+032处底板的负压水头为-1.33 m。建议施工时严格控制闸室段的平整度[4-8]。

3.5 水面线及洞顶余幅

水流出有压短管跌落后逐渐加速，水深沿程递减。沿洞身掺气水深[9]最大值即余幅最小值位于洞出口前0+550断面附近，工况①对应最小余幅为22.26%，工况②对应最小余幅为21.55%，工况③对应最小余幅为19.29%。各工况下，泄洪洞洞身掺气水深均小于直墙高度，洞身余幅均大于15%，满足设计和规范要求。

4 冲刷消能研究

本试验为下游局部动床试验，采用岩块几何缩制法与抗冲流速相似法相结合的综合模拟方法。覆盖层根据现场取样筛分试验结果采用几何缩制法来模拟;基岩模拟根据抗冲流速相似法确定基岩冲刷的模型砂[10-12]。模型砂粒经Dm根据基岩的抗冲流速Vp确定（下标p表示原型、m表示模型），Vp=（5～7）D0.5p或Vm=（5～7）D0.5m、Vm=Vp/L0.5r。根据前坪水库地质资料，可以认定泄洪洞轴线下游基岩岩性为辉绿岩，由《水力学计算手册》查得，原型抗冲流速为22 m/s，相应的模型流速为3.48 m/s，基岩可采用对应流速的散粒砾石体来模拟。

工况①泄洪洞挑距为44 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.50 m;工况②泄洪洞的挑距为46 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.18 m;工况③泄洪洞的挑距为48 m，泄洪洞冲坑最深点高程为327.34 m。

5 结论与建议

通过模型试验模拟了前坪水库泄洪洞水流运动规律，验证了泄洪洞各水力特性均满足设计要求;通过下游冲刷试验研究发现，水流对下游山体造成一定的冲刷，建议对泄洪洞出口下游山体采取防护措施;研究成果为该工程的设计和运行管理提供了理论依据。

参考文献：

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