一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法与流程

本发明涉及引调水工程输水安全领域，具体是一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法。

背景技术：

在一些大型引调水工程中，渡槽是最常用的一种输水交叉建筑物，有单槽式、双槽式及多槽式布置形式。对于双槽式输水渡槽，左右双槽是以渡槽中隔墩中心线为对称轴布置的。

根据目前一般大型输水渡槽的设计水流条件来看，渡槽和渠道水流均为缓流，渡槽中的水流雷诺数re＞3×10⁶，因此渡槽出口墩尾水流具备了产生“卡门涡街”的必要条件，其特征是墩尾水流中周期性出现旋转方向相反、左右交替排列的一个个单独涡漩，并形成两列涡漩串向下游发展，单个涡漩出现的频率f可由斯特劳哈尔公式f＝st(u/d)计算，u为渡槽出口断面平均速度，d为渡槽中隔墩厚度，st为斯特劳哈尔数，当渡槽出口断面水流雷诺数re＞3×10⁶时，st为常数0.27，即墩尾涡流左右摆动具有周期性。在墩尾“卡门涡街”引发的微幅波通过渡槽向上游传递的过程中，其左右两槽内的微幅波由于墩尾“卡门涡街”的特性而相差了半个周期，如渡槽工作闸门全开敞泄，则两槽内的微幅波传递到渡槽进口水域时，会出现左右两侧水面一高一低交替变化现象，即渡槽进口前水面会产生横向波动；而渡槽进口前周期性的横向水面波动使左右两槽的进流量也呈现周期性的变化，进而可激发渡槽墩尾水流中的“卡门涡街”强度，使墩尾水流左右摆动幅度增大；渡槽墩尾“卡门涡街”与渡槽进口水流的横向波动两者之间是一个相互激励的过程，最终导致渡槽内出现相应流量条件下的波动极大值。

南水北调中线工程某双槽式渡槽(如图2及图3所示)在通过设计流量时，两工作闸门按正常调度方法均全开敞泄运行，结果渡槽内出现了波高超过1.0m的周期性大波动，左右两槽内的水面交替升降，甚至引发渡槽上下游明渠内的水面也随之波动；一方面它降低了渡槽的输水能力，另一方面对渡槽结构安全和渠道边坡稳定也构成了威胁，成为制约全线工程输水能力的瓶颈，影响了整个工程综合效益的发挥。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法，以消减渡槽内的水流大波动，使渡槽和明渠能够平稳输水，保证渡槽的输水能力满足要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法，包括以下步骤：

步骤一、根据双槽式渡槽节制闸拟通过的流量q及对应的渡槽下游水位h下，按照闸门前常设水位h常计算双孔闸门均匀控泄时的闸门开启高度e；

步骤二、根据闸门开启高度e和闸门前水深h(h常与闸前底板高程之差)计算闸门相对开启高度e/h，如闸门相对开启高度e/h≤0.65，则按计算的闸门开启高度e进行双孔闸门均匀控泄运行；如计算的双孔闸门相对开启高度e/h＞0.65，则不控制闸前水位，采用一孔闸门全开敞泄、一孔闸门局开控泄方式运行。

进一步的，步骤二中，在一孔闸门全开敞泄、另一孔闸门局开控泄运行方式下，其闸门相对开启高度须满足0.65＜e/h＜0.75，具体为q/q加大＝-43.003(e/h)²+55.549(e/h)-16.933，q为渡槽节制闸拟通过的流量，q加大为渡槽节制闸设计的最大流量。

进一步的，步骤一计算双孔闸门均匀控泄时的闸门开启高度e的公式为：

式中：q—渡槽节制闸拟通过的流量(m³/s)；

μ—闸孔自由出流流量系数；

e—闸门开启高度(m)；

σs—闸孔出流淹没系数，根据闸门上下游水位差(h常-h下)及闸门开启高度e，查相关教科书或计算手册中的图即可得出；

n—闸孔孔数；

b—闸孔净宽(m)；

g—重力加速度(m/s²)；

h—闸门前水深(m)，即h常与闸门前底板高程之差；

h0—闸前总能头，h0＝h+v²/(2g)(m)，v为闸前断面平均流速(m/s)，通过q、h及b可以计算得出；

对平面闸门：μ＝0.60-0.18e/h(2)

公式适应范围：0.1＜e/h＜0.75

对弧形闸门：μ＝(0.97-0.258θ)-(0.56-0.258θ)e/h(3)

式中：θ—闸门开启高度e时底缘切线与水平面夹角(弧度)；

公式适应范围：0.1＜e/h＜0.75，0.44＜θ＜1.57。

本发明的有益效果是：本发明通过闸门调度方式消除渡槽进口前左右两侧水面出现周期性地升降，避免两槽进流量发生周期性变化，即消除渡槽进口前水面发生周期性的横向波动：一是采用双孔闸门均匀控泄运行方式，阻断渡槽墩尾“卡门涡街”引发的水面微幅波传递到渡槽进口前水域，其双孔闸门局开控泄的相对开度须满足e/h≤0.65；二是采用一孔闸门全开敞泄、另一孔闸门局开控泄(0.65＜e/h＜0.75)运行方式，至少保证其中一个渡槽进口前的水流条件不受墩尾“卡门涡街”引发的波动影响。

本发明可使出现大波浪的双槽式渡槽的波幅显著减小，最大波幅消减率约80％；渡槽及明渠内水流平稳，有利于渡槽结构安全及明渠边坡稳定。本发明方法也适用于有较大波浪的多槽式输水渡槽的闸门调度。

附图说明

图1是本发明一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法其中一个实施例的流程图；

图2是南水北调中线工程某双槽式输水渡槽平面布置图；

图3是南水北调中线工程某双槽式输水渡槽剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种消减双槽式输水渡槽波浪的闸门调度方法，其具体步骤如下：

步骤1：针对每一个具体的双槽式输水渡槽，收集闸门特征尺寸(闸孔孔数n、闸孔净宽b等)、渡槽尺寸(渡槽长度、宽度、闸门处渡槽底板高程等)和每一级输水流量对应的上、下游水位等资料；

步骤2：根据双槽式渡槽节制闸拟通过的流量q及对应的下游水位h下，按闸门前常设水位h常计算双孔闸门均匀控泄时的闸门开启高度e，其计算公式为：

式中：q—渡槽节制闸拟通过的流量(m³/s)；

μ—闸孔自由出流流量系数；

e—闸门开启高度(m)；

σs—闸孔出流淹没系数，根据闸门上、下游水位差△z及闸门开启高度e，由△z/h、e/h查相关教科书或水力计算手册中的图即可得出；

n—闸孔孔数；

b—闸孔净宽(m)；

g—重力加速度(m/s²)；

h—闸门前水深(m)，即h常与闸门前底板高程之差；

h0—闸前总能头，h0＝h+v²/(2g)(m)，v为闸前断面平均流速(m/s)，通过q、h及b可以计算得出。

对平面闸门：μ＝0.60-0.18e/h(2)

公式适应范围：0.1＜e/h＜0.75

对弧形闸门：μ＝(0.97-0.258θ)-(0.56-0.258θ)e/h(3)

式中：θ—闸门开启高度e时底缘切线与水平面夹角(弧度)；

公式适应范围：0.1＜e/h＜0.75，0.44＜θ＜1.57。

步骤3：根据计算得到的闸门开启高度e、闸门前水深h和闸门相对开启高度e/h，如e/h≤0.65，按常规调度方法进行输水控制；如e/h＞0.65，则采用消减波浪的调度方法进行输水控制，即一孔闸门全开敞泄，一孔闸门局开控泄(0.65＜e/h＜0.75)，具体为q/q加大＝-43.003(e/h)²+55.549(e/h)-16.933。在上述闸门相对开度范围内，渡槽下游“卡门涡街”引发的水面波基本不能通过闸门传递到上游，渡槽及渠道内的瞬时最高水面高程均明显降低，输水能力得到保证。

表1展示的是某双槽式输水渡槽节制闸分别采用常规调度方法和采用本发明调度方法的水工模型波浪试验成果；结果表明：采用常规调度方法时，渡槽内最大波幅为0.86～1.04m；采用本发明调度方法时，渡槽内最大波幅均可控制在0.20m以内，消减波幅约80％，同时对输水能力影响很小，在各级流量条件下，上游渠道瞬时最高水面高程还降低了3～5cm，满足了工程的安全输水要求。

表1双槽式输水渡槽不同调度方法的波浪试验成果比较

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。