大和水闸过闸流量分析_吴门伍
水闸水力计算.
H—上游水深(m)
内河起排水位4.3m（85国际，下同），外江水位取平均高潮位3.99m，闸底板高程1.2m。（图1-1），应用宽顶堰流量公式推算设计流量：
由h/H=(3.99-1.2) / (4.3-1.2) =2.79/3.1=0.9查表得淹没系数为σ=0.83；由于为无坎高宽顶堰，流量系数m取0.385；n=4，b0=6m；侧收缩系数ε由下面三式进行计算：
第一次试算：
不计行近流速，H0=H=4.3-1.2=3.1m
第二次试算：
第三次试算：
满足精度要求，
取B=24m，即4孔6m，中墩宽为1为闸底板高程1.2m（85国标）
二、流量计算
1、设计流量计算
采用宽堰流量公式
式中：σ—淹没系数
ε—侧收缩系数
m—流量系数
ｎ—闸孔数
ｂ0—单孔净宽(m)
—堰顶全水头(m)
式中：σ—淹没系数
ε—侧收缩系数
—堰顶全水头(m)
m—流量系数
Q—过闸流量(m3/s)
v0—上游行近流速
H—上游水深
h/H=(3.99-1.2) / (4.3-1.2) =2.79/3.1=0.9
查表得淹没系数为σ=0.83
侧收缩系数ε定为1
流量系数m一般取0.385
宽顶堰流量公式简化为:
H0和V0都是未知，须进行试算：
εz—中间闸孔侧收缩系数
εb—边闸孔侧收缩系数
dz—中间闸墩厚度
bb—边闸墩顺水流向边向边缘线至上游河道水边线之间的距离
根据初步设计三视图，dz=1m；bb=0m
H0和V0都是未知，须进行试算确定设计流量：
第一次试算：
不计行近流速，H0=H=4.3-1.2=3.1m
水闸过流能力及稳定计算
水闸过流能力及结构计算计算说明书审查校核计算***市水利电力勘测设计院2011 年 08 月 29日1、水闸过流能力复核计算水闸的过流能力计算对于平底闸，当为堰流时，根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录A.0.1规定的水力计算公式：2302H g b m Q s εσ=22'02ϕg bh Q h H c c ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=4001171.01ss b b b b ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=ε 式中：B 0—— 闸孔总净宽，（m ）；Q ——过闸流量，（m 3/s ）；H 0——计入行进流速水头的堰上水深，（m ）； h s ——由堰顶算起的下游水深，（m ）； g ——重力加速度，采用9.81，（m/s 2）； m ——堰流流量系数，采用0.385； ε——堰流侧收缩系数； b 0——闸孔净宽，（m ）；b s ——上游河道一半水深处的深度，（m ）； b ——箱涵过水断面的宽度，m ； hc 进口断面处的水深，m ；sσ——淹没系数，按自由出流考虑，采用1.0；ϕ——流速系数，采用0.95；已知过闸流量Q=5.2（m 3/s ）先假设箱涵过流断面净宽确定箱涵过流断面高度，经试算得：综上，过流断面尺寸为2.5m ×2.0m （宽×高），设计下泄流量Q 为5.2m 3/s ，过流能力满足要求。
2、结构计算**堤防洪闸均为钢筋砼箱涵结构，对防洪闸进行抗滑稳定、抗倾覆稳定和墙基应力计算。
（1）抗滑稳定计1）计算工况及荷载组合工况一：施工完建期，荷载组合为自重+土压力工况二：外河设计洪水位，荷载组合为自重+土压力+扬压力+相应的闸前闸后静水压力+风浪压力2）荷载计算计算中砼强度等级为C20，钢筋采用Ⅰ、Ⅱ级，保护层厚度梁25mm、板20mm，符号规定：力向下为正，向上为负，力矩逆时针为正，顺时针为负。
闸门重 2.352×9.81=23.07 KN；闸底板重25×4.0×0.7×4.1=287 KN；闸墩重25×0.8×4×2*2=320 KN；平台板，梁25×（0.25×0.45×2+1.05×0.15）×2.5=23.91 KN；柱25×2.82×0.4×0.4×4=45.12 KN；启闭力-100 KN；启闭机重0.56×9.81=5.49 KN；启闭梁25×（0.3×0.5+0.25×0.4+1.35×0.12）×2×3.5=72.1 KN；工作桥25×（5.9×0.12+0.2×0.25×3）×2.0=42.9 KN；25×（6.28×0.13×2×0.13+1.2×0.15×5×0.15）×2=34.73 KN；启闭房砖墙22×0.864×4.1×4=311.73 KN；∑自重=23.07+287+320+23.91+45.12-100+5.49+72.1+38.815+340=1016.98KN；水重10×2.0×2.0×2.5=100 KN；由表可知浪压力为2.35 KN ；有表可知土压力为38.49 KN ；闸前静水压力 （27.7+47.7）×2/2×2.5=188.5 KN ； 离截面形心距离 e=()()377.477.277.477.222⨯++⨯⨯=0.91 扬压力 0.5×2×10×2×2.5=-50KN ；计算工况荷载汇总(对闸室基底面形心求矩)3）抗滑稳定计算公式 []cc K HGf K ≥⋅=∑∑式中：Kc ——为抗滑稳定安全系数；[]c K ——规范要求的抗滑稳定安全系数最小值；∑G ——作用在防洪闸上的全部垂直力总和 ；∑H ——作用在防洪闸上的全部水平力总和；f ——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.4 4）计算结果工况一：∑G =951.5 KN ；∑H =33.33 KN ； K c =33.335.9514.0⨯=11.41＞1.2 满足要求；工况二：∑G =1001.5 KN ；∑H =224.18 KNK c =18.2245.10014.0⨯=1.78＞1.2 满足要求。
水闸过流计算
水闸过流计算①开敞式水闸过流计算a.当hs ≤ 0.72H 0时，过闸水流为自由出流，流量公式Q =εmB 2gH 03/2；b.当0.72H 0<hs≤0.9H 0时，过闸水流为淹没出流， 流量公式2/3002H g mB Q σε=单孔闸:ss b b b b 0401171.01⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=σ 多孔闸，闸墩墩头为圆弧形时：式中：B 0---闸孔总净宽(m)；Q---过闸流量(m 3/s)；H 0---计入行近流速水头的堰上水头(m)；g---重力加速度，可采用9.81(m/s 2)；m---堰流侧收缩系数；b 0---闸孔净宽(m)；b s ---上游河道一半水深处的宽度(m)；N---闸孔数；εz ---中闸孔侧收缩系数；d z ---中闸墩厚度(m)；εb ---边闸孔侧收缩系数；b b ---边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离(m)；σ---堰流淹没系数；h s ---由堰顶算起的下游水深(m)。
c.9.0/0≥H h s 当时，为高淹没出流，其流量计算公式：式中：μ0---淹没堰流的综合流量系数；其它符号意义同前。
对于平底闸，当设有胸墙时为孔流，流量计算公式： 式中：h e ---孔口高度(m)；μ---孔流流量系数；φ---孔流流速系数，采用1.0；ε′---孔流垂直收缩系数；λ---计算系数，适用于25.00<<e h r 范围； r---胸墙底圆弧半径(m)； σ′---孔流淹没系数，由规范表中查得。
②涵闸过流计算按半有压涵洞的过流能力计算式中：m 1---半压力流时的流量系数；A---涵洞断面面积(m 2)；β1---修正系数；D---涵洞高度(m)。
水闸过流能力及稳定计算
水闸过流能力计算水闸是一种常见的水利工程设施，用于控制和调节河流、水渠等水体的水位和流量。
水闸的过流能力计算是设计和运行水闸的重要环节，它能帮助工程师了解水闸的性能和能否满足流量要求。
本文将介绍水闸过流能力计算的基本原理和方法。
一、水闸过流能力的定义水闸的过流能力是指水闸在特定的流量条件下能够承受的水流量。
水闸的过流能力通常由设计流量来确定，该设计流量是根据该水闸所在水体的流量特征以及相关工程需求来确定的。
二、水闸过流能力计算的基本原理水闸的过流能力计算一般采用流量方程来进行，该方程描述了水流通过水闸的流动情况。
根据连续性方程和水力学基本原理，可以得到如下方程：Q=CHH^b其中，Q表示流量，C表示局部阻力系数，H表示水头，b表示方程中的指数。
该方程根据实际情况和经验关系，可以选择不同的局部阻力系数和方程指数，从而适应不同的水闸类型和工程要求。
三、水闸过流能力计算的方法1.经验公式法经验公式法是一种常用的水闸过流能力计算方法，根据水闸的类型和结构特点，选择相应的经验公式进行计算。
这些经验公式的形式多种多样，如：勒库泽公式、鲁多尔夫公式等。
这些公式一般是基于实际水利工程的试验数据得出的，因此在一些情况下可以提供相对准确的结果。
2.物理模型试验法物理模型试验法是通过建立具有相似关系的模型，对水闸的过流能力进行试验来计算。
该方法需要进行大量的试验和测量工作，因此在实际工程中一般用于对特殊或关键水闸的过流能力进行验证和确认。
3.数值模拟法数值模拟法是通过使用计算机模拟水流在水闸中的运动过程，来计算水闸的过流能力。
该方法基于数学模型和流体力学原理，通过对水流进行网格离散和边界条件设定，采用数值方法求解流动方程，从而得到相应的流量计算结果。
数值模拟法在计算精度和计算效率方面较高，因此在现代水利工程计算中得到了广泛应用。
四、水闸过流能力计算的影响因素水闸的过流能力计算受到多种因素的影响，如：水闸的几何形状、槽型、过水坡降、阻力系数、运行状况等。
水闸工程量计算案例
水闸工程量计算案例水闸工程量计算是指对水闸工程的各项工程量进行测算和计算，以确定工程所需的材料、人工和设备的数量，为工程的设计、施工和投资提供依据。
下面是水闸工程量计算案例的十个实例：1. 泄流量计算：根据设计要求和水闸的特点，计算水闸的泄流量。
泄流量的计算需要考虑水闸的几何尺寸、水头差、流量系数等因素。
2. 进水流量计算：根据设计要求和水闸的特点，计算水闸的进水流量。
进水流量的计算需要考虑水闸的几何尺寸、水头差、流量系数等因素。
3. 水闸尺寸计算：根据设计要求和水闸的功能，计算水闸的尺寸。
水闸尺寸的计算需要考虑水闸的泄流能力、进水能力、闸门尺寸等因素。
4. 闸门数量计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸所需的闸门数量。
闸门数量的计算需要考虑水闸的功能、流量要求等因素。
5. 闸门尺寸计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸闸门的尺寸。
闸门尺寸的计算需要考虑水闸的泄流能力、进水能力、闸门数量等因素。
6. 闸室尺寸计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸闸室的尺寸。
闸室尺寸的计算需要考虑水闸的功能、闸门尺寸、闸门数量等因素。
7. 闸门重量计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸闸门的重量。
闸门重量的计算需要考虑水闸的材料、尺寸、密度等因素。
8. 闸门运行力计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸闸门的运行力。
闸门运行力的计算需要考虑水闸的水头差、闸门尺寸、闸门重量等因素。
9. 闸门启闭时间计算：根据设计要求和水闸的尺寸，计算水闸闸门的启闭时间。
闸门启闭时间的计算需要考虑水闸的水头差、闸门尺寸、闸门运行力等因素。
10. 水闸总工程量计算：根据水闸的各项工程量计算结果，计算水闸的总工程量。
水闸总工程量的计算需要考虑水闸的各项工程量计算结果以及其他相关因素。
通过对水闸工程量的计算，可以有效地指导水闸的设计、施工和投资，确保水闸工程的质量和安全。
同时，水闸工程量计算的准确性和严谨性也是保证水闸工程顺利进行的重要因素。
水闸设计过水流量和水闸设计规范毕业论文
水闸设计过水流量和水闸设计规范毕业论文1 工程概况1.1 基本资料新东港闸是一座拦河闸，防洪保护农田45万亩。
设计灌溉面积5.3万亩。
设计排涝面积40万亩。
起着引水灌溉和防洪排涝的重要作用。
1.1.1 建筑物级别根据水闸设计过水流量和水闸设计规范（SL-265-2001）的平原区水闸枢纽工程分等指标知本工程规模属于中型，其建筑物级别为3级。
1.1.2 孔口设计水位孔口设计水位组合见表1-1。
表1-1 孔口设计水位组合表1.1.3 消能防冲设计消能防冲设计水位组合见表1-2。
表1-2 消能防冲设计水位组合表1.1.4 闸室稳定计算闸室稳定计算水位组合见表1-3。
表1-3 闸室稳定计算水位组合表1.1.5 地质资料本拦河闸持力层为局部含砂砾，含铁锰质结核及砂礓的棕黄夹灰色粘土、粉质粘土，可塑—硬塑状态，中压缩性，直接快剪c=55kPa ，φ=17°。
地基允许承载力220kPa 。
1.1.6 回填土资料回填土采用粉砂土，其内摩擦角17,0c ϕ==，湿容重3/18m kN ，饱和容重为3/20m kN ，浮容重3/10'm kN =γ。
1.1.7 地震设计烈度地震设计烈度：7。
1.1.8 其他上下游河道断面相同均为梯形，河底宽分别为40.0m ，河底高程4.2m ，边坡1:2.6。
河道堤顶高程与最高水位相适应。
两岸路面高程相同8.2m 。
交通桥标准：公路Ⅱ；双车道。
1.2 工程概况东新港闸主要作用是引水灌溉和防洪排涝。
该闸为开敞式钢筋混凝土结构，共5孔，每孔净宽 6.0m 。
闸墩为钢筋砼结构，边墩和中墩厚为 1.0m ，缝墩厚 1.2m ，闸室总宽36.40m 。
闸底板为砼结构整体式平底板，顺水流方向长16.0m ，底板厚1.5m ，顶高程与河底同高为▽4.20m 。
钢筋砼铺盖长18.0m ，厚0.5m ，顶高程▽4.20m ；下游消力池为钢筋砼结构，厚0.8m ，池长19.0m ，顶高程▽3.5m 。
过闸水流的特点
过闸水流的特点
主讲人陈
诚
专业带头人 副 教 授
监理工程师 造价工程师
2014.09
复新河节制闸
姜唐湖分洪闸
城西湖退水闸
荆江分洪闸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
哈灵水道挡潮闸
引滦入津进水闸
过闸水流的特点
1.水流形式复杂 初始泄流时→闸下水流流量小，水深浅，过闸水流为孔流，闸后水流
一般为自由出流； 开度增大→闸下出流由孔流过度到堰流，自由出流过度到淹没出流。 孔流时闸门会产生严重振动 he/H<0.1，门体振动最为强烈, 应避免停留在这个位置 he/H<0.15，门前出现强度不大的凹陷漩涡 he/H≈0.2，形成脉动的吸气漏斗 he/H≈0.3，开始形成串通吸气、垂直漩涡，应避免闸门停留在这个位置 he/H≈0.4～0.5，门前形成激烈的主轴漩涡和吸气漏斗
谢谢各位！
主持单位:
黄河水利职业技术学院 福建水利电力职业技术学院 湖南水利水电职业技术学院
参建单位:
杨凌职业技术学院 四川水利职业技术学院 山西水利职业技术学院 长江工程职业技术学院 重庆水利电力职业技术学院
宽顶堰 实用堰
堰流 堰流
e/H=0.65 e/H=0.75
孔流 孔流
hc hs 自由出流
hc hs
淹没孔流
2.闸下波状水跃
原因 条件 特点
措施
水闸上、下游水位差小
当出闸水流的佛汝德数Fr=1~1.7 水跃无明显旋滚，呈一系列逐渐消失的波浪形态的水流，消 能效果差。主流集中，产生侧向回流，单宽流量增加，对下 游产生严重冲刷。
延长闸底板，设在底板末端设置小槛
动画
动画
3. 闸下折冲水流 折冲水流 出闸水流不能均匀扩散，主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞， 形成折冲水流 原 因 工程布置不当，操作运行不当
浅谈淹没出流过闸流量
浅谈淹没出流过闸流量防汛是一个经久不衰的话题，防汛调度的正确与否直接关系着人民财产、城市建设的安危。
本文通过计算得出过闸流量希望可以为防汛调度提供参考。
控泄，即闸门部分开启，水流由闸门下缘的孔口流出，这种水流的状态叫做闸孔出流。
敞泄，闸门完全开启，闸门对水流不起控制作用，水流自由下泄，这种水流状态称为堰流。
闸孔出流由于受到了闸门的控制，闸孔上下游的水面是不连续的。
堰流由于闸门对水流不起作用，水面线为一条光滑的降落曲线。
而且由于水闸壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。
但实际中，对于同一过流闸门，在某种条件下属于闸孔出流，在另外的条件下又属于堰流。
其转化条件主要跟闸孔的相对开度、闸门型式、上游涨水等有关。
计算过闸流量时，需先判断水流状态：≤0.65 为闸孔出流；>0.65 为堰流。
以某闸为例，共25孔工作闸门（其中中孔23扇，边孔2扇，每孔净宽9.5m），闸底板与河道齐平，闸门为平板钢闸门，根据调度预案，当水位达到3.5m（大沽）时，开始提闸泄水，闸前水深约为2.5m。
假设闸前水深为5m，闸孔开度为1m，试求下游水深为3.5m时通过闸孔的流量。
首先，判断水流状态：因为= =0.2<0.65，故判断水流状态为闸孔出流。
然后，判别闸孔出流的性质：当水流行进闸孔时，在闸门的约束下流线发生急剧弯曲，出闸后，流线继续收缩，约在（0.5～1）处出现水深最小的收缩断面。
收缩断面的水深一般比临界水深小，水流为急流状态。
闸后河道中的下游水深一般大于临界水深，水流呈缓流状态。
水流从激流到缓流时，要发生水跃，水跃的位置随下游水深而变。
假设收缩水深的跃后水深为，则有：当≤ ，水跃发生在收缩断面处或者收缩断面下游，此时下游水深的大小不影响闸孔出流，称为闸孔自由出流。
当> ，水跃发生在收缩断面上游，水跃旋滚覆盖了收缩断面，此时通过闸孔的流量随下游水深的增大而减小，称为闸孔淹没出流。
根据诺科夫斯基应用理论分析方法，求得在无侧收缩的条件下，平底无坎平板钢闸门的垂直收缩系数与闸孔相对开度的关系：随着相对开度的增加而加大，如表1所示。
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收稿日期:2002-07-29作者简介:吴门伍(1976-),男,四川安岳人,硕士研究生,从事水力学及河流动力学研究.文章编号:1671-8844(2003)05-051-04大和水闸过闸流量分析吴门伍,陈 立,周家俞(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072)摘要:着重考虑了闸上下游行近段的河道形态对水流结构的影响,即当行近水流流向偏离水闸纵向轴线时,回流、过闸水流的不对称等将降低水闸的过闸能力.根据观澜河大和水闸的实验结果,分析了回流、过闸水流的不对称等影响闸孔过流能力的规律.在此基础上,根据实验结果,给出了修正的计算公式,检验结果表明所建立的修正公式较适用大和水闸过闸流量的计算.关键词:水闸;闸孔出流;回流;过闸流量中图分类号:T V132+.13 文献标识码:AAnalysis of water discharge through Dahe sluiceWU Men -w u ,CHEN Li ,ZHOU Jia -yu(State K ey Labo rato ry of Water Resources and Hydropower Engineering Science ,W uhan U niversity ,Wuhan 430072,China )A bstract :The influence of the channel forms near the sluice 's upperstrem and dow n stream on the flow struc -ture is mainly considered ,i .e .,w hen flows direction of the progressive flow departure the sluice log nitudinal axis ,back flow and asymmetry of the flow throug h the sluice w ill decrease the w ater discharge .The law s of the back flow and its asymmetry that influences the discharge have been analyzed based on the experimental data of Dahe sluice at the Guanlan River .The experimental results show that the modified calc ulation formula of the w ater discharge of Dahe sluice is reasonable and has enough accurac y .Key words :sluice ;flow out of gate ;back flow ;w ater discharge through sluice 水闸在引水工程、泄水工程、水位流量控制工程中应用广泛.闸孔出流流量的精确确定又是保证工程安全运行、发挥应有效益的关键.影响闸孔出流流量的因素很多.闸门类型、闸底坎形式、闸门上下游水深及其差值、出孔水流是否受下游水深影响、闸门宽度、闸门开启度、闸上游行近段的河道形态等都将影响闸孔出流量的大小.对于较为平顺的闸孔出流,文献[1]、[2]等都做了一定研究,得到了一些理论公式.但是由于闸孔出流具有很强的三维特征,特别是受到闸上下游行近段的河道形态的影响时,其能量(水头)损失的机理及规律异常复杂,所以目前的研究成果还不能给出适合所有情形的表达式.本文采用理论分析与模型实验相结合的方法进行研究,找到影响闸孔出流流量偏离与闸门上下游水位、闸门开启度等因子的关系,建立它们之间的定量关系式.在理论分析的基础上,采用模型实验的方法,模拟了水闸及其上游河道,研究了不同闸前水位、闸门开启度、不同流量条件下水闸实际过闸流量,给出了确定水闸过闸流量的方法.1 工程概况大和水闸位于深圳市观澜河上,与提水泵站和观澜水库组成观澜引水工程.由于观澜水库的库容第36卷第5期2003年10月武汉大学学报(工学版)Engineering Journal of W uhan U niversity Vo l .36N o .5Oct .2003不能满足当地工农业用水需要(加高改造后为1800×104m3,改造前仅为900×104m3),因此需要在每年4～10月间,当雨季(暴风雨、台风雨)来临时,根据水质情况水闸下闸蓄水,通过引水渠和提水泵站将水闸内的蓄水抽到观澜水库,为观澜、龙华两镇供水的观澜水厂补充自来水水源.大和水闸为有坎宽顶堰无胸墙4孔弧形门水闸,水闸长70m,最大闸高为10.5m,闸门尺寸(长×高)为10m×5.3m.其工程特性如表1所示.表1 大和水闸工程特性序号名称单位技术指标1水闸以上流域面积km2118.82水闸有效库容104m353.73正常蓄水位m40.5004设计洪水位(P=0.05)m41.0005校核洪水位(P=0.02)m41.7006最大泄洪流量m3/s998.07泄洪闸门尺寸m10×5.38最大闸高m10.5009水闸长度m70.0 在实际调度运行中,由于大和水闸位于观澜河上,因此在满足引水的同时,还必须考虑观澜河的正常泄洪。
当上游来流流量超过提水泵站的引水流量时,水闸必须开启闸门泄洪。
闸门的开启度应该在满足泄洪需要的同时,保证提水泵站最大限度地抽水,因此需要准确确定闸门开启度与过闸流量之间的关系,否则就会造成或者水闸开启过大,影响引水工程效率;或者水闸泄洪能力不足,导致洪水漫闸、危及水闸安全及造成水闸上游洪水损失。
考虑到大和水闸的实际运用情况,本文着重研究了大和水闸闸孔自由出流和淹没出流的情况.2 模型设计及实验2.1 模型设计2.1.1 模型设计原则(1)传统的水闸模型属于水工水力学模型,一般不考虑上下游河道的影响.而本河段由于问题的针对性很强:水闸过闸流量的大小受到上游河道影响比较大,所以在进行模型设计及实验时必须考虑上下游河道.(2)由于大和水闸属于河道型水闸,必须考虑河道的泄洪问题.而在一定闸门开启度条件下水闸过流能力还受到下游河道水位的影响,因此进行模型设计及实验时还必须留有足够的下游段以控制闸下游水位.(3)大和水闸总长度为70m,其中过流弧形闸门4个,总宽度为40m;水闸高度为10.50m.考虑到模型制作的精度以及本模型还要考虑上下游河道影响的实际情况,模型应该为正态,河道的河床为定床,其几何比尺确定为50比较合适.2.1.2 模型比尺计算针对水闸的实际情况,采用λl=λh=λ=50.由惯性力重力比相似可以得到流速比尺:λu=λ1/2l=7.07 由水流连续可以得到流量比尺:λQ=λlλhλu=17675其中:λl、λh分别为水平几何比尺和垂直比尺;λ为几何比尺;λu为流速比尺;λQ为流量比尺.水闸模型采用有机玻璃材料制作,现有的研究成果表明:有机玻璃材料制作的水闸能够满足阻力相似.河道模型采用混凝土制作.河道地形按照水闸设计使用的1/1000河道地形资料制作.由于缺乏河道水下地形资料,因此模型制作时在2条水边线之间人为塑造出深槽,深槽的深泓高程取低于水闸底板高程0.5m进行制作.上游河道的模拟范围为包括上游急弯在内的约200m河道.由于缺乏下游河道的地形资料,而且下游主要是控制水位,所以在海漫以下未按照河道地形资料塑造河床,而只是用粗颗粒铺设河床,与尾门一起调节控制下游水位.2.2 实 验根据大和水闸的实际运用情况,本实验对于同时开启2闸和同时开启4闸的两种开启状况,有针对性的做了一系列实验,实验组次如表2.模型由供水系统、流量测量控制系统、河道模型、水闸模型、回水系统组成.模型流量采用精度较高的三角流量堰控制,精度可以达到1%;水位测量采用水位测针,精度为0.01mm(即原型精度为0.5mm);垂线平均流速测量采用M LV-1流速仪.实验时,当闸门开启度较小的时候,控制水闸下游自由出流;当闸门开启度较大时,由自由出流逐渐过渡到淹没出流.2.3 实验结果分析自由出流情况下实际过闸流量与计算值的对比:(1)无论开度如何,也无论流量大小,水闸实际过流能力小于计算值.52武汉大学学报(工学版)2003表2 水闸模型实验组次工况闸门开启度/m闸上水深范围/m闸下水深范围/m过闸流量范围/m3·s闸下游工况4 孔 同 时 启 闭0.154.9～6.4837.5～44.8自由出流0.252.175～8.93537.5～84.2自由出流0.51.85～9.0169.0～171.0自由出流12.175～8.37135.6～304.1自由出流1.52.265～8.675205.7～446.0自由出流22.86～8.7651.605～5.395309.9～570.8自由/淹没出流2.53.805～8.565451.6～702.0自由出流34.25～8.244.095～5.85567.6～766.4自由/淹没出流45.925～8.994.56～6.95793.7～1028.5淹没出流55.9～9.1155.62～7.915793.7～1014.8淹没出流66.935～8.8656.65～8.635820.6～1011.2淹没出流77.3～9.1357.115～8.64777.3～986.0淹没出流2孔同时启闭0.250.511.985～6.9553.055～8.264.075～6.98516.7～34.343.5～77.398.2～137.3自由出流自由出流自由出流 (2)相同开度情况下,水闸实际过流流量与计算值的差别随着水位的升高而增加.(3)相同的流量条件下,随着闸门开启度的增加,水闸实际过闸流量与计算值的差别增大.对于淹没出流的情况,也存在着与自由出流的相似情况.图1所示为4闸全开、开度e=1.5m时闸前流速分布图,由图1可知,产生上述现象的原因包括:①由于水闸闸前存在着大范围的回流,回流的存在挤占了过闸水流的有效过流宽度,因此减小了水闸过闸流量.②由于过闸水流的流向与水闸纵向轴线有一定的夹角,所以水流流向与闸墩轴线有一定夹角,从而加强了水流的紊动,增大了过闸水流能量的损失,因此水闸过闸流量减小.结合前面的分析可以得到以下结论:上游河道与水闸纵向轴线的夹角是造成大和水闸实际过流能力下降的主要原因.正是由于夹角的存在,使得过闸水流流向与闸墩轴线之间不重合、不平行,即过闸水流不规顺,增大了过闸水流的紊动强度和能量损失,降低了实际过闸能力.夹角的存在也造成了水闸闸前大范围的回流,回流的形成将减小闸前过流宽度,从而也降低了水闸过流能力.3 大和水闸过闸流量计算公式根据实验结果及以上分析,对自由出流和淹没出流的过流能力计算公式[1]进行了修正,在此基础上,提出了大和水闸过闸流量确定的方法.3.1 淹没出流与自由出流的判别考虑到在实际应用中难以测量行近流速,本文将文献[1]中的淹没出流与自由出流判别公式中的计入行进流速水头时的堰顶水头H0改为堰顶水头H.根据实验,本文确定了判别淹没出流与自由出流的标准:当闸孔自由出流时h th ch th c+1≤4φ2H hc-1(1) 闸孔淹没出流时h th ch th c+1>4φ2H hc-1(2)式中:φ为0.90;h t为下游水深,m;H为堰顶水头,m;h c为εe;e为闸门开启高度,m;ε为垂向收缩系数,由文献[1]拟合为下式.ε=6.0×10-7α3-6.0×10-5α2-0.0028α+0.9325(3)式中,α是指弧形闸门底缘的切线与水平线夹角, (°),由下式计算[1]:cosα=C-3R(4)其中:C为弧形闸门转轴的高度,m,C=4.7m;R 为弧形闸门的半径,m,R=6.1m.3.2 过闸流量计算公式由于实际流量和经验公式的计算结果存在偏差,因而,大和水闸的过闸流量计算公式,主要是对文献[1]中的计算公式进行修正:Q0=53 第5期吴门伍等:大和水闸过闸流量分析图1 e =1.5m 时闸前流速分布图式中:Q 0为过闸流量,m 3/s ;n 为闸门开启孔数,对于大和水闸n =4;b 为闸孔净宽,m ,b =10m ;μ0为流量系数,μ0=0.97-0.258π180α-0.56-0.258π180αeH(6) 根据实测资料拟合得到水闸自由出流时实际过流流量的计算公式:Q Z =k 1Q 0+k 0(7)式中:Q Z 为闸孔自由出流时实际过流流量,m 3/s ;k 1=-0.0364e 5+0.2872e 4-0.84e 3+1.1427e 2-0.7995e +1.0713;(8)k 0=12.837e 5-97.053e 4+262.98e 3-283.85e 2+141.59e -27.043.(9)由此,得到水闸淹没出流时实际过流流量的计算公式:Q Y =C 1δ0Q 0H-C 0(10)式中:Q Y 为闸孔淹没出流时实际过流流量,m 3/s ;C 1=1.7005e 2-19.957e +76.262;(11)C 0=15.16e 3-128.59e 2-137.22e +2435; (12)δ0为淹没系数,δ0=1-h t H1-e εH .(13)3.3 计算公式的验证图2(a )、(b )分别是自由出流和淹没出流时实测值与拟合值的验证图.图2 实测值与拟合值验证图 从验证的结果看,在所提出的确定自由出流情况下,实测值与拟合值的效果比较好,其中流量最大误差只有2%;对于淹没出流情况,由于上下游水(下转第78页)荷载分项系数和可变荷载分项系数.本文建议的γG=1.3,γQ=1.5的荷载分项系数取值方案,不仅可使我国规范的安全度设置水平与国外的安全度设置水平相近,而且可使γQ/γG的比值控制在较合理的范围内.(3)当取γG=1.3,γQ=1.5时,似可不再考虑结构的重要性系数γ0,这不仅方便了设计应用,而且与国外做法相一致,便于与国际先进规范接轨.参考文献:[1] 陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].建筑结构,1999(1):3-6.[2] 蒋莼秋.关于发展和完善结构设计安全度问题的探讨[J].工程建设标准化,1999(3):35-37.[3] 陈基发.如何看待结构的安全度[J].工程建设标准化,1999(6):25-28.[4] 李顺明,胡德炘.我国建筑结构设计可靠度设定水平的分析与改进意见[J].建筑科学,1999(5):26-29. [5] 陈雪庭.要区别对待“大幅度提高我国各种建筑结构设计的安全度”[J].建筑科学,1999(5):32-33,35. [6] 戴国欣,夏正中,黄友明.钢结构规范安全度及相关问题评述[J].建筑科学,1999(5):34-35.[7] 侯建国,李春霞,刘晓华,等.关于荷载分项系数的修订建议[J].工程建设标准化,2000(5):34-36.[8] GBJ17-88,钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,1989.[9] Loads and Resistance Factor Desig n Specification[S].American Institute of Steel Constructions,Chicag o,1993.[10]李进军译.英国钢结构规范BS5950第一部分:热轧钢简支和连续结构设计介绍(Ⅰ)[J].建筑钢结构进展,1999(1):55-60.(上接第54页)位及水位差同时影响水闸过流能力,因此所确定的统一计算公式计算精度较差,相对误差较大,达到了20%.4 结 语闸孔出流虽然有一些经验公式,但是这些公式还不适合所有情形的水闸,特别是对于闸前水流结果比较紊乱时,还没有较好的解决方法.通过实验研究发现,大和水闸过流能力由于上游河道所造成的闸前回流、流向与水闸纵向轴线偏角大于0和流速分布不对称而降低,小于理论值.这偏小是系统性的.通过模型实验可以确定大和水闸自由出流实际过流流量与理论计算值的关系,当过闸水流为自由出流时,可以采用本文建立的自由出流计算模式计算,并且具有很高的精度,最大误差只有2%.当过闸水流为淹没出流时,也可以采用本文建立的淹没出流计算模式进行计算.虽然偏差较大,达到20%,但是计算模型简单,基本上也能够适用于大和水闸.参考文献:[1] 武汉水利电力学院水力学教研室.水力学下册[M].北京:高等教育出版社,1987.[2] 清华大学水力学教研组.水力学下册(1980年修订版)[M].北京:人民教育出版社,1981.。