固镇闸站淹没孔流水位流量关系分析_刘玉.pdf

理论研究水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.039固镇闸站淹没孔流水位流量关系分析刘玉(蚌埠水文水资源局，安徽 蚌埠 233000)摘要:为了水利工程防汛抗旱、水资源管理和水质监测，及时为地方各级领导及水行政主管部门提供水文情报和分析资料;通过对浍河固镇闸水文站在 20032019 年实测水位流量资料分析，采用 CAD 作图工具和整编软件进行单一线定线分析;对固镇闸淹没孔流下水位流量关系进行分析演算，该关系线通过定线精度和假设检验，满足水位资料整编规范精度要求。计算水位流量关系曲线在实际生产应用中是具有实际意义。关键词:测站特性;水位流量关系;单值化中图分类号:TV133文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0149-03收稿日期:2022-09-28作者简介:刘玉(1971 年)，男，工程师。E-mail:L从水力学原理角度出发，在处于淹没孔流流态状态时闸孔内部的平均水流速度与上下游的水位差之间存在密切关联。从水文学角度而言，实测水位流量相关资料是确定上述关系的主要依据，在对闸流量进行推算后，可以有效减轻在后续进行测验工作的工作强度，进而在此基础上有效提升高流量计算精密度。本次研究中所使用的水位流量资料为浍河固镇闸水文站在 20002019 年的有关实测数据，在此基础上借助 CAD 作图工具与数据整编、汇总软件对参与此次实证研究所涉及数据的内在逻辑关系行单一线定线性分析，并于淹没孔流流态情境下对该水文站周边区域上下游间水位差与闸孔平均流速间所存在的规律性逻辑关联进行分析，在此基础上依据 SL247水文资料整编规范1，对水文数据本身的关系线进行假设性验证检验以及精度检验，检验结果表明该成果符合标准规范要求。1概述1.1测站概况固镇闸水文站位于安徽省固镇县固镇闸。该站位于浍河下游段，控制流域面积 4541km2，二类精度站，本站距下游河口距离为 20km。固镇闸水文站建于 1935 年 5 月。建站以来至 2014 年 12 月采用冻结 基 面，冻 结 基 面 与 黄 海 基 面 较 差 值 为0.106m;2015 年至今采用冻结基面，冻结基面与 85 基准基面较差值为 0.238m。此次测量过程中，降水量、蒸发量、水位实测情况以及水流流量、悬移质泥沙、水质、墒情等均为测量内容。主要任务是防汛抗旱、水资源管理和水质监测，及时为地方各级领导及水行政主管部门提供水文情报和分析资料。收集的水文资料是水利、城建、防洪规划的基本依据，为水资源评价、水环境监测、水土保持等提供技术服务，为防洪、抗旱、生态安全担负着可靠的技术支撑。1.2水利工程情况固镇闸同时兼具航运、灌溉以及防洪等功能，是典型的综合利用式水利枢纽工程。建于 1958 年10 月，闸 门 9 孔，孔 宽 为 4m，闸 底 高 程 为12.82m。1994 年 6 月扩建固镇闸 12 孔，孔宽 5m，闸底高程为 11.39m。闸上正常蓄水位 16.50m，设计水位 17.50m，设计泄洪量 1015m3/s，校核流量1537m3/s。临涣集水文站建设在距该工程上游95kn，建筑周围设施直接受到蕲县、南坪两座节制闸影响。1.3测验河段及测验断面情况测验河段系天然河道，顺直长度为 800m，距固镇闸闸上游 2km 处有浍澥引河，设有薛庄水文站控制浍澥两河串流水量。2007 年 8 月浍澥引河入浍河口1km 处新建节制闸1 座，其闸为1 孔，孔宽为 4m。测验断面左岸多滩地，右岸较陡直。在测验断9412023 年第 2 期水利技术监督理论研究面上游 30m 处有新建滨河公园，当闸下游水位大于 14.60m 会直接造成阻水影响。测验断面下游 50m 处建有固镇浍河公路大桥，大桥共有 16 孔，桥墩上游 2 5m 范围内水流较平稳、无急剧的壅浪、漩涡、无分流、岔流、回流等现象。固镇闸水文站大断面见图 1 所示。图 1固镇闸水文站大断面图1.4水文特性及水位流量关系影响因素固镇闸水文站洪水来源主要为浍河上游暴雨洪水，多为复式洪峰，洪量大、峰型平缓，水位流量关系呈绳套曲线。该站流量主要受上游暴雨洪水涨落和固镇闸门开启的共同影响，水位 流量关系比较复杂。本站历年水文特征值统计见表 1。2水位 流量单值化分析2.1分析依据(1)GB 5017993河流流量测验规范;(2)SL 19597水文巡测规范;(3)SL 2472012水文资料整编规范。2.2基本公式的确定由于固镇闸站水位 流量关系主要受洪水涨落影响和闸门开启影响，鉴于这一测站特性，通过优选分析孔流采用水力因素 堰闸流量系数比较合适2。具体为:用固镇闸上游站水位与闸下游水位差，下游水头、闸门开高、开宽作为影响因素;该站淹没孔流采用自编公式，相关计算公式如下:淹没孔流Q=CBehl式中，Q流量;C淹没孔流流量系数;hl下游水头;B闸门开启总宽;e闸门开启高度。相关因素为 Z，流量系数为 C。分析所用资料中，闸门开启孔数不等，开启高度为平均值3。2.3单值化分析资料及结果2.3.1CAD 定线本次研究借助 CAD 软件面向闸孔平均流速同枢纽站上下游水位差间的内在关系线进行绘制，其具体流程为:通过 Excel 数据表格内部所拥有的数据统计与批量处理等功能，将实测区域上下游水位差同闸孔平均流速坐标点的承接关系通过 CAD软件进行坐标比例的等价换算，并通过可视化功能中的展点功能绘制并展现闸孔的平均流速测点，以使其清晰展现，易于可视化4。借助样条曲线对关系线进行精准绘制。通过多段线对关系线节点进行实时查询与读取，借助 Excel 将目前为止已经查询到的关系线节点进行反算操作，同时，要明确检查关系线是否存在反曲现象，在关系线存在较为严重的反曲情景时，需要对关系线进行适当调整。由于图纸内容存在部分展现残缺，因此通过 CAD软件内部的绘图功能优化图纸内容，在对其进行完善与修改后输出并保存5。要根据固镇闸站的新闸单开同老闸混合开启有关的实测水文资料，通过CAD 绘图工具并联合数据整编软件对预期需要进行的定性分析进行展现。2.3.2新闸单开采用本站 20002019 年单开新闸淹没孔流共222 次实测流量资料，进行单值化分析，单开新闸淹没孔流系数计算成果见表 2。在淹没孔处相关实测因素 z 的整体变幅为 0.02 2.45，由此可知，周围测点的分布情况较为均匀，整体代表性较好，固镇闸站单开新闸淹没孔流单淹没孔流关系综合曲线如图 2 所示。表 1测站水文特征表水文特征项目历年最高(大)发生日期历年最低(小)发生日期多年平均水位/m19.551965.7.510.281978.6.2315.24流量/(m3/s)13401954.7.2118.71970.7.2128.2年径流量/(108m3)38.7519630.725520028.89年降水量/mm1599.52003421.11978890.8多年平均输沙量/(104t)8.16多年平均含沙量/(kg/m3)0.083多年平均输沙率/(kg/s)2.59多年最大含沙量/(kg/m3)3.82051理论研究水利技术监督2023 年第 2 期表 2固镇闸(闸下游)站孔流关系线分析(单开新闸)序号水位差 z实测流量 ci查读流量 cci(ci cci)/cci)210.10.210.220.00206611620.250.370.360.00077160530.30.390.40.00062540.420.460.5060.00826446350.510.680.5780.03114186960.60.630.650.00094674670.70.690.720.00173611180.830.870.8110.00529251890.90.920.860.004867496101.10.910.990.006529946111.20.951.050.009070295121.31.11.118.11622E-05131.411.071.180.008690032141.51.21.220.000268745151.61.271.286.10352E-05161.71.381.330.001413308171.81.391.385.251E-05181.91.441.434.89021E-051921.461.480.000182615202.111.661.540.00607185212.211.791.580.017665438222.341.671.650.000146924232.451.681.70.000138408图 2单开新闸淹没孔流关系曲线2.3.3新老闸混合开启淹没孔流单值化水位流量关系分析，收集本站 20002019 年淹没孔流共 23 次实测流量资料，进行单值化分析，新老闸混合同时开启淹没孔流系数计算及关系线检验成果见表 3。淹没孔流实测相关因素 z 变幅为 0.02 0.88，测点分布均匀，具有很强的代表性6，固镇闸站新老 闸 同 时 开 启 淹 没 孔 流 关 系 综 合 曲 线 如 图 3所示。表 3固镇闸(闸下游)站孔流关系线检验(新老闸同开)序号水位差 z实测流量 ci查读流量 cci(ci cci)/cci)210.020.130.120.00694444420.050.20.2030.060.230.210.00907029540.070.20.2270.01414737350.080.230.250.006460.110.30.3070.130.330.3283.71802E-0580.150.340.350.00081632790.20.390.40.000625100.210.430.4080.002907536110.250.450.4370.00088496120.260.440.4422.04746E-05130.290.460.4550.000120758140.360.480.4846.83013E-05150.380.490.4921.65246E-05160.440.520.5166.00925E-05170.450.530.520.000369822180.480.540.5320.000226129190.490.540.5365.56917E-05200.770.7080.6410.010925304210.880.690.6740.000563534图 3新老闸混合开启淹没孔流关系曲线2.4单值化分析成果精度2.4.1定线精度检验从实现原理角度而言，定线性精度检验具体是指在详细计算实测点同关系 线 的 标 准 误差、随机不 确 定 度 以 及 系 统 误 差 数 据 的 基 础上，对研究中所检验出的关系线进行详细分析，并验证其是否符合标准的规范要(下转第 194 页)1512023 年第 2 期水利技术监督理论研究检测试验研究J 人民长江，2021(7):1-7 2张敏，沈细中，刘巍巍，等 膨胀土岸坡和堤坝渗透失稳评判体系分析研究J 中国防汛抗旱，2021(8):11-14 3蔡峰，马爱华 塔河整治软弱基础岸坡治理方案应用研究J 水利规划与设计，2021(7):114-118 4张晶 透水混凝土抗堵塞性能室内模拟实验研究 J 水利技术监督，2021(5):12-14 5肖华波，杨静熙，王刚，等 楞古水电站岸坡稳定性及对坝段选择的影响J 人民黄河，2017(2):107-111 6崔洁 不同库水位升降速度对大坝边坡稳定性的影响研究J 水利水电技术，2017(2):155-159 7冯文刚 库岸边坡稳定性影响因素试验研究 J 河南水利与南水北调，2022，51(5):71-72，94 8李健，王平义，付中敏，等 新型生态护坡结构物理模型动床试验研究 J 水运工程，2022(2):87-94 9费晓昕，张幸农 平顺抛石护岸水毁速率试验研究J 人民长江，2021，52(11):207-211 10黎良辉，罗星，赵旭，等 降雨条件下临水岸坡失稳试验