一種特殊的平板閘門流量系數(shù)的討論

四川省都江堰管理局 黃曉川

平板閘門流量系數(shù)很重要，文獻(xiàn)[1-2]均對流量系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，文獻(xiàn)[3-7]對流量系數(shù)進(jìn)行了不同的闡述，對于平板閘門流量系數(shù)研究比較成熟，但是對于普通的閘門前有長有壓進(jìn)水口的闡述幾乎沒有，需要進(jìn)一步研究。本文將利用瀏洋水庫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對平板閘門前有涵洞的流量系數(shù)進(jìn)行擬合，盡可能將閘門前影響水流的各個(gè)因素分開，分別求出各個(gè)因素的水頭損失，然后綜合求出流量系數(shù)。

1 試驗(yàn)現(xiàn)象及公式的律定

圖1是瀏洋水庫泄水涵洞示意圖，為了便于分析，在涵洞的不同部位取了不同的斷面。圖2是瀏洋水庫水位為400.9m的3個(gè)斷面水頭線（圖上均為模型值）。另外筆者在作其它水庫水位實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的3個(gè)斷面水頭線與之類似。從圖2可以看出，隨著閘門開度的增大，2-2斷面水頭逐漸變小，3-3斷面的水頭逐漸變大，也就是說隨著相對開度增大涵洞進(jìn)水口能量損失與沿程水頭損失之和也逐漸增大，而閘門處水頭損失卻逐漸減小。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)閘門開度達(dá)到一定程度時(shí)，涵洞變成無壓洞，這時(shí)涵洞進(jìn)水口有一收縮水深，涵洞里的水面達(dá)不到洞頂，這時(shí)起控制作用的是涵洞進(jìn)水口，而不是閘門，此時(shí)閘門處水頭損失只是門槽的局部損失，相當(dāng)小。當(dāng)然這只是在試驗(yàn)中才出現(xiàn)，實(shí)際工程中是不允許的。由此可見，對于直角進(jìn)口，閘門開度較大時(shí)對于水流起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用是進(jìn)水口，搞清楚涵洞進(jìn)水口水頭損失相當(dāng)重要。

圖1 瀏洋水庫涵洞示意圖

圖2 瀏洋水庫水位和流量的關(guān)系

經(jīng)變換得出直角進(jìn)水口的經(jīng)驗(yàn)公式為

用經(jīng)驗(yàn)公式算得的值和實(shí)測值符合得較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96。

根據(jù)查得的資料發(fā)現(xiàn)若將直角進(jìn)口換成流線型進(jìn)口，如圓角進(jìn)口和喇叭形進(jìn)口，其水頭損失系數(shù)一般在0.01～0.2之間，比直角進(jìn)口小得很多。因此在設(shè)計(jì)時(shí)將進(jìn)口設(shè)計(jì)成流線型可以減少水頭損失，增大泄流量。對于防洪應(yīng)急很有好處。

2 閘門處流量系數(shù)的確定

根據(jù)水力學(xué)常用公式

圖4 與之間關(guān)系

3 流量系數(shù)的推導(dǎo)

由于

將（7）（2）式帶入（6）式得

將（8）式進(jìn)行變換得

將（5）式帶入

得

筆者用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算經(jīng)過檢驗(yàn)計(jì)算值和實(shí)測值誤差不超過6%。部分計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差見圖5。

圖5 試驗(yàn)值和計(jì)算值之間的誤差

4 結(jié)論

本文通過用實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)的方法得到了一種特殊的平板閘門流量系數(shù)的公式，為

該公式和部分實(shí)際工程數(shù)據(jù)相比，比較吻合。當(dāng)然該公式也需要廣泛運(yùn)用，以便進(jìn)一步檢驗(yàn)。

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