田關(guān)閘自由堰流流量系數(shù)率定分析

龔波濤 楊愛華

1、綜合說明

1.1 概述

田關(guān)閘是四湖流域上區(qū)用于防汛抗旱兩用涵閘，是控制荊門、荊州、潛江經(jīng)長湖調(diào)蓄后匯入田關(guān)河的來水，及引入東荊河進行灌溉。工程的永久性建筑結(jié)構(gòu)形成了水流穩(wěn)定可靠的邊界條件，對研究閘孔出流條件，水力影響因素，分析和建立相關(guān)因素關(guān)系，運用水力學原理推求過閘流量，及區(qū)域內(nèi)的水情測報和水文預報都有十分重要意義，同時對資源合理的有效配置和水量調(diào)度又有著準確的科學依據(jù)。因此，通過多年收集的流量資料對自由堰流進行如下分析。

1.2 田關(guān)閘基本概況及功能

田關(guān)閘位于潛江市境內(nèi)，距市郊西11公里，東荊河右岸，田關(guān)河與東荊河交繪處，東經(jīng)112°49′03〞，北緯30°23′48〞。田關(guān)閘原名為紅軍閘，“文革”后期更名為田關(guān)閘。紅軍閘（老閘）1960年建成，因閘基地質(zhì)不當，操作不規(guī)范，導致閘身拱頂開裂，基礎(chǔ)下滑，嚴重威脅涵閘安全，1964年經(jīng)省政府批準，廢除老閘，重建新閘（現(xiàn)閘）。1964年11月開基，于1965年5月使用。啟閉臺為堅井式，螺桿式啟閉機啟閉。原裝配手搖式啟閉機50噸、30噸各4臺。1980年將4臺30噸啟閉機更換為50噸，并全部改裝成手、電兩用啟閉機。

田關(guān)河為人工河道，于1958年10月開挖，為了引長湖水灌溉后湖、周磯等地的農(nóng)田，同時也成為四湖上區(qū)的泄洪河道，田關(guān)閘的主在功能是在當時的水利大建設(shè)的背景下，逐步形成了對四湖地區(qū)的荊門、荊州、潛江部分面積共3240km2其900萬余畝糧田漬水由長湖調(diào)蓄后經(jīng)田關(guān)河，田關(guān)閘排入東荊河；如遇干旱年份，田關(guān)閘可由東荊河引水供四湖中區(qū)的潛江、監(jiān)利部分農(nóng)田100萬余畝的灌溉抗旱。

1.3 田關(guān)水文站的基本情況及功能

田關(guān)水文站始建于1963年5月，為國家基本水文站，長江流域內(nèi)荊河水系，站類精度為二類，與田關(guān)閘同處。老閘在新閘上320m處，老閘廢棄后，在新閘重新設(shè)立斷面。早期觀測項目有水位、流量、降水、蒸發(fā)，現(xiàn)今觀測項目為水位、流量、降水、土壤墑情及地下水、田關(guān)周邊區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測。田關(guān)水文站的主要功能是監(jiān)測田關(guān)河進出的水量；收集代表田關(guān)區(qū)域的降水量資料；收集當?shù)氐耐寥篮考暗叵滤毁Y料；對田關(guān)河、東荊河進行水質(zhì)監(jiān)測等，為上級防汛機構(gòu)提供防汛抗旱、實時水情、用水安全的決策依據(jù)。

1.4 水文氣象特征

潛江市屬亞熱帶季風氣候區(qū)，光照充足、熱量豐富、雨量充沛、四季分明雨熱同季。以田關(guān)水文站為代表，年平均氣溫為16.2℃，降水主要集中在4～9月，約占年降水量的70%左右，多年平均降雨量為1178mm，最大年降水量1616.1mm（1983年），最小年降水量737.8mm（1966年）。年均氣溫為15.9～16.2℃，極端最高氣溫達38℃，最低氣溫-16.5℃；田關(guān)河歷年最高水位為33.04m，最大瞬時流量為314 m3/s，最大年徑流量15.67×108 m3。

境內(nèi)水量充沛，多年平均徑流深370mm，主要過境河流有漢江、東荊河，多年平均過境水量500.1億m3。因受季風影響，降水年際變化較大，時空分布不均，暴雨出現(xiàn)頻率較高，導致洪澇災害時有發(fā)生。境內(nèi)主要為平原湖區(qū)，洪水與暴雨相應(yīng)，持續(xù)時間長，影響范圍廣，易形成外洪內(nèi)澇。

2、流量測驗的基本情況

2.1 測驗斷面

測驗斷面位于閘室上游170m處，斷面上游河段順直為U型河槽，2012年5月田關(guān)閘上斷面經(jīng)重新整治，左岸為混凝土護坡，右岸為拋拋石，河床由砂壤土組成。2006年至2012年大斷面為原斷面，2013年至2014年為整治后的斷面。斷面河床穩(wěn)定，無明顯沖淤變化；測驗斷面上游150m為廢棄老閘，對測驗斷面有阻流影響。距閘室下游150m內(nèi)有護坡，河床有拋石，300m為東荊河，上下游河斷順直均無漫灘。

2.2 流量測次的控制

自由堰流以上游水頭作為相關(guān)因素，在水流關(guān)系穩(wěn)定的前提下，每年從出現(xiàn)該流態(tài)開始施測，在此之后，一般hu變幅在0.25左右進行施測，必要時在相同相關(guān)因素下或變幅小于0.25時進行施測。

2.3 流量測驗的方法

采用流速儀法與水工建筑物法相結(jié)合。即通過對過水斷面采用流速儀進行流理的測驗，再選擇合適的水力學公式來反推流量系數(shù)，通過長期的流量測驗對各種流態(tài)的系數(shù)進行收集，當積累到期一定數(shù)量時，再對同流態(tài)的系數(shù)進行綜合分析，進行流量系數(shù)的綜合率定。

3、流態(tài)的判別

3.1 堰孔流態(tài)界定

堰流與孔流的是以閘門是否出水來進行界定的。一般閘門提出水面為堰流，出流為堰頂控制，取27.08m計算閘上水頭（hu）；閘門不出水為孔流，出流為閘底控制取26.45m計算閘上水頭。對于通過閘上水頭計算，出現(xiàn)閘門介于提出水面或不出水時的臨界狀態(tài)時，通過多年實測資料分析及堰孔流理論判別值，當e/hu≥0.65且e≥hl（閘下水頭）為堰流，反之為孔流。

4、公式的選用與關(guān)系曲線的建立

4.1 公式的選用

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）。田關(guān)閘自由堰流采用堰閘流量系數(shù)計算公式，即：Q=C1×B×hu3/2

4.2 關(guān)系曲線的建立

本次率定由堰采用2006～2014年資料進行分析，均滿足《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》（SL537-2011）第3.3.1條規(guī)定。實測流量資料為56次，實測最高相關(guān)因素3.95，最低相關(guān)因素0.78，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）3.4.2，本次率定采用2014年8測次的流量資料進行校核。

5、結(jié)論

由于該站水工建筑物穩(wěn)定，多年水力因素關(guān)系無顯著變化，按照《水文巡測規(guī)范》（SL195-97）2.2.5.7和2.3.5的規(guī)定，則該站自由堰流相關(guān)因素hu在0.70～4.00范圍內(nèi)流量可以間測。