非恒定流条件下荆江三口分流模拟控制方式研究

第6 期
朱勇辉 等
非恒定流条件下荆江三口分流模拟控制方式研究 表1 Table 1 三口分流道控制断面堰型曲线 of the three outlets
三口控制站 新江口 沙道观 太平口 藕池口 x= μ 堰型曲线 0 ． 065 295 4 0． 226 2 y （ n － 3 / 2） = y m 2m 槡 2g 0 ． 032 778 127 0． 266 64 μ y （ n － 3 / 2） = x= y m 2m 槡 2g 0 ． 025 251 916 0． 241 67 μ y （ n － 3 / 2） = y m 2m 槡 2g 0 ． 095 202 627 0． 289 11 μ y （ n － 3 / 2） = y x= m 2m 槡 2g x=
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m = kf（ c） + k1 f1 （ c）
y = p 。 （ 3）
Formula of the weir type of control sections
y 0 ． 401 3 f（ c） + 0 ． 055 3 f1 （ c） p
“有效深度” ， 式中： p 代表堰前池的 通常等于 p0 （ 堰 ） ， 口最低点至前池底的高差 但若前池池长 L （ 顺水 流方向） 小于 4 p0 ， 可近似地取 p = L / 4 ； 对于无侧收 k 和 k1 可取为常数， 缩堰， 如采用雷伯克公式， 则k = 0． 401 3 ， k1 = 0． 055 3 。 f （ c ） 和 f1 （ c ） 为系数 c 的 关系式。
非恒定流条件下荆江三口分流模拟控制方式研究
朱勇辉，渠 庚，郭小虎
（ 长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室 ，武汉 430010 ） 摘要：长江防洪实体模型是利用世界银行贷款兴建的重大水利科研项目 。 通过理论分析与试验研究 ， 建立了适合 长江防洪实体模型的非恒定流条件下荆江三口分流模拟控制方式 。 恒定流和非恒定流条件下的验证试验研究表 明， 该模拟控制方式下荆江三口模型分流流量与分流过程均与原型相似 ， 基本满足试验精度要求 。 验证后， 该模拟 控制方式被应用于长江防洪实体模型荆江河段洪水演进特性试验研究 。 关 键 词：荆江三口； 分流； 非恒定流； 长江防洪实体模型； 曲线堰； 模拟控制 文献标识码：A 中图分类号：TV149． 2
2
2． 1
三口分流模拟控制方式的建立
幂函数曲线薄壁堰尾门控制原理
长江科 学 院 和 武 汉 水 利 电 力 学 院 （ 现 武 汉 大 学） 从 20 世纪 50 年代开始就尝试使用幂函数曲线 ［3 ， 4 ］ 。其 薄壁堰作为河工或水工模型中的尾门控制 基本原理是： 一般河道断面的水深流量关系往往接 近于幂函数， 因此， 依据河段下游控制断面的水位流 量关系， 设计出适当的幂函数曲线堰作为尾水位控 ， 制堰 使得在各级水位下相应流量由此曲线堰自动 泄放。 如图 1 所示， 幂函数曲线堰堰口曲线可设为 b x = yc ， （ 1） 2 式中 b 和 c 为系数。 依量纲分析并沿整个曲线堰积分可得通过曲线 堰的流量为 Q = m 槡 2 gby3 / 2 +c ， （ 2） g 为重力加速度。 流量系数 m 可表 其中 Q 为流量， 示为
： “枝城流量” 注 一栏中上标①、 ②代表不同时间进行的不同组次试验。
验证结 果 表 明， 试验分流量与原型实测分流 量的 相 对 差 值 一 般 小 于 ʃ 10． 0% ， 其中多数小于
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长江科学院院报
2011 年
图2 Fig． 2
太平口站三口分流自动控制 曲线堰在恒定流条件下的验证
Validation for the autocontrol curved weir
图3 Fig． 3 沙道观站三口分流曲线堰非恒定流验证 Validation for the curved weir under
unsteady flow conditions at Shadaoguan Station
流峰值出现时间试验值与原型值基本一致 ， 分流峰 值流量试验与原型相对差值均小于 ʃ 10． 0% ， 基本 满足试验精度要求。
Sketch of the curved weir
由河段下游控制断面的水深流量关系可得 Q n = μy ， n 为系数， 其中 μ， 则有 m 槡 。 （ 5） （ 6） （ 7）
3 / 2 +c
= μy
n
。
（ 4）
于是幂函数曲线堰的堰口曲线可表示为 μ y （ n －3 / 2） 。 2m 槡 2g y max 式（ 7 ） 的适用条件为 p≥0． 1 m和 ≤0． 9 。 p x = 2． 2
收稿日期：2011-04-27 （ QQ0871 / HL15 ） ； 长 江 科 学 院 科 学 研 究 基 金 项 目 基金项目：水利 部 前 期 研 究 项 目“三 峡 工 程 运 用 初 期 荆 江 河 道 演 变 与 治 理 研 究 ” （ YJJ0801 / HL01 ） ） ，男，湖南道县人，高级工程师， （ 电话 ） 027-84237931 （ 电子 作者简介：朱勇辉（ 1975博士，主要从事水力学及河流动力学方面的研究， 信箱） yhzhu75@ yahoo． com。
表2 Table 2 新江口站三口分流自动控制曲线堰 在恒定流条件下的验证 Validation for the autocontrol curved weir under steady flow conditions at Xinjiangkou Station
枝城流量 / （ m3 ·s － 1 ） 14 470 22 860 ① 22 860 ② 29 100 ① 29 100 ② 47 080 ① 47 080 ② 52 680 原型时间 20030620 20030802 20030802 20030915 20030915 20030905 20030905 19980716 分流量 分流量 绝对差值 / 相对 实测值 / 试验值 / 差值 / 3 －1 ） % 3 －1 3 － 1 （ m ·s （ m ·s ） （ m ·s ） 897 1 900 1 900 2 340 2 340 4 010 4 010 5 110 831 1 825 2 005 2 447 2 544 3 654 4 391 5 331 － 66 － 75 105 107 204 － 356 381 221 － 7． 4 － 3． 9 5． 5 4． 6 8． 7 － 8． 9 9． 5 4． 3
under steady flow conditions at Taipingkou Station
ʃ 5． 0% ， 基本满足试验精度要求。 3． 2 3． 2． 1 非恒定流条件下的验证试验 试验条件 三口分流自动控制曲线堰在非恒定流条件下的 验证选取荆江 2003 年 9 月实测流量过程， 研究时段 为 9 月 1 日 0 ： 00 至 9 月 25 日 24 ： 00 。 模型进口按 枝城实测流量过程采用电磁流量计控制施放 ； 下游 水位控制站为螺山站， 以螺山站实测水位过程采用 差动式尾门进行控制； 城陵矶汇流按洞庭湖出口七 里山实测流量过程采用电磁流量计控制施放 ； 三口 分流分别由各曲线堰自动控制。 3． 2． 2 试验结果 以沙道观和藕池口为例说明非恒定流条件下各 曲线堰分流自动控制的验证结果 ， 见图 3 、 图 4。 验证结果表明， 三口各站试验分流过程与原型 实测分流过程总体拟合较好， 各站分流量相对差值 一般小于 ʃ 10． 0% ， 其中多数小于 ʃ 5． 0% ； 各站分
该项目将通过较大范围实体模型试验并结合数学模型计算及原型资料分析等手段对三峡工程建成后长江中下游干流河道湖区河网的泥沙运动洪水演进和防洪调度等进行综合研究为长江中下游防洪规划河道整治和工程建设等提供技术依据长江防洪实体模型模拟范围为长江干流枝城至螺山河段全长约380km包括其间的主要支流三口分流道及洞庭湖区和分蓄洪区等
荆江三口分流道控制断面曲线堰的拟定 荆江三口（ 松滋口、 太平口和藕池口 ） 从长江干
流分流后分别形成松滋河、 虎渡河和藕池河流入洞 庭湖。松滋河分为东、 西两支， 其控制站分别为沙道 观站和新江口站； 虎渡河控制站为弥陀寺站； 藕池河 也分为东、 西两支， 其控制站分别是管家铺站和康家 岗站。 长江防洪实体模型河床地形依据长江水利委员 会水文局 2002 年 10 月实测 1ʒ 10 000 地形图采用断 面法制作。三口分流道控制断面曲线堰的拟定采用 2003 年汛期各控制站水位 （ 水深 ） 流量关系确定堰 5］ ）。 型曲线， 见表 1 （ 确定过程详见文献［
Fig． 4
图 4 藕池口三口分流曲线堰非恒定流验证 Validation for the curved weir under unsteady flow conditions at Ouchikou
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非恒定流条件下荆江三口分流模拟控制方式研究
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结论及建议
（ 1 ） 通过理论分析， 根据三口分流道各河段控 流量关系， 设计了适当的幂函数曲线 制断面的水位堰作为分流控制堰， 使得在干流各级流量下的相应 建立了适合长江 三口分流量由此曲线堰自动泄放， 防洪实体模型的非恒定流条件下荆江三口分流模拟 控制方式。经过恒定流和非恒定流条件下的验证试 验研究表明， 该模拟控制方式下模型分流流量与分 流过程均与原型相似， 基本满足试验精度要求。 验 证后， 该模拟控制方式被应用于长江防洪实体模型 荆江河段洪水演进特性试验研究 。 （ 2 ） 幂函数曲线薄壁堰在本研究中的应用实践 表明， 若要获得较高控制精度， 关键在于河道控制断 面水位流量关系的准确拟定以及薄壁堰堰体的精 确制作与安装。拟定控制断面水位流量关系所选取 的水文资料年份应与模型地形资料年份一致 。薄壁 堰堰体制作与安装上的细小误差将可能引起流量或 水位控制上的较大误差。 （ 3 ） 幂函数曲线薄壁堰尽管在河工和水工模型 中应用的时间较早， 但迄今为止有关其应用的相关 文献还比较少见。 本研究表明， 在暂时缺少计算机 自动控制的情况下， 通过合理分析与设计得到的曲 线堰可以应用于非恒定流条件下模型尾门水位或流 量的自动控制， 设计得当其精度可基本满足试验要 求。未来更多的研究与实践将有助于进一步了解与 掌握幂函数曲线薄壁堰的控制特点与控制精度 。 参考文献：
3
3． 1
曲线堰的验证与应用
恒定流条件下的验证试验 试验条件 三口分流自动控制曲线堰在恒定流条件下的验
3． 1． 1
证选取枯水、 中水和洪水期共 5 个流量级。 由于模 型的河床地形是根据 2002 年 10 月的实测地形制作
图1 Fig． 1 曲线堰示意图
而成， 因此， 为了尽可能使试验条件与模型河床地形 相对应， 试验选取 2003 年 4 级不同流量下原型水文 选用 1998 年 7 资料作为验证试验水文条件； 此外， 月 16 日原型水文资料进行特大洪水流量条件下的 恒定流验证。 试验进口流量以枝城实测流量作为控制流量， 下游水位控制站为石首水位站， 三口分流分别由各 曲线堰控制。 3． 1． 2 试验结果 以新江口和太平口为例说明 5 级恒定流流量下 各曲线堰分流自动控制的验证结果， 如表 2 及图 2 所示。
1
概
述
水系复杂， 模拟技术难度相当大， 尚存在一些关 广， 。 键技术问题需进一步深入研究 其中， 非恒定流条 件下荆江三口分流模拟控制方式的建立， 是正确实 施长江干流河道非恒定流验证以及洪水演进试验的 重要保证， 将对试验成果精度有重要影响。
荆江河段上起湖北枝城、 下至湖南城陵矶， 长约 347 km。河段内河道蜿蜒曲折， 洪水宣泄不畅， 汛期 洪水往往高于地面 10 余 m， 自古以来就有“万里长 江， 险在荆江 ” 之说， 近百年来已发生多次特大洪 水， 给两岸 造 成 巨 大 的 人 员 伤 亡 和 严 重 的 财 产 损 ［1 ］ 失 。 经过几十年的防洪建设， 特别是 1998 年长江大 洪水后的大规模堤防与护岸工程建设， 荆江河段防 洪能力大为提高。 三峡水库修建后， 由于水库调节 ， 作用 长江中下游年内径流分配过程将发生变化 ， 给 中下游防洪带来一系列新问题。为了研究三峡工程 建成后长江中下游的防洪形势及对策措施中的重大 技术问题， 经国家计委批准， 长江防洪模型于 2004 2005 年 12 月竣工。 该项 年 3 月在武汉破土动工， 目将通过较大范围实体模型试验， 并结合数学模型 计算及原型资料分析等手段， 对三峡工程建成后长 江中下游干流河道、 湖区河网的泥沙运动、 洪水演进 和防洪调度等进行综合研究， 为长江中下游防洪规 ［2 ］ 划、 河道整治和工程建设等提供技术依据 。 长江防洪实体模型模拟范围为长江干流枝城至 全长约 380 km， 包括其间的主要支流 （ 三 螺山河段， 口分流道） 及洞庭湖区和分蓄洪区等。 模型的平面 比尺为 1ʒ 400 ， 垂直比尺为 1ʒ 100 。 长江防洪实体模型由于所研究的对象涉及范围
第28 卷第6 期 2 011 年6 月
长 江 科 学 院 院 报 Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Vol． 28 No． 6 Jun． 2 0 1 1
文章编号：1001 － 5485 （ 2011 ） 06 － 0082 － 05