低堰體型與泄流能力關(guān)系的初步研究

1、低堰體型與泄流能力關(guān)系的初步研究童海鴻，李夢成，丁新求( 長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114)摘要: 低堰廣泛應(yīng)用于平原閘壩樞紐，其泄流能力直接決定了低水頭樞紐工程的建筑物布置形式和工程效益的大小，而實際工程中，影響低堰泄流能力的因素很多。通過對多種數(shù)據(jù)的整理、分析，從各種不同堰型、上下游堰高、 上下游堰面坡度等方面，對低堰體型與泄流能力的關(guān)系進行了研究，并結(jié)合工程實例提出了實際工程運用過程中， 不同條件下低堰選型和設(shè)計應(yīng)注意的有關(guān)問題。關(guān) 鍵 詞: 低水頭; 泄水建筑物; 體型; 泄流能力中圖分類號: tv135 2文獻標(biāo)識碼: an1n低堰廣泛應(yīng)用于平原閘壩樞紐以及各類中小型水

2、利工程中。特別是，目前某些大型航電樞紐工程 一般位于河流中下游經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，工程上游沿岸 土地利用價 值 極 高，不 允 許 過 多 壅 高 河 道 水 位，因 此，同樣只能采用低堰泄流。為了減少上游淹沒或 為了縮短溢流前緣長度，低堰在堰型選擇和設(shè)計過 程中，應(yīng)盡可能從提高低堰的泄流能力著手，對低堰 體型及相關(guān)影響因素進行調(diào)整和優(yōu)選。本文主要探 討了低堰的體型與泄流能力之間的關(guān)系，以期為實 際工程設(shè)計和運用提供參考。 y = k1 ( x ) b ( x )線則為，其 中 hw 專 指 薄 壁hwhwhw堰堰頂水頭。關(guān)于其流量系數(shù) m，山東省水利科學(xué)研究所曾對我 國 工 程 上 應(yīng) 用 較 多

3、 的 wes i 型 低 堰 進行了大量的試驗研究工作。在下游堰高 p2 相對 上游堰高 p1 足夠大，對堰的泄流能力無影響時，堰()，如 圖 1 所 示。p1 ， 0h的流量系 數(shù) 可 表 征 為 m = fhdhd在設(shè)計 水 頭 hd 作 用 下，其 相 應(yīng) 的 設(shè) 計 流 量 系 數(shù)md = 0 44 0 49。而 wes v 型堰的 設(shè) 計 流 量 系 數(shù)則介于0 47 0 52。1堰型對泄流能力的影響低堰的水力特性主要受堰型、堰上水頭、上下游堰高、下游水深等諸多因素的影響，問題較復(fù)雜，故研究成果尚不成熟。一般工程應(yīng)用較多、較為著名 的低堰主要有 wes 型、折線型、駝峰型等實用堰及

4、有坎( 或無坎) 寬頂堰。不同堰型的低堰，設(shè)計流量 系數(shù) md 差異較為明顯，其中 wes 型堰的泄流能力 在同等條件下最大。( p1 h0 )圖 1 wes 型低堰的 m = f ， 的曲線族hd hd1 1wes 型低堰wes 低堰通 常 按 照 其 上 游 擋 水 面 形 狀 及 堰 面family of m = f ( p1 ，) curves ofh0fig 1hd hd曲線方程的差異，分成，v 兩種堰型。wes型堰具有直立的上游面，其堰頂曲線形式是直接將高堰堰頂移用于低堰，上游堰頂為 3 段圓弧，堰頂下游曲wes low weir1 2駝峰堰駝峰堰是工程實踐中發(fā)展出的、目前應(yīng)用較好

5、線以堰 頂 為 原 點，滿 足 曲 線 方 程 x1 85 = 2h 0 85 y1。的一種低堰堰型，其底部應(yīng)力分布均勻，適合修建在軟弱地基上。我國許多中小型溢洪道的進口，擯棄過去常用的寬頂堰，而采用駝峰堰，主要是考慮駝峰dwes v 型堰上游具有 45° 斜 坡，其 堰 頂 下 游 段 堰 面n= k (x )曲線仍采用 y的冪曲線，而其堰頂上游曲hd hd收稿日期: 2010-04-21基金項目: 湖南省教育廳科學(xué)研究項目( 04c0117)作者簡介: 童海鴻( 1968-) ，男，湖南桃源人，副教授，主要從事水工水力學(xué)研究，( 電話) 電子信箱)t

6、onghh1001 163 com。堰的泄流能力一般較寬頂堰大，可提高泄水建筑物的流量系數(shù)，從而減少其進口寬度，進一步減少開挖 量和工程投資。但是，駝峰堰尚無標(biāo)準(zhǔn)的定型剖面， 一般來說，由堰頂凸圓弧和上、下游凹圓弧連接。在 水頭( 流量) 較大時，駝峰堰的流量系數(shù)一般大致為0 387 0 4443。1 3 折線型堰折線型一般應(yīng)用于中小型水利工程，其剖面形式主要有矩形和梯形，梯形剖面又常見上游面直立 和上游面有一定坡度 2 種形式。梯形剖面的堰，其 流量系數(shù)與上游相對堰高、相對堰頂厚度、堰上下游 坡度有關(guān); 其設(shè)計流量系數(shù)通常為0 35 0 43，介于 寬頂堰和曲線型實用堰之間。如果將堰進口頂角

7、修 圓，流量系數(shù) 會 增 加 約 5% 左 右。筆 者 曾 在 有 關(guān) 文 獻中對折線型實用堰流量系數(shù)的研究和計算做過較 為詳細的論述。1 4 寬頂堰寬頂堰在寬河谷的航電樞紐以及河床徑流式電站中應(yīng)用較 多，一 般 分 有 底 坎 和 無 底 坎 2 種 形 式。 其流量系數(shù)與寬頂堰的進口形式、堰頂水頭、上游堰 高等因素有關(guān)，自由泄流狀態(tài)下，設(shè)計流量系數(shù)介于0 32 0 385之間。在所有低堰中，同等條件下寬頂堰的泄流能力最低。定的影響。當(dāng)下游堰高 p2 值較小時，過堰水流受堰下游護坦的 阻 擋、頂 托 作 用，使 其 水 舌 彎 曲 程 度 減小，并進而影響流量系數(shù)的減小。圖 2 揭示: 自由

8、泄流的情況下，一般在 p2 / hd 1 0時，wes 型堰的下游堰高 p2 對泄流能力幾乎沒有影響。而當(dāng) p 0 6以后，流量折減系數(shù) m / m/ h20d開始急速下降，說明此時下游堰高對泄流能力產(chǎn)生較大影響。這一規(guī)律也近似地適用于其他的標(biāo)準(zhǔn)堰型。因此，在進行堰型選擇過程中，一般以 p2 / h0 不小于0 6 0 7為宜。圖 2 下游堰高與流量折減系數(shù)關(guān)系fig 2 curve of downstream weir height versus flow reduction coefficient淹沒泄流時淹沒泄流時，低堰臨界淹沒度 ( hs / h0 ) k 與 堰 的2 22上下游堰高

9、對泄流能力的影響低堰 堰 流 有 自 由 出 流 和 淹 沒 出 流 2 種 泄 流 狀自由泄流流量系數(shù)的大小密切相關(guān)。m 越大，則臨界淹沒度越小，即低堰出現(xiàn)淹沒泄流的時機也越早。在 實用堰的 范 圍 內(nèi)，臨 界 淹 沒 度 一 般 約0 35 0 65 之 間。淹沒泄流時，低堰泄流能力的強弱主要與淹沒系數(shù) s 有關(guān)，而淹沒系數(shù) s 又與淹沒度、下游相對 堰高有 關(guān)。為 了 更 好 地 說 明 這 種 影 響 關(guān) 系，根 據(jù) wes 堰淹沒系數(shù)圖，點繪了圖 3。由圖 3 發(fā)現(xiàn)，在淹沒度較小( hs / h0 0 35) 時，不同下游堰高的關(guān)系曲線近似可用同一曲線表示，且淹沒系數(shù)基本已接近于1

10、0。說明此時下游堰高 對泄流能力 無 明 顯 影 響。當(dāng) hs / h0 0 35 以 后，在 同一淹沒度下，下游相對堰高越大者，其淹沒系數(shù)越 小，特別在 hs / h0 0 8 后，這 種 差 異 更 為 顯 著。主 要是因為，在下游水位超過堰頂?shù)乃钪?( hs ) 相同 的情況下，下游堰高越大，則其下游水深值也越大， 相應(yīng)地對過堰水流的頂托、阻擋作用也將越強，因而 導(dǎo)致泄流能力減小。因此，對于經(jīng)常處于大淹沒度狀態(tài)運行的低堰，其下游相對堰高不宜太高，以利提高泄流能力。態(tài)。當(dāng)下游 水 位 不 影 響 低 堰 的 泄 流 量 時 為 自 由 出流; 反之，則為淹沒出流。2 種泄流狀態(tài)下，上、下

11、游堰高對低堰泄流能力的影響程度存在較大的差異。2 1 自由泄流時低堰堰流在自由泄流時，除前面所論述的堰型差異導(dǎo)致其流量系數(shù)存在較大差異外，堰上水頭、上游 堰高、下游堰高等因素，均對低堰的泄流能力產(chǎn)生比 較大的影響。對于低堰來說，流量系數(shù)首先隨堰上水頭 h0 與設(shè)計水頭 hd 的比值( h0 / hd ) 的增大而增大， 但當(dāng) h0 / hd 增至某定值后，m 達到最大值，爾后又隨 h0 / hd 增大而減小，如圖 1 所示。其次，當(dāng)上游堰高 較大時，不同堰型各自的設(shè)計流量系數(shù) md ，其變化幅 度較小，并且上游堰高越大者，低堰的流量系數(shù)越大，泄水能力 越 強4。但 當(dāng) 上 游 堰 高 較 低

12、時 ( p/ h 1d0 4) ，隨著 p1 / hd 的降低，md 有著很明顯的減小，說明此時堰的上游堰高對流量系數(shù)亦即泄流能力的影響很大。另外，下游堰高對低堰的流量系數(shù)也存在著一成果5，表 3、表 4 顯示，寬頂堰和折線型實用堰在下泄 500 年一遇至 2 年一遇洪水時，相應(yīng)的綜合流量系數(shù)( 無 側(cè) 收 縮 影 響) 分 別 為 0 141 0 133，0 142 0 134，二者相差僅0 001。這是因為 2 種堰的上游相對堰高( p1 / h0 ) 均很低，寬頂堰為 0，折線型實用堰為0 126 0 216。此時寬頂堰無側(cè)收縮自由泄流的流量系數(shù)為0 385，而折線型實用堰由于堰高降低，

13、猶如堰頂加寬，過堰水流則極有可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷掜斞吡?，從而使其流量系?shù)減小。前面曾論述，p1 / hd 0 4時，折線型 實 用 堰 的 m 值 將 會 明 顯 減 小，減 小 值 約 為1 8% 8 1% 。因此，在這種情況下，2 種堰型的流量 系數(shù)本身就比較接近了。同時，考慮到渲泄 500 年一 遇洪水時，寬頂堰和折線型實用堰的淹沒度分別為0 973 0 975，0 978 0 982，在如此大淹沒度下，流量系數(shù)急劇下降; 且淹沒度越大，表 2 下游堰坡與流量系數(shù)關(guān)系圖 3 下游堰高與淹沒系數(shù)關(guān)系圖fig 3 curves of downstream weir height versussubm

14、ergence coefficient33 1上下游堰面坡度對泄流能力的影響上游堰面在所有曲線型實用堰中，wes v 型堰的泄流能table 2correlation between downstream weir sloperatios and flow coefficients力最大，這是因為其上游壩坡為 45° 斜坡，有效地改善了堰前進流條件。表 1 列出了 wes 低堰 上 游 堰面傾斜對流量系數(shù)的影響系數(shù)。表 1 上游堰坡與流量系數(shù)關(guān)系table1 correlation between upstream weir slope and flow coefficient m

15、/ md 下游堰坡坡比wes 堰克 奧堰1 0 61 1 11 1 21 1 41 1 61 1 81 2 01 3 01 4 01 6 01 00 9990 9720 921 00 9990 9970 9940 9890 9840 9780 9510 9240 878 m / md p1 / hd3 1( = 71 6° )3 2( = 56 3° )3 3( = 45° )0 30 40 60 81 01 21 0001 0071 0041 0021 0000 9981 0151 0111 0051 0020 9990 9961 0211 0141 0071

16、0020 9980 996 1 8 0 0 856 表 3 各洪水頻率時寬頂堰的壅高值及流量系數(shù)table 3 banked-up water level and flow coefficient ofbroad-crested weir with various flood frequency 1 3 0 997 0 993 0 995 頻率/ %流量 /( m3 ·s 1 )上游水位 / m下游水位 / m壅高值 / cm綜合流量系數(shù)由上表可知，低堰上游堰面傾斜，有利于提高泄流能力，且上游傾斜坡度越緩，流量影響系數(shù)越大， 因此，低堰的上游堰面作成斜坡，既利于堰體自身的 穩(wěn)定，又可

17、適當(dāng)提高泄流能力。3 2 下游堰面低堰的下游堰坡對流量系數(shù)也 存 在 一 定 影 響。從表 2 中分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下游堰坡緩于 1 1 時，泄流能 力將開始減小，但在 1 1 與 1 2 之間時，流量系數(shù)的 減小并不大，而在下游堰面坡比小于 1 2 以后，卻會 導(dǎo)致流量系數(shù)發(fā)生較為明顯的減小。因此，低堰的下 游堰坡一般以不緩于 1 1 為宜，若因為地形條件等限 制，不得不采用較緩坡度時，也應(yīng)盡量不緩于 1 2。0 20 5125102027 10025 00023 30021 60019 10017 10014 90048 32147 36746 57445 75944 43943 37942 1

18、3148 1847 22946 44545 63044 32243 26842 04114 113 812 912 311 711 19 00 1410 1400 1390 1380 1380 1370 136 50 11 400 40 084 40 006 7 8 0 133 表 4 各洪水頻率時折線型實用堰的壅高值及流量系數(shù)table 4 banked-up water level and flow coefficient ofpractical weir with broken line shape with various flood frequency流量 /( m3 ·s

19、 1 )頻率 /%上游水位 / m下游水位 / m壅高值 / m側(cè)收縮 系數(shù)綜合流量系數(shù)0 20 5125102027 10025 00023 30021 60019 10017 10014 90048 30647 34946 55645 73844 41843 36442 12548 18047 22946 44545 63044 32243 26842 04112 612 011 110 89 99 68 40 9770 9790 9800 9820 9810 9830 9840 1420 1410 1400 1390 1390 1380 1374工程實例分析按照上述觀點，分析株洲航電樞紐

20、工程模型試驗 50 11 400 40 078 40 006 7 2 0 991 0 134 流量系數(shù)降 低 越 多，因 此，在 諸 多 因 素 的 共 同 影 響下，最終導(dǎo)致該 2 種堰型在大淹沒度下綜合流量系 數(shù)非常接近。因此，低堰 在 大 淹 沒 度 條 件 下 泄 流 時 ( 實 際 運用通?？扇?hs / h0 0 7 0 75 ) ，若上游相對堰高 p1 / h0 0 4，則可以不用考慮堰型對泄流能力的影 響，而應(yīng)更多地、全面地考慮施工條件、經(jīng)濟效益、運 行安全等其他綜合因素。比如株洲航電樞紐工程， 主要考慮了寬頂堰在樞紐發(fā)電運行期間，保證下游 流態(tài)平穩(wěn)，水流平順，適應(yīng)的閘門開度和

21、開孔數(shù)范圍均較折線型實用堰更好。另外，寬頂堰相對于折線 型實用堰沒有大弧度大范圍的曲面，雖然混凝土工 程量略有增加，但是施工相對簡便，易保證堰面混凝 土澆筑質(zhì)量，且寬頂堰上游堰面平順，河床大顆粒推 移質(zhì)對堰面磨損小，平板檢修閘門門槽不易被泥石 填塞，而影響平板閘門關(guān)閉到位，因此，最終模型試 驗推薦采用寬頂堰堰型。響因素，比如適當(dāng)降低設(shè)計水頭的取值、控制低堰的上下游堰高、改善上下游堰坡等。( 3)大淹沒 度 下，若 低 堰 的 p1 / h0 0 4，則 選擇堰型的時候，不應(yīng)僅以泄流能力的大小來決定，因為此時不同堰型、不同體型的泄水建筑物，其綜合流 量系數(shù)差異不大; 所以應(yīng)綜合考慮其他因素，全面

22、權(quán) 衡，多方比較后確定，或者調(diào)整樞紐泄水建筑物的布 置位置，使泄水建筑物軸線與河道的主河槽垂直，并 與上下游河床平順連接等。參考文獻:1李家星，趙振全 水力學(xué)( 下) ( 第二版) m 南京: 河海大 學(xué) 出 版 社，2001: 11 12 ( li jia-xing， zhaozhen-quan hydraulics( second edition) m nanjing:hohai university press 2001: 11 12 ( in chinese) )童海 鴻，蘭 芙 蓉 堰 高 對 低 堰 泄 流 能 力 影 響 的 分 析j 人 民 長 江，2002，33 ( 11 )

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24、s of airfoil weir and hump weirj journal of hohaiuniversity，1998，26( 5) : 75 80 ( in chinese) )張緒進，樊衛(wèi)平，張厚強 低閘樞紐泄流能力研究j 水 利 學(xué) 報，2005，36 ( 10 ) : 1246 1251 ( zhang xu-jin，fan wei-ping，zhang hou-qiang discharge ca-pacity of low sluicej journal of hydraulic engineer-ing，2005，36( 10) : 1246 1251 ( in chi

25、nese) )長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 株洲航電樞紐泄水閘斷面模型試驗研究報告r 長沙: 長沙理工大學(xué)，2001235結(jié) 論( 1) 低堰的上游相對堰高 p1 / h0 0 5 以后，不同堰型的設(shè)計流量系數(shù)差異較為明顯，此時，堰型成為決定低堰泄流能力大小的主要控制因素; 而當(dāng)?shù)?堰的上游相對堰高 p1 / h0 0 4以后，其自由泄流能 力已近似不再受堰型影響。此時上游堰高對流量系 數(shù)的影響更大，占主導(dǎo)地位。( 2) 當(dāng) hs / h0 0 6 以后，隨著淹沒度的不斷增 加，低堰的淹沒系數(shù)開始急劇下降，可以認為低堰已 處于大淹沒度泄流狀態(tài)。淹沒度此時也成為了影響泄流能力的主要因素。為提高大淹沒度下低堰的泄流能力，可多途徑地改善低堰的體型及其他相關(guān)影45( 編輯: 劉運飛)relation between low weirshape and discharge capacitytong hai-hong，li meng-cheng，ding xin-qiu( school of hydraulic engineering，changsha university of science technology，changsh