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(mèng)成，丁新求（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院長(zhǎng)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(shí)際工程中影響低堰泄流能力的因素很多。通過(guò)對(duì)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対低堰體型與泄流能力的尖系進(jìn)行了研究并結(jié)合工程實(shí)例提出了實(shí)際工程運(yùn)用過(guò)程中- 不同條件下低堰選型和設(shè)計(jì)應(yīng)注意的有尖問(wèn)題。尖鍵詞：低水頭；泄水建筑物；體型；泄流能力中圖分類(lèi)號(hào)：tv135 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a收稿日期：2010-04-21基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（04c011

2、7）作者簡(jiǎn)介：童海鴻（1968-）男湖南桃源入副教授主要從事水工水力學(xué)研究 < 電話電子信箱）tonghhl001 163. com.低堰廣泛應(yīng)用于平原閘壩樞紐以及各類(lèi)中小型 水利工程中“特別是目前某些大型航電樞紐工稚 般位于河流中下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，工程上游沿岸 土地利用價(jià)值極高，不允許過(guò)多壅高河道水位 此同樣只能采用低堰泄流。為了減少上游淹沒(méi)或 為了縮短溢流前緣長(zhǎng)度低堰在堰型選擇和設(shè)計(jì)社 程中應(yīng)盡可能從提高低堰的泄流能力著手対低堆 體型及相尖影響因素進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)選。本文主要揮 討了低堰的體型與泄流能力之間的矢系以期為實(shí) 際工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供參考。1堰型對(duì)泄

3、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(wèn)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(shí)用堰;5 有坎（或無(wú)坎）寬頂堰。不同堰型的低堰設(shè)計(jì)流量 系數(shù)叫差異較為明顯其中wes型堰的泄流能才 在同等條件下最大。1. 1 wes型低堰wes低堰通常按照其上游擋水面形狀及堰面 曲線方程的差異分成iv兩種堰型。wes i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 線以堰頂為原點(diǎn)滿足曲線方程x"5 =2hd0 85 ylljo wes v型堰上游具有

4、45。斜坡具堰頂下游段堰面 曲線仍采用訃二的幕曲線，而其堰頂上游曲 線則為十二k十b（）n，其中專(zhuān)指薄壁 堰堰頂水頭。矢于其流量系數(shù)m，山東省水利科學(xué) 研究所曾對(duì)我國(guó)工程上應(yīng)用較多的wes i型低覽 進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作°在下游堰高卩2相蘢 上游堰高p足夠大對(duì)堰的泄流能力無(wú)影響時(shí)堰的流量系數(shù)可表征為m二如圖1所示。在設(shè)計(jì)水頭hd作用下，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量系數(shù)md =0. 44 -0. 49。而wes v型堰的設(shè)計(jì)流量系數(shù) 則介于0, 47-0. 5。圖1 wes i型低堰的m二f （字嚴(yán)）的曲線族fig 1 family of mcurves ofwes i low weir1.2

5、 駝峰堰駝峰堰是工程實(shí)踐中發(fā)展出的、目前應(yīng)用較好 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(guó)許多中小型溢洪道的進(jìn)口，拱棄 過(guò)去常用的寬頂堰而采用駝峰堰主要是考慮駝峰 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(jìn)口寬度 進(jìn)一步減少開(kāi)挖 量和工程投資。但是 駝峰堰尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的定型剖面 般來(lái)說(shuō)，由堰頂凸圓弧和上、下游凹圓弧連接。在 水頭(流量)較大時(shí)駝峰堰的流量系數(shù)一般大致為 0. 387 -0. 444。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(jiàn)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

6、游相對(duì)堰高、相對(duì)堰頂厚度、堰上下游 坡度有尖；其設(shè)計(jì)流量系數(shù)通常為0, 350. 43，介于 寬頂堰和曲線型實(shí)用堰之間。如果將堰進(jìn)口頂角修 圓流量系數(shù)會(huì)增加約5%左右。筆者曾在有尖文 獻(xiàn)中對(duì)折線型實(shí)用堰流量系數(shù)的研究和計(jì)算做過(guò)較 為詳細(xì)的論述。14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(wú)底坎2種形式。 其流量系數(shù)與寬頂堰的進(jìn)口形式、堰頂水頭、上游堰 高等因素有尖，自由泄流狀態(tài)下設(shè)計(jì)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。2上下游堰高對(duì)泄流能力的影響低堰堰流有自由出流和淹沒(méi)出流2種泄流狀 態(tài)。當(dāng)下游水位不影響低

7、堰的泄流量時(shí)為自由出 流；反之則為淹沒(méi)出流。2種泄流狀態(tài)下，上、下游 堰高對(duì)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(shí)低堰堰流在自由泄流時(shí)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(duì)低堰的泄流能力產(chǎn)生比 較大的影響。對(duì)于低堰來(lái)說(shuō)流量系數(shù)首先隨堰上水 頭ho與設(shè)計(jì)水頭也的比值(h0/hd)的增大而增大， 但當(dāng)h°/hd增至某定值后，rri達(dá)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(shí)不同堰型各自的設(shè)計(jì)流量系數(shù)叫其變化幅 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(qiáng)。但當(dāng)上游堰高較低時(shí)

8、(pjhd < 0 4)隨著p/%的降低有著很明顯的減小說(shuō) 明此時(shí)堰的上游堰高對(duì)流量系數(shù)亦即泄流能力的影 響很大。另外，下游堰高對(duì)低堰的流量系數(shù)也存在著一 定的影響。當(dāng)下游堰高p2值較小時(shí)過(guò)堰水流受堰 下游護(hù)坦的阻擋、頂托作用，使其水舌彎曲程度減 小并進(jìn)而影響流量系數(shù)的減小。圖2揭示：自由泄流的情況下一般在p2/hd> 1 0時(shí)wes型堰的下游堰高p2對(duì)泄流能力幾乎沒(méi) 有影響。而當(dāng)p?/% <0. 6以后流量折減系數(shù)m/md 幵始急速下降說(shuō)明此時(shí)下游堰高對(duì)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(jìn)行堰型選擇過(guò)程中般以p2/h0不小于 0 6 0

9、7為宜。圖2下游堰高與流量折減系數(shù)尖系fig 2 curve of downstream weir height versusflow reduction coefficient2 2淹沒(méi)泄流時(shí)淹沒(méi)泄流時(shí)低堰臨界淹沒(méi)度(hs/h0)k與堰的 自由泄流流量系數(shù)的大小密切相尖。m越大則臨界 淹沒(méi)度越小即低堰出現(xiàn)淹沒(méi)泄流的時(shí)機(jī)也越早。在 實(shí)用堰的范圍內(nèi)，臨界淹沒(méi)度一般約0. 35-0 65之 間。淹沒(méi)泄流時(shí)低堰泄流能力的強(qiáng)弱主要與淹沒(méi) 系數(shù)as有尖而淹沒(méi)系數(shù)6又與淹沒(méi)度、下游相對(duì) 堰高有尖。為了更好地說(shuō)明這種影響尖系根據(jù) wes堰淹沒(méi)系數(shù)圖，點(diǎn)繪了圖3。由圖3發(fā)現(xiàn)在淹沒(méi)度較小(hs/h0 <0

10、. 35)時(shí)， 不同下游堰高的尖系曲線近似可用同一曲線表示 且淹沒(méi)系數(shù)基本已接近于10。說(shuō)明此時(shí)下游堰高 對(duì)泄流能力無(wú)明顯影響。當(dāng)hs/h0>0. 35以后，在 同一淹沒(méi)度下下游相對(duì)堰高越大者其淹沒(méi)系數(shù)越 小特別在hs/ho>0. 8后，這種差異更為顯著。主 要是因?yàn)樵谙掠嗡怀^(guò)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(duì)過(guò)堰水流的頂托、阻擋作用也將越強(qiáng)因而 導(dǎo)致泄流能力減小。因此對(duì)于經(jīng)常處于大淹沒(méi)度狀態(tài)運(yùn)行的低堰- 其下游相對(duì)堰高不宜太高以利提高泄流能力。圖3下游堰高與淹沒(méi)系數(shù)尖系圖fig 3 curves of downstream weir

11、height versussubmergence coefficient3上下游堰面坡度對(duì)泄流能力的影響成果表3、表4顯示，寬頂堰和折線型實(shí)用堰在下 泄500年一遇至2年一遇洪水時(shí)相應(yīng)的綜合流量系 數(shù)（無(wú)側(cè)收縮影響）分別為0, 141 - 0.133 o 142 0 134二者相差僅0 001。這是因?yàn)?種堰的上游相 對(duì)堰高（pjh。）均很低，寬頂堰為0折線型實(shí)用堰為 0 126-0. 216o此時(shí)寬頂堰無(wú)側(cè)收縮自由泄流的流 量系數(shù)為0. 385而折線型實(shí)用堰由于堰高降低猶如 堰頂加寬過(guò)堰水流則極有可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷掜斞吡鲝?而使其流量系數(shù)減小。前面曾論述pi/hd <0.4時(shí) 折線型實(shí)用堰的

12、m值將會(huì)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 系數(shù)本身就比較接近了。同時(shí)考慮到渲泄500年- 遇洪水時(shí)寬頂堰和折線型實(shí)用堰的淹沒(méi)度分別為 0 973 -0. 975 0 978 -0. 982 在如此大淹沒(méi)度下，流 量系數(shù)急劇下降；且淹沒(méi)度越大3 1上游堰面在所有曲線型實(shí)用堰中-wes v型堰的泄流能 力最大這是因?yàn)槠渖嫌螇纹聻?5。斜坡，有效地改 善了堰前進(jìn)流條件。表1列出了 wes低堰上游堰 面傾斜對(duì)流量系數(shù)的影響系數(shù)。表1上游堰坡與流量系數(shù)尖系tablel correlation between upstream weirslope and flow

13、coefficient譏m/md3： 1( a =3： 2( a =3： 3( a =0.31 0001.0151.0210.41 0071. 0111. 0140.61 0041. 0051. 0070.81 0021.0021. 0021.01 0000. 9990. 9981.20 9980. 9960. 9961.30 9970 9930. 995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，又可適當(dāng)提高泄流能力。3.2下游堰面低堰的下游堰坡對(duì)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

14、游堰坡緩于1： 1時(shí)泄流能 力將幵始減小但在1： 1與1： 2之間時(shí)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(huì)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?yàn)榈匦螚l件等限制不得不采用較緩坡度時(shí)也應(yīng)盡量不緩于4工程實(shí)例分析按照上述觀點(diǎn)分析株洲航電樞紐工程模型試驗(yàn)表2下游堰坡與流量系數(shù)尖系table 2 correlatio n betwee n down stream weir sloperatios and flow coefficients下游堰坡坡比-m/mdwes堰克-奧堰1:1.01.00.60. 9990. 9991：-0. 99

15、71. 1-0. 9941：-0. 9891. 2-0. 9841：0. 9720. 9781.4-0. 9511：0. 920. 9241.6-0. 8781： 80-0 856表3各洪水頻率時(shí)寬頂堰的壅高值及流量系數(shù)table 3banked-up water level and flow coefficient ofbroad-crested weir withvarious flood frequency頻率流量/上游下游壅髙綜合流/%(m3水位/m水位/m值/cm 呈系數(shù)0. 227 10048. 32148. 1814. 10. 1410. 525 00047. 36747 229

16、13. 80. 140123 30046. 57446 44512. 90. 139221 60045. 75945 63012. 30. 138519 10044. 43944 32211. 70. 1381017 10043. 37943 26811. 10. 1372014 90042. 13142 0419 00. 1365011 40040. 08440. 0067 80 133表4各洪水頻率時(shí)折線型實(shí)用堰的壅高值及流量系數(shù) table 4 banked-up water level and flow coefficient of practical weir with broken

17、 line shape with various flood frequency頻率/ %流呈/(m3 - s'1)上游 水位jm下游 水位壅高 值/m綜合流 雖系數(shù)0.227 10048. 30648. 18012. 60.9770. 1420.525 00047. 34947. 22912. 00.9790. 141123 30046 55646. 44511. 10.9800. 140221 60045. 73845. 63010. 80.9820. 139519 10044. 41844. 3229 909810. 1391017 10043. 36443. 2689 6098

18、30. 1382014 90042. 12542. 0418 40.9840. 1375011 40040 07840 0067 209910 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(méi)度下綜合流量系 數(shù)非常接近.因此低堰在大淹沒(méi)度條件下泄流時(shí)(實(shí)際運(yùn) 用通常可取hs/h0>0,7-0. 75 ) 若上游相對(duì)堰高 pjh°vo.4則可以不用考慮堰型對(duì)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(jì)效益、運(yùn) 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(yùn)行期間保證下游 流態(tài)平穩(wěn)水流平順，適應(yīng)的閘門(mén)幵度和開(kāi)孔數(shù)范圍

19、 均較折線型實(shí)用堰更好。另外寬頂堰相對(duì)于折線 型實(shí)用堰沒(méi)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)堰面磨損小平板檢修閘門(mén)門(mén)槽不易被泥石 填塞，而影響平板閘門(mén)尖閉到位因此，最終模型試 驗(yàn)推薦采用寬頂堰堰型。5結(jié)論(1) 低堰的上游相對(duì)堰高p1/ho>0 5以后不 同堰型的設(shè)計(jì)流量系數(shù)差異較為明顯此時(shí)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(duì)堰高pjhovo, 4以后 具自由泄流無(wú) 力已近似不再受堰型影響。此時(shí)上游堰高對(duì)流量盜 數(shù)的影響更大占主導(dǎo)地位。(2) 當(dāng)hs/hoo. 6以

20、后曉著淹沒(méi)度的不斷覽 加，低堰的淹沒(méi)系數(shù)開(kāi)始急劇下降，可以認(rèn)為低堰e 處于大淹沒(méi)度泄流狀態(tài)。淹沒(méi)度此時(shí)也成為了影響 泄流能力的主要因素。為提高大淹沒(méi)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尖影 響因素比如適當(dāng)降低設(shè)計(jì)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(méi)度下嗒低堰的pjh°vo,4,則選 擇堰型的時(shí)候不應(yīng)僅以泄流能力的大小來(lái)決定因 為此時(shí)不同堰型、不同體型的泄水建筑物，其綜合濟(jì) 量系數(shù)差異不大；所以應(yīng)綜合考慮其他因素全面襖 衡多方比較后確定或者調(diào)整樞紐泄水建筑物的衣 置位置使泄水建筑物軸線與河道的主河槽垂直労 與上下游河床平順連接等。參考文獻(xiàn)：

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