低堰体型与泄流能力关系的初步研究

低堰体型与泄流能力关系的初步研究童海鸿，李梦成，丁新求( 长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114)摘要: 低堰广泛应用于平原闸坝枢纽，其泄流能力直接决定了低水头枢纽工程的建筑物布置形式和工程效益的大小，而实际工程中，影响低堰泄流能力的因素很多。通过对多种数据的整理、分析，从各种不同堰型、上下游堰高、 上下游堰面坡度等方面，对低堰体型与泄流能力的关系进行了研究，并结合工程实例提出了实际工程运用过程中， 不同条件下低堰选型和设计应注意的有关问题。关 键 词: 低水头; 泄水建筑物; 体型; 泄流能力中图分类号: TV135 2文献标识码: An1n低堰广泛应用于平原闸坝枢纽以及各类中小型水利工程中。特别是，目前某些大型航电枢纽工程 一般位于河流中下游经济发达地区，工程上游沿岸 土地利用价 值 极 高，不 允 许 过 多 壅 高 河 道 水 位，因 此，同样只能采用低堰泄流。为了减少上游淹没或 为了缩短溢流前缘长度，低堰在堰型选择和设计过 程中，应尽可能从提高低堰的泄流能力着手，对低堰 体型及相关影响因素进行调整和优选。本文主要探 讨了低堰的体型与泄流能力之间的关系，以期为实 际工程设计和运用提供参考。 y = k1 ( x ) B ( x )线则为，其 中 Hw 专 指 薄 壁HwHwHw堰堰顶水头。关于其流量系数 m，山东省水利科学研究所曾对我 国 工 程 上 应 用 较 多 的 WES I 型 低 堰 进行了大量的试验研究工作。在下游堰高 P2 相对 上游堰高 P1 足够大，对堰的泄流能力无影响时，堰()，如 图 1 所 示。P1 ， 0H的流量系 数 可 表 征 为 m = fHdHd在设计 水 头 Hd 作 用 下，其 相 应 的 设 计 流 量 系 数md = 0 44 0 49。而 WES V 型堰的 设 计 流 量 系 数则介于0 47 0 52。1堰型对泄流能力的影响低堰的水力特性主要受堰型、堰上水头、上下游堰高、下游水深等诸多因素的影响，问题较复杂，故研究成果尚不成熟。一般工程应用较多、较为著名 的低堰主要有 WES 型、折线型、驼峰型等实用堰及 有坎( 或无坎) 宽顶堰。不同堰型的低堰，设计流量 系数 md 差异较为明显，其中 WES 型堰的泄流能力 在同等条件下最大。( P1 H0 )图 1 WES 型低堰的 m = f ， 的曲线族Hd Hd1 1WES 型低堰WES 低堰通 常 按 照 其 上 游 挡 水 面 形 状 及 堰 面Family of m = f ( P1 ，) curves ofH0Fig 1Hd Hd曲线方程的差异，分成，V 两种堰型。WES型堰具有直立的上游面，其堰顶曲线形式是直接将高堰堰顶移用于低堰，上游堰顶为 3 段圆弧，堰顶下游曲WES low weir1 2驼峰堰驼峰堰是工程实践中发展出的、目前应用较好线以堰 顶 为 原 点，满 足 曲 线 方 程 x1 85 = 2H 0 85 y1。的一种低堰堰型，其底部应力分布均匀，适合修建在软弱地基上。我国许多中小型溢洪道的进口，摈弃过去常用的宽顶堰，而采用驼峰堰，主要是考虑驼峰dWES V 型堰上游具有 45 斜 坡，其 堰 顶 下 游 段 堰 面n= k (x )曲线仍采用 y的幂曲线，而其堰顶上游曲Hd Hd收稿日期: 2010-04-21基金项目: 湖南省教育厅科学研究项目( 04C0117)作者简介: 童海鸿( 1968-) ，男，湖南桃源人，副教授，主要从事水工水力学研究，( 电话) 0731-85258438( 电子信箱)tonghh1001 163 com。堰的泄流能力一般较宽顶堰大，可提高泄水建筑物的流量系数，从而减少其进口宽度，进一步减少开挖 量和工程投资。但是，驼峰堰尚无标准的定型剖面， 一般来说，由堰顶凸圆弧和上、下游凹圆弧连接。在 水头( 流量) 较大时，驼峰堰的流量系数一般大致为0 387 0 4443。1 3 折线型堰折线型一般应用于中小型水利工程，其剖面形式主要有矩形和梯形，梯形剖面又常见上游面直立 和上游面有一定坡度 2 种形式。梯形剖面的堰，其 流量系数与上游相对堰高、相对堰顶厚度、堰上下游 坡度有关; 其设计流量系数通常为0 35 0 43，介于 宽顶堰和曲线型实用堰之间。如果将堰进口顶角修 圆，流量系数 会 增 加 约 5% 左 右。笔 者 曾 在 有 关 文 献中对折线型实用堰流量系数的研究和计算做过较 为详细的论述。1 4 宽顶堰宽顶堰在宽河谷的航电枢纽以及河床径流式电站中应用较 多，一 般 分 有 底 坎 和 无 底 坎 2 种 形 式。 其流量系数与宽顶堰的进口形式、堰顶水头、上游堰 高等因素有关，自由泄流状态下，设计流量系数介于0 32 0 385之间。在所有低堰中，同等条件下宽顶堰的泄流能力最低。定的影响。当下游堰高 P2 值较小时，过堰水流受堰下游护坦的 阻 挡、顶 托 作 用，使 其 水 舌 弯 曲 程 度 减小，并进而影响流量系数的减小。图 2 揭示: 自由泄流的情况下，一般在 P2 / Hd 1 0时，WES 型堰的下游堰高 P2 对泄流能力几乎没有影响。而当 P 0 6以后，流量折减系数 m / m/ H20d开始急速下降，说明此时下游堰高对泄流能力产生较大影响。这一规律也近似地适用于其他的标准堰型。因此，在进行堰型选择过程中，一般以 P2 / H0 不小于0 6 0 7为宜。图 2 下游堰高与流量折减系数关系Fig 2 Curve of downstream weir height versus flow reduction coefficient淹没泄流时淹没泄流时，低堰临界淹没度 ( hs / H0 ) k 与 堰 的2 22上下游堰高对泄流能力的影响低堰 堰 流 有 自 由 出 流 和 淹 没 出 流 2 种 泄 流 状自由泄流流量系数的大小密切相关。m 越大，则临界淹没度越小，即低堰出现淹没泄流的时机也越早。在 实用堰的 范 围 内，临 界 淹 没 度 一 般 约0 35 0 65 之 间。淹没泄流时，低堰泄流能力的强弱主要与淹没系数 s 有关，而淹没系数 s 又与淹没度、下游相对 堰高有 关。为 了 更 好 地 说 明 这 种 影 响 关 系，根 据 WES 堰淹没系数图，点绘了图 3。由图 3 发现，在淹没度较小( hs / H0 0 35) 时，不同下游堰高的关系曲线近似可用同一曲线表示，且淹没系数基本已接近于1 0。说明此时下游堰高 对泄流能力 无 明 显 影 响。当 hs / H0 0 35 以 后，在 同一淹没度下，下游相对堰高越大者，其淹没系数越 小，特别在 hs / H0 0 8 后，这 种 差 异 更 为 显 著。主 要是因为，在下游水位超过堰顶的水深值 ( hs ) 相同 的情况下，下游堰高越大，则其下游水深值也越大， 相应地对过堰水流的顶托、阻挡作用也将越强，因而 导致泄流能力减小。因此，对于经常处于大淹没度状态运行的低堰，其下游相对堰高不宜太高，以利提高泄流能力。态。当下游 水 位 不 影 响 低 堰 的 泄 流 量 时 为 自 由 出流; 反之，则为淹没出流。2 种泄流状态下，上、下游堰高对低堰泄流能力的影响程度存在较大的差异。2 1 自由泄流时低堰堰流在自由泄流时，除前面所论述的堰型差异导致其流量系数存在较大差异外，堰上水头、上游 堰高、下游堰高等因素，均对低堰的泄流能力产生比 较大的影响。对于低堰来说，流量系数首先随堰上水头 H0 与设计水头 Hd 的比值( H0 / Hd ) 的增大而增大， 但当 H0 / Hd 增至某定值后，m 达到最大值，尔后又随 H0 / Hd 增大而减小，如图 1 所示。其次，当上游堰高 较大时，不同堰型各自的设计流量系数 md ，其变化幅 度较小，并且上游堰高越大者，低堰的流量系数越大，泄水能力 越 强4。但 当 上 游 堰 高 较 低 时 ( P/ H 1d0 4) ，随着 P1 / Hd 的降低，md 有着很明显的减小，说明此时堰的上游堰高对流量系数亦即泄流能力的影响很大。另外，下游堰高对低堰的流量系数也存在着一成果5，表 3、表 4 显示，宽顶堰和折线型实用堰在下泄 500 年一遇至 2 年一遇洪水时，相应的综合流量系数( 无 侧 收 缩 影 响) 分 别 为 0 141 0 133，0 142 0 134，二者相差仅0 001。这是因为 2 种堰的上游相对堰高( P1 / H0 ) 均很低，宽顶堰为 0，折线型实用堰为0 126 0 216。此时宽顶堰无侧收缩自由泄流的流量系数为0 385，而折线型实用堰由于堰高降低，犹如堰顶加宽，过堰水流则极有可能转变为宽顶堰流，从而使其流量系数减小。前面曾论述，P1 / Hd 0 4时，折线型 实 用 堰 的 m 值 将 会 明 显 减 小，减 小 值 约 为1 8% 8 1% 。因此，在这种情况下，2 种堰型的流量 系数本身就比较接近了。同时，考虑到渲泄 500 年一 遇洪水时，宽顶堰和折线型实用堰的淹没度分别为0 973 0 975，0 978 0 982，在如此大淹没度下，流量系数急剧下降; 且淹没度越大，表 2 下游堰坡与流量系数关系图 3 下游堰高与淹没系数关系图Fig 3 Curves of downstream weir height versussubmergence coefficient33 1上下游堰面坡度对泄流能力的影响上游堰面在所有曲线型实用堰中，WES V 型堰的泄流能Table 2Correlation between downstream weir sloperatios and flow coefficients力最大，这是因为其上游坝坡为 45 斜坡，有效地改善了堰前进流条件。表 1 列出了 WES 低堰 上 游 堰面倾斜对流量系数的影响系数。表 1 上游堰坡与流量系数关系Table1 Correlation between upstream weir slope and flow coefficient m / md 下游堰坡坡比WES 堰克 奥堰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 0020 9980 996 1 8 0 0 856 表 3 各洪水频率时宽顶堰的壅高值及流量系数Table 3 Banked-up water level and flow coefficient ofbroad-crested weir with various flood frequency 1 3 0 997 0 993 0 995 频率/ %流量 /( m3 s 1 )上游水位 / m下游水位 / m壅高值 / cm综合流量系数由上表可知，低堰上游堰面倾斜，有利于提高泄流能力，且上游倾斜坡度越缓，流量影响系数越大， 因此，低堰的上游堰面作成斜坡，既利于堰体自身的 稳定，又可适当提高泄流能力。3 2 下游堰面低堰的下游堰坡对流量系数也 存 在 一 定 影 响。从表 2 中分析，发现当下游堰坡缓于 1 1 时，泄流能 力将开始减小，但在 1 1 与 1 2 之间时，流量系数的 减小并不大，而在下游堰面坡比小于 1 2 以后，却会 导致流量系数发生较为明显的减小。因此，低堰的下 游堰坡一般以不缓于 1 1 为宜，若因为地形条件等限 制，不得不采用较缓坡度时，也应尽量不缓于 1 2。0 20 5125102027 10025 00023 30021 60019 10017 10014 90048 32147 36746 57445 75944 43943 37942 13148 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 各洪水频率时折线型实用堰的壅高值及流量系数Table 4 Banked-up water level and flow coefficient ofpractical weir with broken line shape with various flood frequency流量 /( m3 s 1 )频率 /%上游水位 / m下游水位 / m壅高值 / m侧收缩 系数综合流量系数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工程实例分析按照上述观点，分析株洲航电枢纽工程模型试验 50 11 400 40 078 40 006 7 2 0 991 0 134 流量系数降 低 越 多，因 此，在 诸 多 因 素 的 共 同 影 响下，最终导致该 2 种堰型在大淹没度下综合流量系 数非常接近。因此，低堰 在 大 淹 没 度 条 件 下 泄 流 时 ( 实 际 运用通常可取 hs / H0 0 7 0 75 ) ，若上游相对堰高 P1 / H0 0 4，则可以不用考虑堰型对泄流能力的影 响，而应更多地、全面地考虑施工条件、经济效益、运 行安全等其他综合因素。比如株洲航电枢纽工程， 主要考虑了宽顶堰在枢纽发电运行期间，保证下游 流态平稳，水流平顺，适应的闸门开度和开孔数范围均较折线型实用堰更好。另外，宽顶堰相对于折线 型实用堰没有大弧度大范围的曲面，虽然混凝土工 程量略有增加，但是施工相对简便，易保证堰面混凝 土浇筑质量，且宽顶堰上游堰面平顺，河床大颗粒推 移质对堰面磨损小，平板检修闸门门槽不易被泥石 填塞，而影响平板闸门关闭到位，因此，最终模型试 验推荐采用宽顶堰堰型。响因素，比如适当降低设计水头的取值、控制低堰的上下游堰高、改善上下游堰坡等。( 3)大淹没 度 下，若 低 堰 的 P1 / H0 0 4，则 选择堰型的时候，不应仅以泄流能力的大小来决定，因为此时不同堰型、不同体型的泄水建筑物，其综合流 量系数差异不大; 所以应综合考虑其他因素，全面权 衡，多方比较后确定，或者调整枢纽泄水建筑物的布 置位置，使泄水建筑物轴线与河道的主河槽垂直，并 与上下游河床平顺连接等。参考文献:1李家星，赵振全 水力学( 下) ( 第二版) M 南京: 河海大 学 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 鸿，兰 芙 蓉 堰 高 对 低 堰 泄 流 能 力 影 响 的 分 析J 人 民 长 江，2002，33 ( 11 ) : 21 22 ( TONG Hai-hong， LAN Fu-rong Analysis on Influence of CrestHeight on Flood Release Capacity of Low WeirJ Yan-gtze River，2002，33( 11) : 21 22 ( in Chinese) )刘 广 胜，王 世 夏 翼 形 堰 和 驼 峰 堰 水 力 特 性 的 研 究J 河海大学学报，1998，26( 5) : 75 80 ( LIU Guang-sheng，WANG Shi-xia A Study of Hydraulic Characteris-tics of Airfoil Weir and Hump WeirJ Journal of HohaiUniversity，1998，26( 5) : 75 80 ( in Chinese) )张绪进，樊卫平，张厚强 低闸枢纽泄流能力研究J 水 利 学 报，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 Chinese) )长沙理工大学水利工程学院 株洲航电枢纽泄水闸断面模型试验研究报告R 长沙: 长沙理工大学，2001235结 论( 1) 低堰的上游相对堰高 P1 / H0 0 5 以后，不同堰型的设计流量系数差异较为明显，此时，堰型成为决定低堰泄流能力大小的主要控制因素; 而当低 堰的上游相对堰高 P1 / H0 0 4以后，其自由泄流能 力已近似不再受堰型影响。此时上游堰高对流量系 数的影响更大，占主导地位。( 2) 当 hs / H0 0 6 以后，随着淹没度的不断增 加，低堰的淹没系数开始急剧下降，可以认为低堰已 处于大淹没度泄流状态。淹没度此时也成为了影响泄流能力的主要因素。为提高大淹没度下低堰的泄流能力，可多途径地改善低堰的体型及其他相关影45( 编辑: 刘运飞)Relation Between Low WeirShape and Discharge CapacityTONG Hai-hong，LI Meng-cheng，DING Xin-qiu( School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science Technology，Changsha410114，China)Abstract: Low weir is widely applied to the sluices and low dams in plains Its discharge capacity directly deter- mines the layout of discharge buildings of low head water control project and the engineering benefit However，in practical projects，the discharge capacity of low weir is influenced by many factors Based on the processing and a- nalysis of various data，and in consideration of different weir shapes，weir heights and weir surface slopes at up- stream and downstream，etc ，this article analyzed and studied the relationship between discharge capacity and the shape of low weir，and by taking project cases，it put forward relevant problems in engineering application which should be noticed about the design and type selection of low weir in different conditionsKey words: low head; water discharge structure; shape; discharge capacity