低實用堰水力特性及其對工程的影響

吳國君，劉曉平，方森松，孫文紅，侯 斌

（1.長沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長沙 410076；2.中國國際工程咨詢公司基礎(chǔ)建設(shè)業(yè)務(wù)部，北京 100048）

低實用堰水力特性及其對工程的影響

吳國君1，劉曉平1，方森松1，孫文紅1，侯 斌2

（1.長沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長沙 410076；2.中國國際工程咨詢公司基礎(chǔ)建設(shè)業(yè)務(wù)部，北京 100048）

通過物理模型試驗和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的手段，對比分析了某低水頭水利樞紐在運行中WES堰和改進后折線型實用堰的行洪能力和過沙能力。結(jié)果表明：2種堰型均能滿足規(guī)范中平原地區(qū)的行洪能力要求，而WES堰的行洪能力略優(yōu)于改進后折線型實用堰，但改進后折線型實用堰的堰面紊動強度較大、范圍較廣，能有效增強水流挾沙能力，易使泥沙起動，一定程度上能避免堰面泥沙淤積問題，從而保證檢修閘門正常工作，保障樞紐安全運行。綜合對比分析，推薦采用改進后折線型實用堰。

水利樞紐；實用堰；行洪能力；過沙能力

低水頭水利樞紐常修建于平原河流，而平原河流多具有河面寬、流量大的特點，因此，滿足泄流能力是其設(shè)計階段的首要問題。WES堰因其流量系數(shù)大、泄流能力強而廣泛應(yīng)用于低水頭水利樞紐，但在某些工程實際應(yīng)用情況中，受泄流條件限制，對河床進行局部開挖，使得堰頂高程相對于河床較高，導(dǎo)致該堰過沙能力較弱，堰前泥沙淤積嚴(yán)重，如大源渡航電樞紐閘前都出現(xiàn)了不同程度的淤積，導(dǎo)致檢修閘門無法正常工作。因此，防止低水頭水利樞紐堰前泥沙淤積也是值得特別關(guān)注的問題。某樞紐中由于河床局部開挖，使得WES堰堰頂高程與河床平齊，過沙能力問題尤為突出，針對上述問題，本文采用泄水閘斷面水工模型試驗和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的辦法，針對某樞紐工程的泄流能力、過沙能力進行研究，提出合理的既滿足泄流能力又能兼顧防淤問題的方案。

1 物理模型設(shè)計

泄水閘斷面水工模型試驗在水槽中進行。采用1∶45的正態(tài)模型，按重力相似和阻力相似設(shè)計。相應(yīng)的其他比尺分別為：長度比尺λL＝45；流速比尺λV＝6.708，流量比尺λQ＝13 584.1，糙率比尺λn＝1.886。該樞紐閘孔凈寬22 m，閘室長度28 m，堰頂高程19.0 m，堰前河床局部開挖，堰前及消力池高程16.0 m，上下游河床高程19.0 m，模型示意圖如圖1所示。試驗工況選取2年一遇洪水期工況進行過沙能力試驗研究，2年一遇洪水期單寬流量為22.99 m3／（s·m），根據(jù)水位流量關(guān)系曲線，下游水位為32.57 m。

圖1 某樞紐斷面模型示意圖Fig.1 M odel of the section of a hydro-junction

2 數(shù)學(xué)模型設(shè)計及理論方法

2.1 控制方程

溢流堰的過堰水流屬于具有二維復(fù)雜自由表面的水氣兩相流［1］，本文采用二維模型進行數(shù)值模擬。目前，處理這類問題較理想的方法是VOF法。其流場計算基本控制方程如下。連續(xù)方程雷諾平均方程：式中：ρ為體積分?jǐn)?shù)平均密度；P為修正壓力；μ為體積分?jǐn)?shù)平均的分子黏性系數(shù)；νt為紊流黏性系數(shù)，νt為由平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項其它模型參數(shù)取值見表1。

表1 經(jīng)驗常數(shù)取值表Table1 Empirical constant values

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立及邊界條件

上下游河床、溢流堰及消力池均設(shè)為固壁邊界。固壁邊界處理為無滑移邊界條件，對于黏性底層采用無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。入口包含2部分：下部的水入口和上部的空氣入口。前者采用速度入口的邊界條件，而后者則采用壓力入口的邊界條件，出口邊界設(shè)置為壓力出口。其中，水入口的紊動動能和紊動動能耗散率由經(jīng)驗公式給出。

紊動動能：k＝0.037 5V2；

紊動動能耗散率：ε＝k1.5／（0.4H0） 。

式中：V為入口平均速度（m／s）；H0為入口處水深（m）。

3 成果分析

3.1 模型對比與驗證

本文選取2年一遇洪水期的泄流能力進行物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗值進行對比驗證，取水在某個單元中的體積率q＝0.5時的液面計算水面線，試驗結(jié)果如圖2所示。

物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗水面線如圖2所示，從圖中可以看出，計算水面線與實測水面線比較吻合，2種模型的試驗結(jié)果十分接近，說明該數(shù)學(xué)模型結(jié)果可用于試驗結(jié)果分析。

3.2 物理模型成果分析

3.2.1 泄流能力分析

物理模型試驗中2種堰型洪水期的壅高及綜合

圖2 2種堰型水面線Fig.2 W ater surface p rofiles of two weir types

流量系數(shù)如表2所示，各特征洪水流量時樞紐上下游水位差均小于25 cm，均滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》中平原地區(qū)水利樞紐行洪能力的要求。淹沒狀態(tài)下的壅高值和綜合流量系數(shù)，隨下泄流量的增加而增大。同種工況下，改進后折線型實用堰比WES堰的壅高水位高3～5 cm。但總的來說，同工況下WES堰的綜合流量系數(shù)略大于改進后折線型實用堰，說明WES堰的行洪能力略優(yōu)于新型改進后折線型實用堰。

表2 洪水期壅高值及綜合流量系數(shù)成果表Table 2 Backwater heights and integrated discharge coefficients during flood period

3.2.2 過沙能力分析

解決低水頭水利樞紐堰前泥沙淤積問題，通?？赏ㄟ^增大下泄單寬流量、閘門運行調(diào)度和改變堰型等工程措施予以解決。由于該樞紐下游河床抗沖能力有限，為減少對下游河床造成不利影響，本文對比2種堰型的過沙能力，以探討解決該問題的方法。本文采用清水模型試驗，試驗前在堰前鋪上5 cm厚度的泥沙，沖刷歷時約2 h。泥沙粒徑按照該樞紐所在河床地段的抗沖流速，根據(jù)流速比尺反推，泥沙粒徑為0.44～0.88 mm。

本文選取了2年一遇洪水期典型工況進行過沙能力試驗研究。試驗結(jié)果如圖3所示，WES堰前都有泥沙淤積，且檢修門槽處泥沙淤積比較嚴(yán)重，會影響到檢修閘門正常工作。而改進后折線型實用堰堰面及門槽處沒有淤積，不會影響檢修閘門正常工作。

圖3 過沙試驗示意圖Fig.3 Test of sediment transport

3.3 數(shù)學(xué)模型成果分析

由于在物理模型試驗中，受到試驗條件限制，難以對堰面流場及紊動能等方面進行深入而細(xì)致的測量，本文利用數(shù)學(xué)模型成果分析了堰面的流場及堰面紊動能，為對比分析2種堰型的過沙能力提供參考。3.3.1 流場分析

流場圖如圖4所示，WES堰堰面水流流速較為平順，水流流速沿程變化較小，水流紊動較弱，泥沙較易淤積。而改進后折線型實用堰由于堰前存在低坎，坎前水流受到阻滯，水流流速較小，易使泥沙淤積停留，但堰面由于邊界條件改變，底部存在較大流速梯度，流態(tài)較為紊亂，流速沿程變化較大，從而增大了水流的挾沙能力，泥沙較難淤積。

圖4 堰面流場分布圖Fig.4 Distribution of weir surface flow field

3.3.2 堰面紊動能分析

紊動能的分布與堰前泥沙淤積問題有著比較密切的關(guān)系。紊動對于泥沙起動的影響主要通過水體之間和水體與床面之間紊動產(chǎn)生的剪應(yīng)力，紊流中的泥沙沉降時所受的阻力由靜水沉降阻力和紊動應(yīng)力2部分疊加而成。默里通過試驗研究分析指出，顆粒沉速減小的程度隨其靜水沉速及紊動強度的增大而增大［2］，含有較大的紊動能水流挾沙能力較強，泥沙不易沉積。

圖5反映了2種不同堰型堰面紊動能分布情況。從圖5中可看出，改進后折線型實用堰堰面紊動能達(dá)到0.375 J，遠(yuǎn)大于WES堰，且改進后折線型實用堰堰面紊動范圍比WES堰更大，增強了水流挾流能力，有效防止了泥沙淤積停留，這與物理模型試驗中觀察的泥沙淤積現(xiàn)象一致。因此，改進后折線型實用堰能在一定程度上有效避免泥沙淤積，保證檢修閘門正常運行，保障樞紐正常工作。

圖5 堰面局部紊動能分布圖Fig.5 Turbulent kinetic energy distribution on parts of the weir surface

4 結(jié) 論

本文通過斷面水工模型試驗和有限體積法數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對2種不同堰型水面線、流場及堰面附近的紊動能分布情況進行了分析，可得出以下結(jié)論：

（1）通過物理模型試驗的行洪能力試驗結(jié)果可知：2種堰型均能滿足該樞紐的行洪能力要求，而WES堰比改進后折線型實用堰的綜合流量系數(shù)大，壅高值小，說明WES堰的泄流能力略優(yōu)。

（2）通過數(shù)學(xué)模型試驗結(jié)果和物理模型試驗現(xiàn)象可知：改進后折線型實用堰堰面由于邊界條件的突變，引起水流條件改變，底部存在較大流速梯度，紊動強烈，流速沿程變化較大，從而增大了水流的挾沙能力，能有效防止堰面的泥沙淤積。

（3）綜合對比WES堰和改進后折線型實用堰的泄流能力和過沙能力可知：2種堰型均能滿足行洪要求時，改進后折線型實用堰過沙能力明顯優(yōu)于WES堰，本工程推薦采用改進后折線型實用堰。

［1］ 陳大宏，陳 娓.溢流堰水流的三維模擬［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，（10）：54－56.（CHEN Dahong，CHENWei.Three-Dimensional Simulation of Flow over Weirs［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2005，（10）：54－56.（in Chinese））

［2］ 錢 寧，萬兆惠.泥沙運動力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Mechanics of Sediment Transport［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese））

［3］ 費文才.廟子頭水電站兩種堰型選擇水閘斷面模型試驗研究［J］.水電站設(shè)計，2002，（6）：101－104.（FEI Wen-cai.Model TestResearch Selecting Sluice Profile for Two Weir Types of Miaozitou Hydroelectric Plant［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2002，（6）：101－104.（in Chinese））

［4］ 王志東，汪德 .含閘墩溢流壩三維過壩水流數(shù)值模擬［J］.水科學(xué)進展，2004，（6）：735－738.（WANG Zhi-dong，WANG De-guan.Numerical Simulation of Three-Dimensional Flow for Spillway Containing Frusta［J］.Advances in Water Science，2004，（6）：735－738.（in Chinese））

［5］ 馮麗華.明渠彎道三維水流數(shù)值模擬研究［D］.揚州：揚州大學(xué)，2007.（FENG Li-hua.Study on Numerical Simulation for 3-D Flow in Channel Bend［D］.Yangzhou：Yangzhou University，2007.（in Chinese））

［6］ 張 挺，伍 超，盧 紅，等.X型寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能的三維流場數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報，2004，（8）：15－20.（ZHANG Ting，WU Chao，LU Hong，et al.3-D Numerical Simulation of Flow on Stepped Spillway Combined with X-shape Flaring Gate Piers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004，（8）：15－20.（in Chinese））

［7］ 李 玲，陳永燦，李永紅.三維VOF模型及其在溢洪道水流計算中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2007，（4）：83－87.（LILing，CHEN Yong-can，LIYong-hong.Three-Dimensional VOFModel and Its Application to the Water Flow Calculation in the Spillway［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2007，（4）：83－87.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Hydraulic Characteristic of Low PracticalW eir and Its Influence on Engineering

WU Guo-jun1，LIU Xiao-ping1，F(xiàn)ANG Sen-song1，SUNWen-hong1，HOU Bin2
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China；2.Infrastructure Department，China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China）

The flood discharge capacity and sediment transport capacity ofWESweir and improved practical weir with polygonal line in a low-head hydro-junction are comparatively analyzed through physicalmodel and mathematicalmodel.The results indicate that the two types of weir both meet the requirements of norms and regulations for flood discharge in plain area.The discharge capacity ofWESweir is better than that of the practicalweir；whereas the improved practicalweir ismore beneficial for the normal operation of bulkhead gate and the safe running of the whole hydro-junction as it has intensified and wide weir surface turbulence，which will increase the sediment transport capacity and enable the sediment initiate easily，thus refraining from sedimentation to a certain extent.By comprehensive comparison，the improved practicalweir with polygonal line is finally recommended.

hydro-junction；practicalweir；flood discharge capacity；sediment transport capacity

TV131.6

：A

1001－5485（2011）09－0021－04

2010-10-18；

2011-02-24

湖南省交通廳科技創(chuàng)新項目（200732）

吳國君（1985-），女，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事水利工程方面的研究工作，（電話）13467502249（電子信箱）wgjun＿123＠163.com。