大淹沒(méi)度低堰泄流能力研究

吳英卓，姜伯樂(lè)，何 勇

(長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

對(duì)于只能修建低水頭樞紐的工程，采用低堰泄流，其泄流能力直接決定了建筑物布置形式和工程效益的大小。本文研究的某水電站樞紐工程位于長(zhǎng)江干流重慶段，不允許工程過(guò)多地壅高河道水位，故采用低堰泄流。因長(zhǎng)江來(lái)流量大，且工程下游水位變幅大，達(dá)26.12m，低偃經(jīng)常在大淹沒(méi)水深及大淹沒(méi)度條件下運(yùn)行。為了減少上游淹沒(méi)且為了縮短溢流前緣長(zhǎng)度，應(yīng)盡可能提高低堰的泄流能力，因此對(duì)低堰體型及相關(guān)影響泄流能力的因素開(kāi)展了水力學(xué)試驗(yàn)研究。本文主要介紹了相關(guān)試驗(yàn)研究成果，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供參考。

2 工程基本資料及分析

該低堰工程壩址特征水位和流量列于表1，研究的溢流堰特征尺寸為堰頂高程172.0m、上游堰高P1=6m、下游堰高 P2=5m、單孔凈寬14.0m。該堰設(shè)計(jì)水頭 Hd=197.63－172.00=25.63 m，相對(duì)堰高 P1/Hd=0.23＜1.33為低偃;宣泄 p=20%～0.05%(p為洪水頻率)洪水時(shí)，下游淹沒(méi)水深hs＞18.0m，淹沒(méi)水深較大;且相應(yīng)淹沒(méi)度hs/H0在0.90以上，一般認(rèn)為hs/H0＞0.6即進(jìn)入大淹沒(méi)度范疇，由此可知該堰的淹沒(méi)度很大。

3 研究成果

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，本研究主要從堰型、上下游堰面坡度、堰高這3方面對(duì)泄流能力的影響著手。

3.1 堰型對(duì)泄流能力的影響

表1 壩址特征水位及流量Table 1 Characteristic water level and flow at the dam site

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)用堰及有坎(或無(wú)坎)寬頂堰。不同堰型的低堰，設(shè)計(jì)流量系數(shù)差異較為明顯，一般認(rèn)為，在同等條件下WES型實(shí)用堰泄流能力最大，而寬頂堰的泄流能力最小。對(duì)于曲線型實(shí)用堰，當(dāng)P1/Hd≤0.2時(shí)，其泄流能力與寬頂堰相同，而本次研究對(duì)象的P1/Hd=0.23，已接近0.2，表明曲線型實(shí)用堰泄流能力已與寬頂堰接近;因此選擇施工相對(duì)簡(jiǎn)單、流量系數(shù)介于寬頂堰和曲線型實(shí)用堰之間的折線型實(shí)用堰作為堰型優(yōu)化試驗(yàn)的比較堰型，兩比較堰型見(jiàn)圖1。

圖1 比較堰型示意圖Fig.1 Comparison of weir types

圖1中虛線為WES－Ⅰ型堰，此堰型稱為試驗(yàn)堰型Ⅰ，其上游堰坡直立，堰頂曲線形式是直接將高堰堰頂移用于低堰，上游堰頂為橢圓弧，堰頂下游曲線以堰頂為原點(diǎn)，滿足曲線方程［1］:

為了順滑銜接，WES型低偃的下游堰坡必形成緩坡，圖1所示W(wǎng)ES堰下游堰坡坡比為1∶6。顯然堰高越低，下游堰坡就會(huì)越緩，其流量系數(shù)m就越接近寬頂堰。

圖1中實(shí)線為折線型實(shí)用堰，此堰型稱為試驗(yàn)堰型Ⅱ，為便于比較，其上游堰坡亦選擇為直立，堰頂為平面，上游堰頂為1/4圓弧，堰頂下游通過(guò)一段銜接性圓弧接下游堰坡?？紤]到折線型實(shí)用堰流量系數(shù)隨堰頂厚度的增加而減小［2］，所以堰的厚度選擇是考慮在能夠支撐閘門的前提下盡量薄。另外，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)［3］，當(dāng)下游堰坡緩于1∶1時(shí)，泄流能力下降;下游堰坡坡比在1∶1～1∶2范圍內(nèi)時(shí)，流量系數(shù)減小不大;但當(dāng)下游堰坡坡比小于1∶2后，流量系數(shù)明顯下降。因此低偃的下游堰坡一般以不緩于1∶1為宜，若地形條件限制，不得不采用緩坡時(shí)，也應(yīng)盡量不緩于1∶2。該比較堰型下游堰坡選擇為1∶2。該堰在宣泄 p=5%～0.05%洪水時(shí)，δ/H＜0.67，按常規(guī)劃分應(yīng)屬薄壁堰范疇，但因研究對(duì)象的P1/Hd＜0.3，則可能向?qū)掜斞哌^(guò)渡［2］。

試驗(yàn)比較了圖1所示2堰型下泄q=14.29～144.29 m2/s 8級(jí)流量時(shí)的泄流能力，研究發(fā)現(xiàn)，各級(jí)流量下基本存在如下規(guī)律:堰下游水流流態(tài)為產(chǎn)生完全水躍的自由出流狀態(tài)，或?yàn)榫哂邢聺撍嗟难蜎](méi)水躍的緩流狀態(tài)時(shí)，WES堰泄流能力較大。而當(dāng)下游淹沒(méi)度加大，下游流態(tài)為不產(chǎn)生水躍的完全淹沒(méi)緩流狀態(tài)時(shí)，折線堰的泄流能力略大。將 q=70.00，88.57，107.14m2/s 3 級(jí)流量時(shí)WES 堰與折線堰的堰上水頭H與下游淹沒(méi)水深hs關(guān)系曲線同時(shí)繪于圖2。由圖2可知，宣泄q=70m2/s流量時(shí)，在hs＜13.30m區(qū)間泄流能力以WES堰略大，而隨下游淹沒(méi)水深進(jìn)一步加大(相應(yīng)淹沒(méi)度亦加大)至hs＞13.30m(hs/H0＞0.93)后，反以折線堰的泄流能力略大;宣泄q=88.57 m2/s流量時(shí)，hs＜17.04m區(qū)間，泄流能力以WES 堰略大，hs＞17.04m(hs/H0＞0.94)后以折線堰的泄流能力略大;宣泄 q=107.14m2/s流量時(shí)，hs＜22.18 m區(qū)間泄流能力以WES堰略大，hs＞22.18m(hs/H0＞0.95)后以折線堰的泄流能力略大，其余各級(jí)流量也基本上在hs/H0=0.90～0.95時(shí)為堰型轉(zhuǎn)換分界點(diǎn)。各級(jí)流量堰型轉(zhuǎn)換分界點(diǎn)處P1/H=1.19～0.26，均在低堰范圍內(nèi)。即對(duì)于圖1所示比較的兩堰型，當(dāng)P1/H＜1.33，在hs/H0＞0.90～0.95時(shí)以折線堰泄流能力大。

圖2 堰型Ⅰ與堰型Ⅱ泄流能力比較Fig.2 Comparison of discharge capacity between the two weir types

研究表明:①隨著下游淹沒(méi)水深的加大，WES堰泄流能力大的優(yōu)勢(shì)愈來(lái)愈小，且在一定淹沒(méi)度后，其泄流能力反而弱于形式恰當(dāng)?shù)恼劬€堰。②低偃泄洪時(shí)，當(dāng)淹沒(méi)度 hs/H0＞0.90～0.95時(shí)，堰體 δ/H≤0.67且下游堰坡較陡的折線堰比相同堰高的WES型低堰泄流能力大。同時(shí)也驗(yàn)證了堰的自由泄流流量系數(shù)m值越大，其相對(duì)臨界淹沒(méi)度越小，即淹沒(méi)影響出現(xiàn)得越早［4］，且上述研究成果還說(shuō)明自由泄流流量系數(shù)m值較大的堰型，其流量系數(shù)隨淹沒(méi)度加大衰減得更快，即受淹沒(méi)影響更大。

3.2 上、下游堰面坡度對(duì)泄流能力的影響

3.2.1 上游堰坡

根據(jù)李煒［5］的研究成果，折線型低堰上游坡坡比為1∶0.5時(shí)，流量系數(shù)比直立坡大2%，因此對(duì)圖1所示折線型實(shí)用堰，保持下游堰坡坡比1∶2不變，比較上游為直立和坡比為1∶0.5兩種堰的泄流能力大小。試驗(yàn)結(jié)果表明，在下游水位較高、淹沒(méi)度較大時(shí)，上游坡比為1∶0.5試驗(yàn)堰型泄流能力略小，分界點(diǎn)在堰型分界點(diǎn)左右。如宣泄q=107.14m2/s流量時(shí)，hs＜23.0m區(qū)間泄流能力以坡比1∶0.5上游坡的略大，hs＞23.0m(hs/H0＞0.95)后以上游直立坡的泄流能力略大。因此，對(duì)于P1/H＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95淹沒(méi)度下運(yùn)行，其上游堰坡為直立坡時(shí)泄流能力較大。

3.2.2 下游堰坡

對(duì)圖1所示折線型實(shí)用堰，保持上游堰坡直立，比較了坡比為1∶2和1∶6.5下游堰坡的泄流能力大小，將試驗(yàn)得 到 的q=70，88.57，107.14m2/s 3級(jí)流量時(shí)上述2種堰坡的堰上水頭H與下游淹沒(méi)水深hs關(guān)系曲線同時(shí)繪于圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，在大淹沒(méi)度下運(yùn)行的低堰，下游堰坡為緩坡的試驗(yàn)堰型泄流能力略小，即下游堰坡以陡坡為佳。

圖3 不同下游堰坡泄流能力比較Fig.3 Comparison of discharge capacity between the two weir types with different downstream weir slopes

3.3 上下游堰高對(duì)泄流能力的影響

保持圖1所示折線型實(shí)用堰上下游堰坡不變，將堰頂高程由172.0m降低至170.0m，相應(yīng)堰高降低2.0m。此比較堰型稱為試驗(yàn)堰型Ⅲ。

試驗(yàn)結(jié)果表明，下游水流流態(tài)為產(chǎn)生完全水躍的自由出流狀態(tài)，或?yàn)榫哂邢聺撍嗟难蜎](méi)水躍的緩流狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)堰型Ⅲ泄流能力比試驗(yàn)堰型Ⅱ大較多，但隨著下游水位的升高，下游出現(xiàn)不產(chǎn)生水躍的完全淹沒(méi)緩流流態(tài)時(shí)兩堰型泄流能力的差距迅速減小。如在下游水位Z下=175.0m，單孔下泄Q=460m3/s時(shí)，采用試驗(yàn)堰型Ⅱ時(shí)上游水位 Z上=178.95m，而采用試驗(yàn)堰型Ⅲ時(shí)上游水位降低2.77 m，僅為176.18 m;而在Z下=180.0m，單孔下泄Q=460m3/s時(shí)，采用試驗(yàn)堰型Ⅱ時(shí) Z上=180.41m，而采用試驗(yàn)堰型Ⅲ時(shí)上游水位僅降低0.09 m，為180.32m。顯然，堰高的降低增大了泄流能力。但隨著淹沒(méi)水深的加大，降低堰高對(duì)泄流能力的影響逐漸被弱化。分析原因?yàn)?同一下游水位條件下，堰高較小的堰泄流時(shí)淹沒(méi)水深更大，相應(yīng)淹沒(méi)度也更大，加大的淹沒(méi)水深和淹沒(méi)度削弱了堰高降低對(duì)泄流能力的影響。

3.4 工程實(shí)例分析

前面的試驗(yàn)為單純地對(duì)某一堰型進(jìn)行泄流能力研究，各堰型泄流能力曲線均為某一流量級(jí)下上下游水位關(guān)系曲線，而實(shí)際工程樞紐下游水位與總下泄流量是一一對(duì)應(yīng)的，如樞紐下泄流量Q=42 600m3/s(p=20%)時(shí)，此時(shí)下游水位 H下=190.14m［6］，假設(shè)此洪量全由 42 孔泄水孔宣泄，并按每個(gè)泄水孔泄量一樣折算，p=20%洪水、Q=42 600m3/s的單孔泄量為1 014.29 m3/s，這樣就可由單孔泄量以及對(duì)應(yīng)下游水位，通過(guò)各堰型的泄流能力曲線查出相應(yīng)上游水位，比較各堰型上游水位高低就可判斷各堰型的優(yōu)劣。

根據(jù)上述方法計(jì)算出各堰型宣泄p=20%，5%，設(shè)計(jì)以及校核洪水時(shí)相應(yīng)上下游水位值列于表2。

表2 各堰型宣泄特征流量時(shí)對(duì)應(yīng)的上下游水位值Table 2 Upstream and downstream water levels corresponding to discharged flow of different weir types

由表2可知，在樞紐宣泄p=20%洪水時(shí)，堰的下游淹沒(méi)水深hs=17.88 m，試驗(yàn)堰型Ⅱ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低4cm;在樞紐宣泄p=5%洪水時(shí)，堰的下游淹沒(méi)水深hs=20.47 m，試驗(yàn)堰型Ⅱ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低11cm。由此可知隨著泄量加大，相應(yīng)下游淹沒(méi)水深加大，折線型實(shí)用堰——試驗(yàn)堰型Ⅱ的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。計(jì)算2堰型宣泄各特征流量時(shí)堰的淹沒(méi)度均大于0.90，由此表明該樞紐宣泄p=20%以上流量時(shí)，均處于試驗(yàn)堰型Ⅱ的優(yōu)勢(shì)區(qū)，該樞紐低堰堰型以采用折線型實(shí)用堰為優(yōu)。

另外從表2還可知，在樞紐宣泄p=20%洪水時(shí)，試驗(yàn)堰型Ⅲ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低15cm;在樞紐宣泄p=5%洪水時(shí)，試驗(yàn)堰型Ⅲ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低15cm;在樞紐宣泄p=0.2%設(shè)計(jì)洪水時(shí)，試驗(yàn)堰型Ⅲ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低9cm;在樞紐宣泄p=0.02%校核洪水時(shí)，試驗(yàn)堰型Ⅲ比試驗(yàn)堰型Ⅰ上游水位低6cm。由此可以看出:隨著泄量的加大，下游淹沒(méi)水深加大，堰高的改變對(duì)泄流能力的影響越來(lái)越小。

總之，對(duì)于處于大淹沒(méi)水深下的低偃，其堰高以及堰面形式對(duì)泄流能力的影響有限，因此若想通過(guò)降低堰頂高程或改變堰面形式來(lái)大幅增加泄流能力是不可行的。

對(duì)于大淹沒(méi)度下低堰泄流能力的影響因素研究，是一個(gè)有待進(jìn)一步深入研究的課題。在一定的淹沒(méi)水深范圍內(nèi)，由于低堰各種堰型受同一因素影響程度不一樣，故堰型對(duì)低堰泄流能力的影響較大，而當(dāng)淹沒(méi)水深加大到一定程度后堰型對(duì)低堰的泄流能力的影響甚微。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于P1/Hd＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹沒(méi)度下運(yùn)行時(shí)，下游堰坡為陡坡且δ/H≤0.67的折線型實(shí)用堰比相同堰高的WES堰泄流能力大。

(2)對(duì)于P1/Hd＜1.33的折線型低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹沒(méi)度下運(yùn)行時(shí)，以上游堰坡直立、下游堰坡較陡的堰型泄流能力大。

(3)大淹沒(méi)水深下運(yùn)行的低堰，降低堰頂高程，減小堰高可增大泄流能力，但低偃堰高以及堰面型式的變化對(duì)泄流能力的影響有限。

［1］李家星，趙振全.水力學(xué)(下)(2版)［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2001:11－12.(LI Jia-xing，ZHAO Zhenquan.Hydraulics(2nd Edition)［M］.Nanjing:Hohai University Press，2001:11－12.(in Chinese))

［2］童海鴻，艾克明，丁新求.折線型實(shí)用堰過(guò)流能力研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2002，19(2):7－10.(TONG Hai-hong，AI Ke-ming，DING Xin-qiu.Discharge Capacity of Broken-Line Practical Weir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2002，19(2):7－10.(in Chinese))

［3］童海鴻，李夢(mèng)成，丁新求.低堰體型與泄流能力關(guān)系的初步研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(4):25－28.(TONG Hai-hong，LI Meng-cheng，DING Xin-qiu.Relation Between Low Weir Shape and Discharge Capacity［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(4):25－28.(in Chinese))

［4］童海鴻，嚴(yán)忠民，艾克明.高淹沒(méi)度下低堰泄流能力初步研究［J］.人民長(zhǎng)江，2003，34(7):59－61.(TONG Hai-hong，YAN Zhong-ming，AI Ke-ming.Preliminary Investigation on the Discharge Capacity of Low Weir with Big Submergence Depth［J］.Yangtze River，2003，34(7):59－61.(in Chinese))

［5］李 煒.水力計(jì)算手冊(cè)(2版)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006:96－97.(LI Wei.Handbook of Hydraulic Calculation(2nd Edition)［M］.Beijing:China Water Power Press，2006:96－97.(in Chinese))

［6］吳英卓，何 勇，姜伯樂(lè).小南海水電站泄水孔堰型比較斷面模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，2011.(WU Ying-zhuo，HE Yong，JIANG Bo-le.Report on Model Test of Comparing Different Sections of Weir Shape of Xiaonanhai Hydropower Station［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2011.(in Chinese ))