側(cè)壁角對(duì)梯形琴鍵堰泄流能力的影響

袁 柳，吉慶豐

(揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 研究背景

隨著越來(lái)越多的水庫(kù)對(duì)蓄水需求的增加，以及對(duì)大壩安全的要求越來(lái)越高，部分溢洪道的泄流能力不能滿足實(shí)際需求，需要尋找措施來(lái)解決過流的要求。通常采取增加溢洪道寬度、降低溢洪道頂部高程、用其他堰型代替現(xiàn)有的直線堰等措施。然而，增加溢洪道寬度會(huì)受到地形條件的限制，降低溢洪道頂部高程則需要在堰頂增設(shè)控制建筑物，如閘門等，帶來(lái)運(yùn)營(yíng)管理成本，經(jīng)濟(jì)性不高。

琴鍵堰(P.K堰)最早由法國(guó)人Lempérière等[1]發(fā)明，它是迷宮堰的進(jìn)一步發(fā)展，將迷宮堰的宮室向上下游懸挑，不僅可以保持迷宮堰原有的堰頂長(zhǎng)度，還可以減小基礎(chǔ)面積，從而減少建筑成本，克服了迷宮堰的不足。近些年，Pfister等[2]、Ribeiro等[3]對(duì)P.K堰的水力設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)李珊珊等[4]、姜鐸等[5]分別研究了堰高和上下游倒懸比對(duì)過流能力的影響。祁媛媛等[6]將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，論證了數(shù)值模擬的合理性。Machiels等[7]通過試驗(yàn)研究了P.K堰的流動(dòng)特征。而李國(guó)棟等[8]利用數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)研究了不同溢流前緣的水流特性。Ribeiro等[3]、Kabiri-Samani等[9]、郭新蕾等[10]和胡晗等[11]擬合了P.K堰的流量系數(shù)。Karaeren等[12]、Anderson等[13]比較P.K堰和迷宮堰的水力性能，認(rèn)為P.K堰的性能更為優(yōu)越。

盡管人們對(duì)P.K堰進(jìn)行了大量研究，但很少有人去研究梯形琴鍵堰(T.P.K堰)，Safarzadeh等[14]依據(jù)梯形迷宮堰的設(shè)想，嘗試改變側(cè)壁角，將T.P.K堰、P.K堰和迷宮堰3種堰進(jìn)行對(duì)比，從而得出了T.P.K堰可能擁有更高過流能力的結(jié)論。但他并沒有專門對(duì)側(cè)壁角進(jìn)行研究。

本文在不改變泄槽寬度的情況下，僅改變側(cè)壁角，研究不同側(cè)壁角對(duì)T.P.K堰過流能力的影響，并且利用數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不同溢流前緣進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)通過流態(tài)、流速等解釋側(cè)壁角對(duì)過流能力的內(nèi)在影響原因。

2 T.P.K堰的模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

2.1 T.P.K堰的幾何參數(shù)與模型建立

T.P.K堰的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如圖1、圖2所示。T.P.K堰的幾何參數(shù)有：進(jìn)水宮室上、下游寬度Wiu、Wid；出水宮室上、下游寬度Wou、Wod；T.P.K堰堰單元寬度Wu；泄槽總寬度即堰寬W；進(jìn)口倒懸長(zhǎng)度Bi；出口倒懸長(zhǎng)度Bo；基座長(zhǎng)度Bb；堰長(zhǎng)B=Bi+Bo+Bb；壁厚Ts；側(cè)壁與主流方向的夾角即側(cè)壁角α；T.P.K堰堰高P；T.P.K堰堰以下高度Pd；進(jìn)水宮室坡度Si；出水宮室坡度So。T.P.K堰單元是T.P.K堰的基本結(jié)構(gòu)，一個(gè)T.P.K堰單元由一個(gè)進(jìn)水宮室、兩個(gè)側(cè)堰、兩個(gè)半出水宮室組成。

圖1 T.P.K堰結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of trapezoidal piano key (TPK) weir

圖2 T.P.K堰剖面圖Fig.2 Profile of TPK weir

為了研究不同側(cè)壁角對(duì)泄流能力的影響，本文采用5組不同的側(cè)壁角，泄槽總寬度為0.39 m。保證相同的堰高、堰寬和堰長(zhǎng)。Lempérière把進(jìn)、出口倒懸長(zhǎng)度相等的堰型稱作對(duì)稱A型T.P.K堰，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，故設(shè)置Bo/Bi=1。而Wou/Wid=1也是最基本的體型結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體尺寸如表1所示。其中，L為T.P.K堰的溢緣總長(zhǎng)，L的改變是由于堰長(zhǎng)和堰寬一定時(shí)，增大側(cè)壁角會(huì)擠壓進(jìn)、出口溢緣，而側(cè)堰溢緣的長(zhǎng)度卻拉伸得很少，從而使L減小。

表1 T.P.K堰模型幾何尺寸

2.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域如圖3所示，為了使水流穩(wěn)定，上游行進(jìn)段設(shè)置為4 m，下游設(shè)置為2 m。整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格劃分在ICEM軟件里進(jìn)行，在T.P.K堰段，由于區(qū)域的復(fù)雜性，選擇四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，即網(wǎng)格一。網(wǎng)格二選擇均勻的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，堰體局部網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格總數(shù)約為3.2×106。

圖3 T.P.K堰計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of TPK weir

圖4 堰體局部網(wǎng)格Fig.4 Local grids of weir body

3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

3.1 湍流模型

本文選用RNGk-ε模型，該模型通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)中體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得的輸運(yùn)方程為：

ρε-YM+Sk；

(1)

(2)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM表示可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；αk和αε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)；ρ為密度；t為時(shí)間；ui為xi方向上的速度分量；uj為xj方向上的速度分量；μeff為湍流粘性系數(shù)；Rε為方程附加項(xiàng)。

3.2 自由水面處理

T.P.K堰的水流屬于帶有自由表面的水流流動(dòng)，采用VOF法對(duì)該復(fù)雜自由水面進(jìn)行處理，通過求解動(dòng)量方程和體積分?jǐn)?shù)的方法來(lái)模擬多種互不混摻的流體運(yùn)動(dòng)。在VOF法中，不同的流體共用一套動(dòng)量方程，通過引進(jìn)體積分?jǐn)?shù)這一變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)計(jì)算單元相界面的追蹤，其中水和氣不發(fā)生質(zhì)量交換，具有相同的速度和壓力場(chǎng)。在VOF法中，追蹤第m相流體自由水面的控制微分方程為

(3)

式中：αm為水的體積分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間；ui和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量(i=1，2，3)。

3.3 邊界條件

如圖3所示，入口邊界由水壓力進(jìn)口和空氣壓力進(jìn)口組成，均為壓力進(jìn)口邊界；出口為自由出流，設(shè)為壓力出口邊界，墻壁為無(wú)滑移邊界條件。湍流參數(shù)k、ε采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：

k=0.003 75u2；

(4)

ε=k1.5/(0.4h) 。

(5)

式中：u為進(jìn)口流速；h為T.P.K堰堰上水頭。

3.4 模型驗(yàn)證

本文采用Kumar等[15]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證(P.K堰，即α=0°)，采用的模型尺寸與試驗(yàn)一致，共設(shè)有10種不同的水頭條件，用H/P表示，H包含堰上水頭和行進(jìn)流速水頭，即H/P=0.102、0.208、0.354、0.490、0.626、0.775、0.860、0.935、1.061、1.197。通過和試驗(yàn)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)(圖5)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的平均相對(duì)誤差為3.04%。當(dāng)水頭極低(H/P=0.102)時(shí)，最大相對(duì)誤差為7.10%，其余相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，證明采用數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖5 模擬流量與試驗(yàn)流量比較Fig.5 Comparison between simulated discharge and experimental discharge

4 T.P.K堰泄流能力

4.1 總泄流能力

經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算，可以得出T.P.K堰不同側(cè)壁角的總泄流量(表2)，結(jié)果表明α=-3°時(shí)，T.P.K堰的部分泄流能力不如P.K堰(α=0°)，而α=6°和α=9°對(duì)應(yīng)的泄流量相對(duì)較高。

為了驗(yàn)證T.P.K堰具有超強(qiáng)的泄流能力，Leite Ribeiro等[3]提出超泄比r，即用T.P.K堰的泄流量除以對(duì)應(yīng)情況下等寬薄壁堰的泄流量，薄壁堰的流量公式為

(6)

式中：h為堰上水頭；g為重力加速度。

流量系數(shù)m用雷卜克公式計(jì)算，即

m=0.407+0.053 3h/P。

(7)

表2 T.P.K堰不同側(cè)壁角的泄流流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

如圖6所示，當(dāng)水頭很低(H/P=0.102)時(shí)，T.P.K堰的泄流量是等寬薄壁堰泄流量的4.5倍左右，效率最高，不同側(cè)壁角的超泄比相差不大。隨著水頭的增加，超泄比下降。當(dāng)H/P=0.490時(shí)，超泄比已下降為2.5左右，衰減的速度較快，不同側(cè)壁角對(duì)應(yīng)的超泄比也逐漸產(chǎn)生差異。其后，水頭繼續(xù)增加，超泄比的下降也趨于緩慢，泄流量只有普通薄壁堰的1.5倍，不同側(cè)壁角之間的泄流量差異也變得更為明顯。

圖6 不同側(cè)壁角超泄比與堰上相對(duì)水頭關(guān)系Fig.6 Relations between discharge amplification ratio and H/P with different side wall angles

為了比較改變側(cè)壁角帶來(lái)的的流量差異，將以α=0°的流量作為參考，繪制不同側(cè)壁角下流量相對(duì)增長(zhǎng)百分?jǐn)?shù)與相對(duì)水頭的關(guān)系圖(圖7)。當(dāng)側(cè)壁角為負(fù)數(shù)時(shí)，在水頭很低(H/P=0.102)時(shí)，泄流能力比P.K堰高出0.5%，其余泄流能力都不如P.K堰，當(dāng)H/P=1.197，α=-3°的泄流量比P.K堰的泄流量低出5.7%，說(shuō)明側(cè)壁角為負(fù)數(shù)，對(duì)泄流能力產(chǎn)生不利影響。當(dāng)側(cè)壁角為正數(shù)時(shí)，在低水頭(H/P=0.102)，T.P.K堰的泄流量低于P.K堰泄流量，隨著水頭的升高(0.208

圖7 不同側(cè)壁角流量相對(duì)增長(zhǎng)百分?jǐn)?shù)與堰上相對(duì)水頭關(guān)系Fig.7 Relations between relative growth percentage of flow and H/P with different side wall angles

4.2 各溢流前緣泄流能力分析

如圖8所示，流經(jīng)T.P.K堰的水流可看作由進(jìn)、出口溢緣，側(cè)堰溢緣3部分流出的水流組成。在數(shù)值模擬中利用面積分的方法，可以分別積分計(jì)算通過T.P.K堰3部分溢流前緣上的泄流量，從而可以更細(xì)致地研究不同側(cè)壁角對(duì)T.P.K堰的影響。

圖8 T.P.K堰各溢流前緣 (α=3°)Fig.8 Front overflow edges of TPK weir(α=3°)

繪制不同側(cè)壁角下各溢流前緣泄流量占總流量百分?jǐn)?shù)圖，可以得到各溢流斷面在泄流過程中所占的比重。

由圖9可知，隨著相對(duì)水頭的升高，流經(jīng)進(jìn)、出口溢緣流量占總流量的比重上升，流經(jīng)側(cè)堰溢緣的水流占總流量比重呈下降趨勢(shì)。由圖9(a)、圖9(b)可知，不同側(cè)壁角對(duì)流經(jīng)進(jìn)、出口溢緣的流量百分?jǐn)?shù)影響類似。都為在α=-3°時(shí)，流經(jīng)進(jìn)、出口溢流前緣的水流比重最多，α=9°時(shí)，流經(jīng)進(jìn)、出口溢流前緣的水流比重最小。并且隨著水頭的增加，α=-3°流經(jīng)進(jìn)、出口溢緣的百分?jǐn)?shù)增加幅度較大，而α=9°則相反。這說(shuō)明側(cè)壁角的增大使流經(jīng)進(jìn)、出口水流的比重減少，并且隨著水頭的增加，減少的越多。

由圖9(c)可知，與進(jìn)、出口溢緣相比，側(cè)堰泄流流量在整個(gè)泄流過程中所占的比例最高，最高占比為90.36%，隨著側(cè)壁角的增大，流經(jīng)側(cè)堰的水流占比也越大，當(dāng)α=9°時(shí)，側(cè)堰百分比都維持在較高水平。同時(shí)側(cè)壁角的增大，側(cè)堰百分比隨相對(duì)水頭升高的變化幅度逐漸減小。

圖9 不同側(cè)壁角下各溢流前緣泄流量所占百分比Fig.9 Curves of the percentage of overflow front discharge flow with different side wall angles

用各溢流前緣的泄流量除以等寬薄壁堰的泄流量可以評(píng)估各溢流前緣的泄流效率。如圖10所示，各溢緣的泄流效率都隨相對(duì)水頭的增加在減小，其中側(cè)堰出流的泄流效率減小幅度較為迅速，減小幅度在65.5%～78.1%之間。由圖10(a)可知，在水頭極高或極低的情況下，不同側(cè)壁角會(huì)對(duì)進(jìn)口泄流效率產(chǎn)生差異，其他水頭條件下變化不大。由圖10(b)可知，不同側(cè)壁角的出口效率相差也很小，α=9°的出口效率略小于其他側(cè)壁角的出口效率，但隨著水頭的增加，差距在逐漸減小。由圖10(c)可知，α=9°的側(cè)堰泄流效率最高，并且側(cè)壁角越大，對(duì)應(yīng)的側(cè)堰泄流效率越高。隨著相對(duì)水頭的增加，不同側(cè)壁角的側(cè)堰泄流效率差距也逐漸增大?？傊?，側(cè)堰泄流效率是影響不同側(cè)壁角泄流能力的主要原因。

圖10 不同側(cè)壁角下各溢流前緣泄流效率Fig.10 Efficiency of overflow front discharge with different side wall angles

5 流動(dòng)特性

對(duì)T.P.K堰的流動(dòng)特性進(jìn)行研究，可以進(jìn)一步闡釋不同側(cè)壁角帶來(lái)的影響。

由圖11(a)可知，對(duì)于低水頭情況，T.P.K堰的進(jìn)水宮室表面輪廓非常平坦，進(jìn)入出口宮室的水流沿著出口宮室倒懸坡度自由下泄。圖11(b)為T.P.K堰的三維流場(chǎng)，顯示水流大概運(yùn)動(dòng)軌跡，底層水流主要從進(jìn)口宮室流出，中部水流從側(cè)堰出口流出，表層水流一部分從出口直接留出，另一部分則通過側(cè)堰向下游排泄。由于相對(duì)水頭較低，在出口宮室的3股水流挑距很小，水流之間不會(huì)相互影響，各溢緣類似于展開的等寬薄壁堰，水流都處于自由溢流的狀態(tài)，這也是低水頭時(shí)整體泄流效率較高的原因。

圖11 T.P.K堰流態(tài)圖和三維流場(chǎng)(H/P=0.102，α=3°)Fig.11 Flow pattern and three-dimensional streamlines of TPK weir (H/P=0.102，α=3°)

對(duì)于中高水頭，表層水流經(jīng)過側(cè)堰后，在出水宮室交叉碰撞，形成堵塞，如圖12(a)所示。隨后出水宮室被淹沒，阻礙了水流的通過。隨著側(cè)壁角增大，出口宮室逐漸擴(kuò)張，如圖12(b)、圖12(c)所示，流經(jīng)側(cè)堰的兩股水流逐漸分開，兩股水流的沖擊的高度也隨之下降，降低了兩股水流的干擾程度，使流經(jīng)側(cè)堰的水流順利下泄，從而提高了側(cè)堰的泄流效率，增加了T.P.K堰的泄流能力。

同時(shí)，部分中層水流也會(huì)進(jìn)入出水宮室，加劇堰的堵塞。由圖13可知，大量的水流從進(jìn)水宮室涌入，在進(jìn)水宮室坡度Si的作用下，水流沿著進(jìn)口宮室逐漸抬升，進(jìn)水宮室所能容納的流量逐漸減小，到了進(jìn)水宮室的尾端，允許通過的流量十分有限，只有少

圖12 3種不同工況出口宮室橫剖面水流流態(tài) (H/P=0.860)Fig.12 Flow regime at horizontal profiles of the exit chamber under three conditions (H/P=0.860)

圖13 3種不同工況出口宮室縱剖面水流流態(tài) (H/P=0.860)Fig.13 Flow regime at vertical profiles of the exit chamber under three conditions (H/P=0.860)

部分的水流能從進(jìn)口溢緣流出，此時(shí)這些水流只能從側(cè)堰流出，增加側(cè)堰的負(fù)擔(dān)。

側(cè)堰在T.P.K堰的流動(dòng)過程中扮演著重要的作用，側(cè)堰的效率極大地影響著T.P.K堰的過流能力。圖14為T.P.K堰的中等深度的水流在側(cè)堰上的分布。不同的側(cè)壁角在側(cè)堰上的水流分布不同，隨著側(cè)壁角的增加，中層水流在側(cè)堰上流經(jīng)更寬的溢緣(即Lα=9°

圖14 3種工況中層流線(H/P=0.490)Fig.14 Mid level streamlines under three conditions (H/P=0.490)

圖15顯示了3種不同T.P.K堰的近水面層流線，不同側(cè)壁角的表層流線在側(cè)堰上差異比較明顯，α=-3° 的T.P.K堰在側(cè)堰的后端沒有表面流線，隨著側(cè)壁角的增加，側(cè)堰上的表面流線逐漸增多，并且表面流線在側(cè)堰上的分布更均勻。而側(cè)堰又占整個(gè)泄流比例最大，所以這些水流特征提高了T.P.K堰側(cè)堰的泄流效率。

圖15 3種工況表層流線(H/P=0.490)Fig.15 Surface streamlines under three conditions (H/P=0.490)

在近水層，T.P.K堰的側(cè)堰出流類似于斜側(cè)堰，Borghei等[16]、Ura等[17]對(duì)這種類型的斜側(cè)堰進(jìn)行了研究，認(rèn)為斜側(cè)堰的流量系數(shù)與導(dǎo)流角θ有關(guān)(圖15)。對(duì)于α>0°，α=9°對(duì)應(yīng)的斜側(cè)堰擁有的流量系數(shù)最高，并且擁有的斜側(cè)堰長(zhǎng)度更長(zhǎng)。盡管α=-3°也對(duì)應(yīng)著另一種情況的斜側(cè)堰，但是在這種情況下，T.P.K堰的出口宮室末端更易形成擁堵，抬高了末端水位，導(dǎo)致表層水流向出口宮室前端移動(dòng)擠壓，在側(cè)堰上形成了不良的水流條件。

不同側(cè)壁角對(duì)應(yīng)的進(jìn)水宮室形狀也不盡相同，盡管只有一小部分水流從進(jìn)口溢緣流出，但還有大部分水流首先進(jìn)入進(jìn)水宮室，再通過側(cè)堰流向出水宮室，所以進(jìn)水宮室里的水流條件也對(duì)T.P.K堰的泄流能力產(chǎn)生重要影響。

圖16為進(jìn)水宮室上游懸伸處中層深度的x方向速度云圖和速度矢量圖。發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)壁角的增加，進(jìn)入進(jìn)水宮室的水流面積增大，進(jìn)而減小了水流流入進(jìn)水宮室速度，降低了水流的流動(dòng)慣性，為流經(jīng)側(cè)堰的水流提供更好的水流條件。

圖16 不同側(cè)壁角進(jìn)口速度分布(H/P=0.490)Fig.16 Distribution of inlet velocity with different sidewall angles (H/P=0.490)

如圖16(a)、16(b)所示，側(cè)壁附近出現(xiàn)負(fù)速度，形成了一個(gè)小型的回流區(qū)，回流區(qū)的存在減少了水流流經(jīng)進(jìn)水宮室的有效寬度，并且導(dǎo)致了流線的集中，阻礙了水流的流動(dòng)，對(duì)水流結(jié)構(gòu)不利。如圖16(c)、16(d)所示，隨著側(cè)壁角的增加，回流區(qū)逐漸消失，使進(jìn)入進(jìn)水宮室的速度分布變得均勻，有利于水流的流動(dòng)。

雖然增大側(cè)壁角會(huì)改善T.P.K堰的水流流態(tài)，但正如表2所示，并不是越大的側(cè)壁角對(duì)應(yīng)的泄流流量越大，因?yàn)樵谠黾觽?cè)壁角的同時(shí)，會(huì)損失進(jìn)、出口溢流前緣的長(zhǎng)度，與P.K堰相比，α=6°的進(jìn)、出口溢緣長(zhǎng)度就已經(jīng)減少了近一半，損失的長(zhǎng)度為側(cè)壁角的正切值與堰長(zhǎng)的乘積，從而解釋了低水頭各側(cè)壁角少許流量差異的原因。同時(shí)，無(wú)論水頭的高低，進(jìn)、出口溢緣的泄流效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于側(cè)堰的泄流效率，所以無(wú)限擴(kuò)大側(cè)壁角是不可取的。

6 結(jié) 論

本文通過三維數(shù)值模擬研究不同側(cè)壁角對(duì)T.P.K堰泄流能力的影響，對(duì)比分析了T.P.K堰的流量、流態(tài)、流速等水力特性，結(jié)果表明：α=-3°的泄流能力相對(duì)較弱，增加側(cè)壁角會(huì)使T.P.K堰的泄流能力得到提升，并且在相對(duì)水頭不是很高時(shí)，α=6°的泄流能力最強(qiáng)。通過研究進(jìn)口、出口、側(cè)堰上的流量百分?jǐn)?shù)、泄流效率，發(fā)現(xiàn)流經(jīng)側(cè)堰的水流比例最大，并且側(cè)堰效率是影響T.P.K堰泄流能力的主要因素。隨著側(cè)壁角的增大，流經(jīng)側(cè)堰的水流所占比例逐漸增加，同時(shí)，側(cè)堰的泄流效率越高。

從流動(dòng)結(jié)構(gòu)上看，對(duì)于低水頭，流線均勻的分布在T.P.K堰的各個(gè)溢緣，且均為自由出流狀態(tài)，水流之間互不干擾，總體泄流效率很高，并且不同側(cè)壁角之間的差異不大。對(duì)于中高水頭，增加側(cè)壁角會(huì)使出口鍵逐漸張開，流經(jīng)側(cè)堰水流交叉碰撞的位置逐漸降低，減少了出水宮室的堵塞，使水流順利下泄。同時(shí)側(cè)壁角的增加會(huì)使中、表層水流在側(cè)堰上分布增多并且均勻。并且側(cè)壁角的增加會(huì)使T.P.K堰的側(cè)堰傾斜，水流形式類似于經(jīng)過斜側(cè)堰，進(jìn)一步增加T.P.K堰的泄流能力。

由于進(jìn)、出水宮室的俯視平面為梯形，所以側(cè)壁角的增加使水流進(jìn)入進(jìn)水宮室的面積增加，降低了入口流速，減小了水流的流動(dòng)慣性，為T.P.K堰的側(cè)堰提供更好的水流條件。再有，側(cè)壁角的增大會(huì)使進(jìn)水宮室的回流區(qū)消失，增加了有效的入口寬度，從而改善水流流態(tài)。但無(wú)限增加側(cè)壁角會(huì)帶來(lái)進(jìn)、出口溢緣長(zhǎng)度的損失，同樣也會(huì)減小T.P.K堰的泄流能力。經(jīng)過比較得出：α=6°是一個(gè)合適的側(cè)壁角度，能滿足大多數(shù)水頭條件下泄流能力較強(qiáng)的要求。