直角折線堰堰體各組成部分過流能力分析

周鑫宇，邱 勇，葛亞飛，楊昌文，郭金楠

（云南農業(yè)大學 水利學院，云南 昆明 650201）

中小河流的生態(tài)治理工程不僅需要具備灌溉、供水功能及確保行洪安全，還應具有景觀、休閑、生態(tài)等綜合功能［1］。對于傳統(tǒng)溢流堰而言，由于溢流形式單一，缺乏一定的景觀效果，因此逐漸被迷宮堰、琴鍵堰等新型過水建筑物所取代［2］。直角折線堰不僅可以在維持河道寬度的情況下，通過增加溢流前緣長度來增大過流能力，還可以與自然環(huán)境融為一體，實現(xiàn)水利工程的觀賞性［3］，是一種兼具防洪安全和溢流美觀的親水建筑物。

目前，已有許多學者通過水工模型試驗針對直角折線堰進行了研究。邱勇等［4］基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對直角折線堰過流能力進行預測，并給出了不同體形的流量系數(shù)；常倩、張靖等［5－6］針對前堰、側堰等長，且側堰長度逐漸減小的Z 形堰進行了過流能力、水流流態(tài)研究，在此基礎上推導出Z 形堰自由出流條件下的綜合流量系數(shù)估算經(jīng)驗公式；周鑫宇等［7］對比分析了前堰、側堰長度同時改變（堰高、堰寬固定不變）的直角折線堰過堰水流形態(tài)變化情況；邱勇等［8］基于堰流基本公式，通過擬合給出了側堰位置變化（長度不變）條件下直角折線堰流量系數(shù)計算公式；王尚今等［9］對一定堰高，不同側堰位置（前堰長度）、側堰長度的直角折線堰流量系數(shù)進行擬合分析，得到基于溢流前緣長度變化的流量系數(shù)計算公式；李慶梅等［10］在堰流基本公式基礎上針對側堰位置固定，單純改變側堰長度的直角折線堰，擬合出流量系數(shù)計算公式。

直角折線堰由前堰、側堰和后堰3 部分組成，但上述研究多從宏觀上針對直角折線堰溢流特性及整體過流能力進行分析，尚未見到分別針對前堰、側堰、后堰堰體過流能力的相關研究成果。

1 模型建立與驗證

1.1 數(shù)學模型

直角折線堰（見圖1）幾何參數(shù)包括前堰長度a、側堰長度b、后堰長度c、堰高P、堰體厚度d，其中河道寬度w＝a＋c，展長L＝a＋b＋c。按照王尚今等［9］給出的幾何尺寸（見圖2），利用FLOW－3D 軟件建立數(shù)學模型，其中湍流模型采用RNGk－ε模型［11－12］，氣液自由表面追蹤采用TruVOF 方法［13－16］。模型方案見表1。

通過對2001～2017年發(fā)表在管理學國際主流期刊(USDallas 24種期刊和Financial Times Top 50)和組織行為學權威期刊上的56篇實證研究論文進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究聚焦于個人特質和工作特征如何調節(jié)工作重塑誘因對重塑行為的影響，并驗證工作重塑對主客觀結果的影響。

表1 模型方案

圖1 直角折線堰平面布置

圖2 直角折線堰體形

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

整個計算域以直角折線堰側堰和后堰交點為坐標原點，x方向垂直于邊墻（xmax＝75 mm，xmin＝－75 mm），y方向與邊墻平行（ymax＝450 mm，ymin＝－370 mm），z方向為鉛直方向（zmax＝400 mm，zmin＝0）。采用結構化網(wǎng)格，將模型整體劃分為一個網(wǎng)格塊，每個網(wǎng)格單元均為1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm 的正方體，網(wǎng)格總數(shù)約為850萬個（見圖3）。

圖3 網(wǎng)格劃分（單位：mm）

前堰、側堰、后堰流線的變化導致了直角折線堰不同堰體堰頂沿程水頭的差異（見圖8）。

1.3 模型驗證

根據(jù)文獻［9］不同方案直角折線堰過流能力，選取其中3 組方案進行模型驗證，如圖4 所示（H為堰頂水頭，Q為流量）。

圖4 試驗研究與數(shù)值模擬過流能力

沒有就算了。村長適時接過話頭。八斗丘補償問題，村委過些天會研究，你不要到處找人說事。特別是不要找那樣專門戳漏洞的什么狗屁記者。

2 結果與分析

2.1 過堰水流流態(tài)

對直角折線堰數(shù)值模擬得到的水流流態(tài)進行觀察可以發(fā)現(xiàn)：當堰頂水頭H＜7 mm 時，前堰、側堰和后堰過堰水流緊貼堰壁，呈現(xiàn)收束狀貼壁流；隨著堰頂水頭的增大（完全薄壁堰流，7 mm≤H＜12.6 mm），過堰水流在前堰率先形成挑射，并迅速向側堰方向擴展，側堰隨后出現(xiàn)挑射；此時后堰仍為貼壁流，但過堰水流寬度逐漸增大并占滿整個后堰堰壁，直至堰頂水頭H＝12.6 mm時，形成挑射水流［見圖5（a）］。

蘇楠強迫自己努力地回憶，可腦子里一點兒也沒有留存她叫李碧汝的那三年多的記憶，她和李嶠汝是不是似膠如漆過，楊小水給她們講過什么樣的故事……

由圖4 可知，隨著堰頂水頭的增大，不同方案的流量模擬值與試驗成果極為接近，最大誤差為3.51%～6.93%，表明所建立的數(shù)學模型可以模擬直角折線堰溢流過程。

圖5 方案A22過堰水流流態(tài)

當堰頂水頭超過25 mm 時，前堰、側堰、后堰開始形成不完全薄壁堰流：挑射水流相互連通，并在堰后形成密閉空腔［見圖5（b）］。前堰過堰水舌和側堰過堰水舌相互撞擊，堰體下游面有反向回卷水流；后堰過堰水流呈挑射狀，水舌下側可見明顯空腔，其內有順時針螺旋狀水流。

其中，Q為下料要求速度即生產率；φ為裝滿系數(shù)；ρ為飼料的容重；ε為螺旋傾斜向上輸送時對輸送量的影響系數(shù)，水平放置時取1。通過計算和試驗最終確定螺旋軸的轉速。

對于直角折線堰，過堰水流流態(tài)隨著堰頂水頭的增大可分為貼壁流（水流貼附堰體流動）、完全薄壁堰流（過堰水流形成挑射，水舌與堰體之間形成與大氣連通的空腔）、不完全薄壁堰流（堰后空腔隨下游水位上升逐漸消散）、真空實用堰流（堰后空腔消失）4 個階段［7］。數(shù)值模擬得到的過堰水流流態(tài)與試驗研究基本一致。

2.2 過堰水流流速

流速矢量及水流流線的變化能夠說明堰體各組成部分在泄流過程中有效溢流前緣長度及堰頂水頭的變化，圖6 為溢流開始以后前堰、側堰、后堰過堰水流流速分布（堰頂水頭H＝10 mm）。

國際文憑(International Baccalaureate， IB)是由國際文憑組織(International Baccalaureate Organization， IBO)推出的課程和考試項目，大學預科國際文憑課程(Diploma Program， DP)則是面向全球16～19歲優(yōu)秀高中生開展的課程[1]。IBDP生物學課程的總體特色是“輕知識、重技能”，強調實驗教學的過程性和方法，旨在關注學生知識的生成過程，培養(yǎng)學生解決問題的能力，全方面提高生物學素養(yǎng)，在情感教育上則充分體現(xiàn)了以人為本、尊重生命的課程目標。

圖6 直角折線堰過堰流速分布

由圖6 可以看出，溢流剛開始時，前堰、側堰、后堰的過堰水流均與堰體正交，直角折線堰展長優(yōu)勢明顯。前堰與側堰過堰流速矢量在角隅A 處聚集；角隅B處，過堰流速矢量則呈放射狀。

由圖7 可知：慣性力作用下，側堰過堰水流的流線隨流速增大開始逐漸轉向。堰頂水頭由0 mm 增至10、20 mm 時，側堰過堰水流表層流線由與側堰堰體正交（偏轉角θ＝90°）開始向與側堰堰體平行的方向偏轉，偏轉角減小至76.37°、63.63°，但減幅較小，底層水流流線偏轉角的變化滯后于表層水流；當堰頂水頭達到140 mm 時，側堰表層水流的流線已經(jīng)與側堰方向接近平行，但底層水流流線偏轉角仍然達64.31°。受側堰流線偏轉的影響，后堰表面過堰水流流線偏轉夾角呈先減小后增大的V 形變化：堰頂水頭由0 mm 增至60 mm 時，流線偏轉角δ下降至66.78°，隨水頭進一步增大，流線偏轉開始回升至與堰體垂直。

為了進一步說明不同堰體實際泄流的變化情況，給出了方案A22在堰頂水頭分別為100、125、150 mm時前堰、側堰和后堰堰體下游壓強分布，見圖9。

在直角折線堰中，前堰堰體始終與來流方向垂直，因此流線方向未發(fā)生偏轉。圖7 給出了堰頂水頭增大后側堰、后堰水流流線的平面變化情況。

從國民經(jīng)濟評價可見，本工程經(jīng)濟內部收益率為10.47%，大于社會折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟凈現(xiàn)值為3645.99萬元，大于零；經(jīng)濟效益費用比為1.26大于1.0。其經(jīng)濟評價指標較好，社會效益顯著，工程在經(jīng)濟上是合理的。經(jīng)國民經(jīng)濟敏感性分析可知，本工程的抗風險能力較強。

圖7 方案A22過堰水流流線偏轉變化

實際澆筑過程中采用分層澆筑的方式，采用機械震搗手段完成，震搗過程中震搗儀的移動間距要適宜，搗震的過程中不得觸碰相關的設備，如預埋件、鋼筋等，采用不同的振搗方法，混凝土的澆筑厚度有所不同，具體如下：采用插入式震動，澆筑層厚度為振搗器作用部分長度的1.25倍；如果是表面震動，無筋或配筋稀疏結構的澆筑層厚度為25cm，配筋較密結構的澆筑層厚度為15cm；附著式震動的澆筑層厚度為30cm；入工搗固的澆筑層厚度為20cm

為獲取通過直角折線堰不同堰體溢流前緣的泄流量，分別在進口、出口、前堰、側堰和后堰位置設置流量監(jiān)測面。將水流進口設置為壓力邊界，以反映前堰、側堰、后堰隨堰頂水頭的變化情況，同時設置流體高度為相應的堰頂水頭；出口及頂部邊界在初始狀態(tài)時只存在空氣，流體分數(shù)設為0；河道底部及邊墻均采用無滑移固壁邊壁條件。

圖8 方案A22堰頂沿程水頭變化情況（H＝25 mm）

由圖8 可以看出：前堰堰頂水頭在角隅A 處出現(xiàn)局部壅高；鑒于側向泄流的客觀存在，側堰堰頂沿程水頭自角隅A 至角隅B 持續(xù)下降（由22.02 mm 降至16.61 mm）；后堰堰頂水頭在角隅B 處最低。受后堰上游側來流行進流速影響，沿程水頭損失客觀存在，致使堰頂有效水頭不足。

2.3 過堰水流壓強分布

與此同時，目前常見的Android應用安全性檢測方案主要使用動態(tài)和靜態(tài)兩種檢測技術，但大多數(shù)設計方案只針對其中一項技術進行應用或改進，少有對這些技術檢測效果的相關性與互補性進行研究。這明顯無法對root手機進行全面、高效的安全防護。

圖9 方案A22直角折線堰堰體下游側壓強分布

堰頂水頭為100 mm 時，前堰、側堰堰頂下游側開始出現(xiàn)負壓（真空度分別為22、3 Pa），但后堰堰后仍為空腔形態(tài)。當堰頂水頭為125 mm 時，前堰堰頂真空度增加至91 Pa，側堰堰頂真空度增加至5 Pa，后堰堰頂真空度為67 Pa（后堰堰體下游側60 mm 處，真空度達169 Pa）。堰后負壓區(qū)的存在能夠增大直角折線堰的過流能力。堰頂水頭進一步增加至150 mm 時，堰后負壓消失，意味著直角折線堰不同堰體過流能力已呈減小趨勢。

當堰頂水頭25 mm≤H＜140 mm 時，前堰、側堰、后堰堰后空腔隨下游水位的上升逐漸消失；堰頂水頭進一步增大（H≥140 mm）后，過堰水流近似呈實用堰流［見圖5（c）］。

2.4 前堰、側堰、后堰泄流分配

在不同堰頂水頭下，將各方案溢流前緣監(jiān)測面的泄流量除以總泄流量，得到前堰、側堰、后堰的泄流占比，如圖10 所示。

圖10 直角折線堰各部分堰體過流能力占比（a＝c＝75 mm）

由圖10 可以看出，隨著堰頂水頭的增大，長度相同的前堰與后堰泄流占比均呈增大趨勢：堰頂水頭為25 mm≤H＜100 mm 時，前堰泄流占比稍大于后堰，亦即側堰的分流導致后堰泄流占比減?。谎唔斔^H≥100 mm 時，在側堰分流作用影響下，前堰過流能力出現(xiàn)下降，致使后堰過流能力超過前堰。

在相同堰頂水頭下，側堰分流能力隨溢流前緣長度增加而增大：堰頂水頭H＝25 mm 時，側堰長度由75 mm增加至112.5、150 mm，泄流占比由31.34%分別增大至41.28%、49.39%。

側堰長度不變（為112.5 mm），隨堰頂水頭增加，其泄流占比呈下降趨勢，且差值逐漸減小：堰頂水頭25 mm →50 mm、50 mm →75 mm 時，差值分別 為9.80%、5.58%。原因在于堰頂水頭增大，來流流向不易發(fā)生偏轉，側堰在水流慣性作用下分流不足。

3 結論

通過對直角折線堰前堰、側堰和后堰溢流特性及過流能力的研究，得到以下結論。

1）隨著堰頂水頭的增大，前堰流線始終與堰體保持正交；側堰流線由與堰體正交轉變?yōu)榕c堰體平行，沿側堰長度方向，堰頂沿程水頭持續(xù)下降；后堰流線受側堰泄流的影響，表現(xiàn)為與堰體正交→斜交→正交的變化過程，同時后堰受堰前水頭損失增大影響，導致堰頂有效水頭不足。

2）當堰頂水頭為100～125 mm 時，前堰、側堰、后堰堰體下游側依次出現(xiàn)負壓，并逐漸增大；當堰頂水頭為125～150 mm 時，前堰、側堰、后堰堰體下游側負壓依次消失。

3）前堰與后堰長度相同，前堰、后堰泄流占比均隨著堰頂水頭的增大而增大（側堰泄流占比隨堰頂水頭增大而下降）；堰頂水頭為25～100 mm 時前堰泄流占比稍大，堰頂水頭超過100 mm 后后堰泄流占比超過前堰。此外，側堰泄流占比隨溢流前緣長度增加而增大。