泄洪條件下新型折線堰水力特性物理模擬試驗研究

劉 楓

(深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著水利工程建設(shè)的不斷完善和發(fā)展，對以往建設(shè)完成和將要修建的水工建筑物可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。而全球氣溫的不斷上升導(dǎo)致暴雨的出現(xiàn)頻率也在增長，對于應(yīng)對暴雨和洪水災(zāi)害的關(guān)鍵水工建筑在泄洪過程中的自身穩(wěn)定性問題顯得尤為突出。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計表明，我國的水庫總量在9.8×104座以上，且大多修建于上世紀(jì)60年代左右，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平和運行時間較長等因素，這些老舊水庫的安全問題得到國家的高度重視[1-3]。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，上世紀(jì)50年代至本世紀(jì)20年代之間，我國共有3 500多起潰壩案例，而其中有一半的原因是因為超標(biāo)洪水泄洪漫頂和泄水建筑物泄洪能力引起的[4-5]，應(yīng)對上述問題最經(jīng)濟有效的處理方式是升級改造溢洪道。目前，常見的升級改造手段有新增或加寬溢洪道、降低高程、在頂部增加建筑物或以上多種方式的組合[6-7]。但是，上述處理措施會帶來諸多的問題，如施工工程量大、經(jīng)濟成本高、增加運行安全和減小水庫蓄水能力等[8]。因此，琴鍵堰以經(jīng)濟美觀、結(jié)構(gòu)新穎和分叉泄洪等優(yōu)勢在水庫升級改造中得到廣泛應(yīng)用[9]。

雖然琴鍵堰較傳統(tǒng)的直線堰而言具有更高的實用價值，但是其結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致水流特性計算更加復(fù)雜，加之現(xiàn)有的研究手段大多采用數(shù)值模擬的方式，研究手段較為單一，嚴(yán)重阻礙了琴鍵堰在復(fù)雜工程中的應(yīng)用和推廣。因此，本文將采用室內(nèi)物理模擬的方式研究琴鍵堰在泄洪時的水力特性，以期為琴鍵堰的設(shè)計和應(yīng)用推廣提供理論指導(dǎo)。

1 模型構(gòu)建與試驗方案

1.1 模型構(gòu)建

本次室內(nèi)物理模擬試驗設(shè)備主要包括儲水庫、供水設(shè)備、水槽、電磁流量計、水槽尾門控制閥門、回水設(shè)備等組成，其中水槽制作的材料采用有機鋼化玻璃，其厚度為10 mm，便于觀察試驗過程，水槽的總體長度15 m,寬度0.5 m，高度0.8 m，此次試驗可模擬最大水流量為100 L/s的泄水現(xiàn)場。水槽從上到下分別為儲水庫、消流器、琴鍵堰模型和人字尾門，琴鍵堰模型示意圖見圖1。在借鑒前人的研究基礎(chǔ)上[9]，設(shè)置琴鍵堰的基本參數(shù)，見表1，琴鍵堰的整體寬度設(shè)置為480 mm，上下游倒懸長度固定為75 mm，基座長度160 mm。

圖1 琴鍵堰模型示意圖

表1 琴鍵堰模型參數(shù)

1.2 試驗方案

本次室內(nèi)模型試驗設(shè)置4組不同堰高的琴鍵堰模型，用來模擬研究堰高對于泄洪工況下琴鍵堰水力特性的影響；同時還設(shè)置7組不同的泄洪水頭，用來模擬研究在不同水頭泄洪條件下琴鍵堰的水力特性。根據(jù)琴鍵堰模型的特點，重點關(guān)注入口溢流前緣、出口溢流前緣和側(cè)面溢流前緣3個位置的相對匯流量、匯流效率和水面線形態(tài)等特征，3個溢流前緣位置見圖1。以期在通過模擬試驗獲得泄洪條件下琴鍵堰水力特性，并為琴鍵堰針對不同應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計完善和應(yīng)用推廣提供借鑒。

2 試驗結(jié)果分析

首先，測量和計算不同水頭高度下不同堰高的相對匯流量百分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，隨著水頭的增加，所有堰高組別的相對匯流量百分?jǐn)?shù)變化趨勢幾乎一致，均是先增大后降低再升高的趨勢，且波動值較小，說明不同堰高的琴鍵堰均能滿足泄流要求，這主要得益于不同溢流位置能在不同的水頭高度下承擔(dān)泄流任務(wù)。在相同的水頭條件下，當(dāng)堰高為170 mm時的相對匯流量百分?jǐn)?shù)最大，說明此時琴鍵堰的泄洪能力最強；且水頭較低和較高時，堰高對于泄流量的影響值波動較大，說明相對于水頭高度而言，堰高對琴鍵堰泄流能力影響更為明顯。

圖2 不同水頭高度對不同堰高的相對匯流量影響

其次，計算不同水頭高度下不同堰高的匯流放大比。匯流放大比是指在所有條件一致的情況下，琴鍵堰的泄流總量除以薄壁堰的泄流總量[10]，結(jié)果見圖3。

圖3 不同水頭高度對不同堰高的泄流放大比的影響

從圖3可以看出，在相同的堰高條件下，隨著水頭高度的增加，琴鍵堰的泄流放大比逐漸減小，這是因為水頭高度增加會抑制琴鍵堰側(cè)面的泄流效率，但是所有的情況下泄流放大比均大于1，說明泄流效果仍然較好。在相同的水頭條件下，隨著堰高的增加，琴鍵堰的泄流放大比逐漸增大。因此，在較低水頭和較高堰高情況下，琴鍵堰的泄流能力最強，說明在流量較小的水庫中使用琴鍵堰能達(dá)到更好的泄洪效果；而在泄流量較大的水庫中時，可以增加琴鍵堰的堰高來提升其泄流能力。

根據(jù)物理模擬及現(xiàn)場泄流現(xiàn)象可知，在琴鍵堰的泄流過程中，水流主要從側(cè)面、入口和出口3個位置進(jìn)行泄流(圖1)，因此對3處溢流前緣泄流量進(jìn)行監(jiān)測和計算，得到不同位置在不同水頭高度及堰高下的泄流效率，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，當(dāng)堰高不變時，隨著水頭高度的增加，側(cè)面溢流前緣和入口溢流前緣的泄流效率先降低后穩(wěn)定，而出口溢流前緣的泄流效率先增大后降低，且側(cè)面溢流前緣的變化幅度最為明顯，而出口溢流前緣的變化幅度最小，說明在泄流過程中，出口泄流始終保持著較高的泄流效率；說明在低水頭下，側(cè)面溢流和入口溢流承擔(dān)著主要的泄流作用。當(dāng)水頭高度保持不變時，隨著堰高的不斷升高，側(cè)面溢流前緣、入口溢流前緣和出口溢流前緣的泄流效率均逐漸增大，說明增加堰高對于提升琴鍵堰的泄洪效率具有顯著的作用。

圖4 不同水頭高度及堰高對不同溢流前緣泄流效率的影響

最后，記錄不同水頭高度下入口溢流前緣和出口溢流前緣的泄流水面線，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，在入口溢流前緣和出口溢流前緣前端時，隨著水頭高度的增加，水面線從平整狀態(tài)向彎曲狀態(tài)發(fā)展，整體還是比較光滑；但是在水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后，當(dāng)水頭高度較小時，水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后端時，水面線呈直線式緩慢下滑，隨后呈垂直狀態(tài)流出，最后呈波動式先前流動，波動狀態(tài)主要是因為受側(cè)面水流交匯的影響；當(dāng)水頭高度較大時，水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后端時，水面線呈一定角度向下流動，最后呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這主要是因為水流自身重力作用下的沖擊力導(dǎo)致的，此時側(cè)面水流交匯的影響并不明顯。

圖5 不同水頭高度對泄流水面線的影響

3 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)物理模擬手段，研究了不同水頭高度及堰高對于琴鍵堰泄流時水力特性的影響，結(jié)論如下：

1)隨著水頭高度的增加，相對匯流量和出口溢流前緣泄流效率先增大后降低，而泄流放大比和側(cè)面及入口溢流前緣泄流效率均逐漸降低，說明水頭高度增加會降低琴鍵堰的泄流能力，但琴鍵堰的泄流效率始終高于傳統(tǒng)直線堰的泄流效率。

2)隨著堰高的增加，琴鍵堰的相對匯流量、泄流放大比和3處溢流前緣泄流效率均得到顯著地提升，說明堰高是影響琴鍵堰泄流效率的主要影響因素。

3)綜合試驗結(jié)果可知，在泄流量較小的水庫中，琴鍵堰本身結(jié)構(gòu)特性便能滿足泄洪要求；而在泄流量較大的水庫中，可以增加琴鍵堰的堰高來提升其泄流能力。