吳英卓，姜伯樂，何 勇

(長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

對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江干流重慶段，不允許工程過多地壅高河道水位，故采用低堰泄流。因長江來流量大，且工程下游水位變幅大，達(dá)26.12m，低偃經(jīng)常在大淹沒水深及大淹沒度條件下運(yùn)行。為了減少上游淹沒且為了縮短溢流前緣長度，應(yīng)盡可能提高低堰的泄流能力，因此對低堰體型及相關(guān)影響泄流能力的因素開展了水力學(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)，下游淹沒水深hs＞18.0m，淹沒水深較大;且相應(yīng)淹沒度hs/H0在0.90以上，一般認(rèn)為hs/H0＞0.6即進(jìn)入大淹沒度范疇，由此可知該堰的淹沒度很大。

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方面對泄流能力的影響著手。

3.1 堰型對泄流能力的影響

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;因此選擇施工相對簡單、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，但因研究對象的P1/Hd＜0.3，則可能向?qū)掜斞哌^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級流量時(shí)的泄流能力，研究發(fā)現(xiàn)，各級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]水躍的緩流狀態(tài)時(shí)，WES堰泄流能力較大。而當(dāng)下游淹沒度加大，下游流態(tài)為不產(chǎn)生水躍的完全淹沒緩流狀態(tài)時(shí)，折線堰的泄流能力略大。將 q=70.00，88.57，107.14m2/s 3 級流量時(shí)WES 堰與折線堰的堰上水頭H與下游淹沒水深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，而隨下游淹沒水深進(jìn)一步加大(相應(yīng)淹沒度亦加大)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隨著下游淹沒水深的加大，WES堰泄流能力大的優(yōu)勢愈來愈小，且在一定淹沒度后，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，其相對臨界淹沒度越小，即淹沒影響出現(xiàn)得越早［4］，且上述研究成果還說明自由泄流流量系數(shù)m值較大的堰型，其流量系數(shù)隨淹沒度加大衰減得更快，即受淹沒影響更大。

3.2 上、下游堰面坡度對泄流能力的影響

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，對于P1/H＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95淹沒度下運(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級流量時(shí)上述2種堰坡的堰上水頭H與下游淹沒水深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]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。但隨著淹沒水深的加大，降低堰高對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)淹沒水深更大，相應(yīng)淹沒度也更大，加大的淹沒水深和淹沒度削弱了堰高降低對泄流能力的影響。

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應(yīng)下游水位，通過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)下游淹沒水深加大，折線型實(shí)用堰——試驗(yàn)堰型Ⅱ的優(yōu)勢越來越明顯。計(jì)算2堰型宣泄各特征流量時(shí)堰的淹沒度均大于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，下游淹沒水深加大，堰高的改變對泄流能力的影響越來越小。

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

對于大淹沒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，故堰型對低堰泄流能力的影響較大，而當(dāng)淹沒水深加大到一定程度后堰型對低堰的泄流能力的影響甚微。

4 結(jié)論

(1)對于P1/Hd＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹沒度下運(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)對于P1/Hd＜1.33的折線型低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹沒度下運(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)用堰過流能力研究［J］.長江科學(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，李夢成，丁新求.低堰體型與泄流能力關(guān)系的初步研究［J］.長江科學(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))

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［5］李 煒.水力計(jì)算手冊(2版)［M］.北京:中國水利水電出版社，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.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 ))