趙偉偉，李 英

（商洛市水電勘測設計院，陜西 商洛 726000）

0 前言

堰體厚度δ與堰上水頭H之比介于0.67與2.5之間（即0.67＜δ/H＜2.5）的堰為實用堰。由于實用堰的堰體較厚，水舌下緣與堰頂接觸，水舌受到堰頂?shù)募s束和頂托。越過堰頂水流主要還是在重力作用下自由跌落。實用堰根據(jù)堰頂剖面形式分為曲線型和折線型兩類。

堰和閘是水利工程中常見的用來引水、泄洪、調節(jié)流量或水位的水工建筑物，它一般是修建在河道上和渠道中，堰型主要取決于工程要求和所采用的建筑材料，在工程上，應用較多的堰型是實用堰。一些由當?shù)夭牧希ㄈ鐥l石、塊石等）砌筑的中、低型溢流堰，一般做成折線型實用堰，折線型實用堰作為低堰，在中小型水利工程和農(nóng)業(yè)水利工程中應用廣泛，但是其水力學特性－泄流過程及其流量系數(shù)的變化規(guī)律的研究尚不充分。

本文從折線實用堰的形式、分類開始，運用水力學相關知識，設計試驗，分別對矩形實用堰和梯形實用堰堰流流量系數(shù)進行研究。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝備見圖1，本設備自循環(huán)供水、加水儲存在蓄水箱中。試驗時，由水泵向試驗水槽供水，水流經(jīng)三角堰量水槽，流回到蓄水箱中。水槽首部有穩(wěn)水、消波裝置，末端有多孔尾門及尾門升降裝置。槽中可換裝各種堰、閘模型。堰閘上下游與三角堰量水槽水位分別用測針量測。為量測三角堰堰頂高程配有專用校驗器。

堰型設計分別為矩形實用堰和梯形實用堰，通過調節(jié)供水流量調節(jié)閥來調節(jié)流量，測得不同流量下上下游水位～流量關系，以及流量系數(shù)、淹沒系數(shù)等水力要素的關系。

本裝置水槽寬100 mm，流量采用下游的三角量水堰量測。堰上下游水位用測針量測，量水堰堰前水深用三角堰水位測針筒量測。

圖1 堰流試驗裝置圖

1.2 試驗堰型

1.2.1 梯形實用堰

堰頂厚36 mm，堰底厚59 mm，堰高40 mm，堰寬100 mm，由于實用堰0.67＜δ/H＜2.5，所以所選的梯形堰堰前水深控制在14.4 mm～53.7 mm之間。迎水面為直立面，背水面坡度ctgθ=1。

1.2.2 矩形實用堰堰厚60 mm、堰高70 mm、堰寬100 mm。兩種堰型見圖2。

圖2 堰型設計圖

1.3 試驗方法與要求

1.3.1 試驗步驟

1）根據(jù)試驗要求流量，調節(jié)供水流量調節(jié)閥和下游尾門開度，使之形成堰下自由出流。待水流穩(wěn)定后，觀察堰自由出流的流動情況，定性繪出其水面線圖。

2）用測針測量堰的上、下游水位。在試驗過程中，不允許旋動測針針頭（包括明渠所有試驗均是如此）。

3)待三角堰和測針筒中的水位完全穩(wěn)定后（需待5 min左右），測記測針筒中水位。

4)改變進水閥門開度，測量4～6個不同流量下的試驗參數(shù)。

5)調節(jié)尾門，抬高下游水位，使堰成淹沒出流。測記流量Q'及上、下游水位。改變流量重復2次。1.3.2 實驗要求

1)對堰流流量系數(shù)m的實測值與經(jīng)驗值進行分析比較，研究其變化規(guī)律。

2)對折線實用堰淹沒出流的流量系數(shù)，研究淹沒時的泄流能力。

2 試驗結果分析

通過選擇矩形實用堰和梯形實用堰進行試驗，主要研究了水流流速對流量系數(shù)的影響；上游堰高對流量系數(shù)的影響；堰型對泄流能力的影響；堰坎厚度對泄流能力的影響；上下游堰坡對泄流能力的影響；淹沒出流時流量系數(shù)變化規(guī)律。通過Excel對試驗數(shù)據(jù)進行處理，繪制相關關系曲線，擬和公式，和經(jīng)驗公式進行比較等一系列研究方法?？偨Y以下結論：

1）水流內(nèi)部流速對折線型實用堰的流量系數(shù)有所影響，流量系數(shù)隨著流速的增大而增大，可用公式m=0.007δ/Ho+0.353來表示其和流量系數(shù)的關系，式中Ho=H+αν02/2g。

2）上游堰高P對流量系數(shù)也有影響，當P/H＞1.490時，流量系數(shù)隨著P/H的增大而迅速減小。當P/H＜1.490時，隨著P/H的減小，流量系數(shù)有所增大，但是變化不大，流量系數(shù)均在0.4左右。

3）根據(jù)試驗所得，流量系數(shù)m與δ/H有關系式m=0.040 Ln(δ/H)+0.334，此式說明，流量系數(shù)m隨δ/H的減小呈對數(shù)增大的趨勢?？偟膩碚f，堰坎厚度對流量系數(shù)的影響還是比較顯著的，影響矩形實用堰的下泄能力。

4）通過參考H.H.巴甫洛夫斯基等人關于折線實用堰相關的經(jīng)驗公式，加上試驗研究，推出矩形實用堰的流量系數(shù)計算公式m=0.27+0.141Ho/δ，以及起其適用范圍為：δ/P=0.115-2.5；0.5≤δ/Ho≤1.6；0.07≤Ho/δ≤2.0。經(jīng)過和經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式進行比較，本公式和經(jīng)驗公式趨勢相近。實測值后者較經(jīng)驗公式大，由此可見矩形堰自由出流流量系數(shù)比較好。

5）在試驗研究矩形堰淹沒出流時流量系數(shù)，推出淹沒出流的界限當Ho/P＞0.844為淹沒出流。淹沒出流時流量系數(shù)m隨著Ho/P的增大而減小。并且自由出流時，流量系數(shù)變化相對穩(wěn)定，而淹沒出流時，流量系數(shù)變化迅速。

6）在研究梯形實用堰流量系數(shù)時考慮了堰頂相對厚度δ/H、下游相對堰高P/H以及堰的上、下游邊坡S等有關因素的影響，根據(jù)試驗所測數(shù)據(jù)，導出梯形實用堰流量系數(shù)公式m=0.22+（0.151Ho/P）/(δ/P)0.9，其適用范圍：0.114＜δ/P＜1.0；0.5＜δ/H0＜1.6；0.1＜H0/P＜2.0；通過和矩形實用堰進行比較，矩形堰的流量系數(shù)隨Ho/P的變化比較緩慢，而梯形堰變化比較迅速，兩種堰的流量系數(shù)均比較大，在0.4左右，說明其泄流能力還是比較好的。

7）上游邊坡的變化對梯形斷面實用堰的泄流能力有較大的影響，且隨著上游邊坡的變緩，流量系數(shù)減小。從水力學的角度看，梯形斷面實用堰的上游邊坡以S=2.0左右為佳。

8）試驗測得梯形實用堰淹沒出流時流量系數(shù)，線形擬和出m和Ho/P關系公式m=-0.001Ho/P+0.451。通過和矩形實用堰淹沒出流時流量系數(shù)進行比較，矩形堰m隨Ho/P的減小而迅速減小，梯形堰變化平穩(wěn)，梯形堰流量系數(shù)均較矩形堰大。由此可見，梯形堰泄流能力比較好。

3 結語

折線型實用堰的流量系數(shù)m受水流流速、上游堰高、堰型、堰坎厚度、上下游堰坡等因素的影響，其中堰型、堰坎厚度、上下游堰坡是主要影響因素，影響折線型實用堰的泄流能力。

矩形堰和梯形堰各有優(yōu)缺點，矩形堰自由出流時流量系數(shù)比較大且穩(wěn)定，可以用于小型農(nóng)田水利工程中渠道壅水建筑物如量水堰等，而梯形實用堰淹沒出流時流量系數(shù)比較大且穩(wěn)定，可用于大型水利工程中消能坎、攔砂壩等建筑物。