低實(shí)用堰水力特性及其對(duì)工程的影響

吳國(guó)君，劉曉平，方森松，孫文紅，侯 斌

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司基礎(chǔ)建設(shè)業(yè)務(wù)部，北京 100048）

低實(shí)用堰水力特性及其對(duì)工程的影響

吳國(guó)君1，劉曉平1，方森松1，孫文紅1，侯 斌2

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司基礎(chǔ)建設(shè)業(yè)務(wù)部，北京 100048）

通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的手段，對(duì)比分析了某低水頭水利樞紐在運(yùn)行中WES堰和改進(jìn)后折線型實(shí)用堰的行洪能力和過(guò)沙能力。結(jié)果表明：2種堰型均能滿足規(guī)范中平原地區(qū)的行洪能力要求，而WES堰的行洪能力略優(yōu)于改進(jìn)后折線型實(shí)用堰，但改進(jìn)后折線型實(shí)用堰的堰面紊動(dòng)強(qiáng)度較大、范圍較廣，能有效增強(qiáng)水流挾沙能力，易使泥沙起動(dòng)，一定程度上能避免堰面泥沙淤積問(wèn)題，從而保證檢修閘門正常工作，保障樞紐安全運(yùn)行。綜合對(duì)比分析，推薦采用改進(jìn)后折線型實(shí)用堰。

水利樞紐；實(shí)用堰；行洪能力；過(guò)沙能力

低水頭水利樞紐常修建于平原河流，而平原河流多具有河面寬、流量大的特點(diǎn)，因此，滿足泄流能力是其設(shè)計(jì)階段的首要問(wèn)題。WES堰因其流量系數(shù)大、泄流能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于低水頭水利樞紐，但在某些工程實(shí)際應(yīng)用情況中，受泄流條件限制，對(duì)河床進(jìn)行局部開挖，使得堰頂高程相對(duì)于河床較高，導(dǎo)致該堰過(guò)沙能力較弱，堰前泥沙淤積嚴(yán)重，如大源渡航電樞紐閘前都出現(xiàn)了不同程度的淤積，導(dǎo)致檢修閘門無(wú)法正常工作。因此，防止低水頭水利樞紐堰前泥沙淤積也是值得特別關(guān)注的問(wèn)題。某樞紐中由于河床局部開挖，使得WES堰堰頂高程與河床平齊，過(guò)沙能力問(wèn)題尤為突出，針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用泄水閘斷面水工模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的辦法，針對(duì)某樞紐工程的泄流能力、過(guò)沙能力進(jìn)行研究，提出合理的既滿足泄流能力又能兼顧防淤問(wèn)題的方案。

1 物理模型設(shè)計(jì)

泄水閘斷面水工模型試驗(yàn)在水槽中進(jìn)行。采用1∶45的正態(tài)模型，按重力相似和阻力相似設(shè)計(jì)。相應(yīng)的其他比尺分別為：長(zhǎng)度比尺λL＝45；流速比尺λV＝6.708，流量比尺λQ＝13 584.1，糙率比尺λn＝1.886。該樞紐閘孔凈寬22 m，閘室長(zhǎng)度28 m，堰頂高程19.0 m，堰前河床局部開挖，堰前及消力池高程16.0 m，上下游河床高程19.0 m，模型示意圖如圖1所示。試驗(yàn)工況選取2年一遇洪水期工況進(jìn)行過(guò)沙能力試驗(yàn)研究，2年一遇洪水期單寬流量為22.99 m3／（s·m），根據(jù)水位流量關(guān)系曲線，下游水位為32.57 m。

圖1 某樞紐斷面模型示意圖Fig.1 M odel of the section of a hydro-junction

2 數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)及理論方法

2.1 控制方程

溢流堰的過(guò)堰水流屬于具有二維復(fù)雜自由表面的水氣兩相流［1］，本文采用二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。目前，處理這類問(wèn)題較理想的方法是VOF法。其流場(chǎng)計(jì)算基本控制方程如下。連續(xù)方程雷諾平均方程：式中：ρ為體積分?jǐn)?shù)平均密度；P為修正壓力；μ為體積分?jǐn)?shù)平均的分子黏性系數(shù)；νt為紊流黏性系數(shù)，νt為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)其它模型參數(shù)取值見表1。

表1 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值表Table1 Empirical constant values

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立及邊界條件

上下游河床、溢流堰及消力池均設(shè)為固壁邊界。固壁邊界處理為無(wú)滑移邊界條件，對(duì)于黏性底層采用無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。入口包含2部分：下部的水入口和上部的空氣入口。前者采用速度入口的邊界條件，而后者則采用壓力入口的邊界條件，出口邊界設(shè)置為壓力出口。其中，水入口的紊動(dòng)動(dòng)能和紊動(dòng)動(dòng)能耗散率由經(jīng)驗(yàn)公式給出。

紊動(dòng)動(dòng)能：k＝0.037 5V2；

紊動(dòng)動(dòng)能耗散率：ε＝k1.5／（0.4H0） 。

式中：V為入口平均速度（m／s）；H0為入口處水深（m）。

3 成果分析

3.1 模型對(duì)比與驗(yàn)證

本文選取2年一遇洪水期的泄流能力進(jìn)行物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，取水在某個(gè)單元中的體積率q＝0.5時(shí)的液面計(jì)算水面線，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)水面線如圖2所示，從圖中可以看出，計(jì)算水面線與實(shí)測(cè)水面線比較吻合，2種模型的試驗(yàn)結(jié)果十分接近，說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型結(jié)果可用于試驗(yàn)結(jié)果分析。

3.2 物理模型成果分析

3.2.1 泄流能力分析

物理模型試驗(yàn)中2種堰型洪水期的壅高及綜合

圖2 2種堰型水面線Fig.2 W ater surface p rofiles of two weir types

流量系數(shù)如表2所示，各特征洪水流量時(shí)樞紐上下游水位差均小于25 cm，均滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中平原地區(qū)水利樞紐行洪能力的要求。淹沒(méi)狀態(tài)下的壅高值和綜合流量系數(shù)，隨下泄流量的增加而增大。同種工況下，改進(jìn)后折線型實(shí)用堰比WES堰的壅高水位高3～5 cm。但總的來(lái)說(shuō)，同工況下WES堰的綜合流量系數(shù)略大于改進(jìn)后折線型實(shí)用堰，說(shuō)明WES堰的行洪能力略優(yōu)于新型改進(jìn)后折線型實(shí)用堰。

表2 洪水期壅高值及綜合流量系數(shù)成果表Table 2 Backwater heights and integrated discharge coefficients during flood period

3.2.2 過(guò)沙能力分析

解決低水頭水利樞紐堰前泥沙淤積問(wèn)題，通常可通過(guò)增大下泄單寬流量、閘門運(yùn)行調(diào)度和改變堰型等工程措施予以解決。由于該樞紐下游河床抗沖能力有限，為減少對(duì)下游河床造成不利影響，本文對(duì)比2種堰型的過(guò)沙能力，以探討解決該問(wèn)題的方法。本文采用清水模型試驗(yàn)，試驗(yàn)前在堰前鋪上5 cm厚度的泥沙，沖刷歷時(shí)約2 h。泥沙粒徑按照該樞紐所在河床地段的抗沖流速，根據(jù)流速比尺反推，泥沙粒徑為0.44～0.88 mm。

本文選取了2年一遇洪水期典型工況進(jìn)行過(guò)沙能力試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，WES堰前都有泥沙淤積，且檢修門槽處泥沙淤積比較嚴(yán)重，會(huì)影響到檢修閘門正常工作。而改進(jìn)后折線型實(shí)用堰堰面及門槽處沒(méi)有淤積，不會(huì)影響檢修閘門正常工作。

圖3 過(guò)沙試驗(yàn)示意圖Fig.3 Test of sediment transport

3.3 數(shù)學(xué)模型成果分析

由于在物理模型試驗(yàn)中，受到試驗(yàn)條件限制，難以對(duì)堰面流場(chǎng)及紊動(dòng)能等方面進(jìn)行深入而細(xì)致的測(cè)量，本文利用數(shù)學(xué)模型成果分析了堰面的流場(chǎng)及堰面紊動(dòng)能，為對(duì)比分析2種堰型的過(guò)沙能力提供參考。3.3.1 流場(chǎng)分析

流場(chǎng)圖如圖4所示，WES堰堰面水流流速較為平順，水流流速沿程變化較小，水流紊動(dòng)較弱，泥沙較易淤積。而改進(jìn)后折線型實(shí)用堰由于堰前存在低坎，坎前水流受到阻滯，水流流速較小，易使泥沙淤積停留，但堰面由于邊界條件改變，底部存在較大流速梯度，流態(tài)較為紊亂，流速沿程變化較大，從而增大了水流的挾沙能力，泥沙較難淤積。

圖4 堰面流場(chǎng)分布圖Fig.4 Distribution of weir surface flow field

3.3.2 堰面紊動(dòng)能分析

紊動(dòng)能的分布與堰前泥沙淤積問(wèn)題有著比較密切的關(guān)系。紊動(dòng)對(duì)于泥沙起動(dòng)的影響主要通過(guò)水體之間和水體與床面之間紊動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力，紊流中的泥沙沉降時(shí)所受的阻力由靜水沉降阻力和紊動(dòng)應(yīng)力2部分疊加而成。默里通過(guò)試驗(yàn)研究分析指出，顆粒沉速減小的程度隨其靜水沉速及紊動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大［2］，含有較大的紊動(dòng)能水流挾沙能力較強(qiáng)，泥沙不易沉積。

圖5反映了2種不同堰型堰面紊動(dòng)能分布情況。從圖5中可看出，改進(jìn)后折線型實(shí)用堰堰面紊動(dòng)能達(dá)到0.375 J，遠(yuǎn)大于WES堰，且改進(jìn)后折線型實(shí)用堰堰面紊動(dòng)范圍比WES堰更大，增強(qiáng)了水流挾流能力，有效防止了泥沙淤積停留，這與物理模型試驗(yàn)中觀察的泥沙淤積現(xiàn)象一致。因此，改進(jìn)后折線型實(shí)用堰能在一定程度上有效避免泥沙淤積，保證檢修閘門正常運(yùn)行，保障樞紐正常工作。

圖5 堰面局部紊動(dòng)能分布圖Fig.5 Turbulent kinetic energy distribution on parts of the weir surface

4 結(jié) 論

本文通過(guò)斷面水工模型試驗(yàn)和有限體積法數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對(duì)2種不同堰型水面線、流場(chǎng)及堰面附近的紊動(dòng)能分布情況進(jìn)行了分析，可得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)物理模型試驗(yàn)的行洪能力試驗(yàn)結(jié)果可知：2種堰型均能滿足該樞紐的行洪能力要求，而WES堰比改進(jìn)后折線型實(shí)用堰的綜合流量系數(shù)大，壅高值小，說(shuō)明WES堰的泄流能力略優(yōu)。

（2）通過(guò)數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果和物理模型試驗(yàn)現(xiàn)象可知：改進(jìn)后折線型實(shí)用堰堰面由于邊界條件的突變，引起水流條件改變，底部存在較大流速梯度，紊動(dòng)強(qiáng)烈，流速沿程變化較大，從而增大了水流的挾沙能力，能有效防止堰面的泥沙淤積。

（3）綜合對(duì)比WES堰和改進(jìn)后折線型實(shí)用堰的泄流能力和過(guò)沙能力可知：2種堰型均能滿足行洪要求時(shí)，改進(jìn)后折線型實(shí)用堰過(guò)沙能力明顯優(yōu)于WES堰，本工程推薦采用改進(jìn)后折線型實(shí)用堰。

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［2］ 錢 寧，萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Mechanics of Sediment Transport［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese））

［3］ 費(fèi)文才.廟子頭水電站兩種堰型選擇水閘斷面模型試驗(yàn)研究［J］.水電站設(shè)計(jì)，2002，（6）：101－104.（FEI Wen-cai.Model TestResearch Selecting Sluice Profile for Two Weir Types of Miaozitou Hydroelectric Plant［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2002，（6）：101－104.（in Chinese））

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［6］ 張 挺，伍 超，盧 紅，等.X型寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能的三維流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，（8）：15－20.（ZHANG Ting，WU Chao，LU Hong，et al.3-D Numerical Simulation of Flow on Stepped Spillway Combined with X-shape Flaring Gate Piers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004，（8）：15－20.（in Chinese））

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Hydraulic Characteristic of Low PracticalW eir and Its Influence on Engineering

WU Guo-jun1，LIU Xiao-ping1，F(xiàn)ANG Sen-song1，SUNWen-hong1，HOU Bin2
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China；2.Infrastructure Department，China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China）

The flood discharge capacity and sediment transport capacity ofWESweir and improved practical weir with polygonal line in a low-head hydro-junction are comparatively analyzed through physicalmodel and mathematicalmodel.The results indicate that the two types of weir both meet the requirements of norms and regulations for flood discharge in plain area.The discharge capacity ofWESweir is better than that of the practicalweir；whereas the improved practicalweir ismore beneficial for the normal operation of bulkhead gate and the safe running of the whole hydro-junction as it has intensified and wide weir surface turbulence，which will increase the sediment transport capacity and enable the sediment initiate easily，thus refraining from sedimentation to a certain extent.By comprehensive comparison，the improved practicalweir with polygonal line is finally recommended.

hydro-junction；practicalweir；flood discharge capacity；sediment transport capacity

TV131.6

：A

1001－5485（2011）09－0021－04

2010-10-18；

2011-02-24

湖南省交通廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目（200732）

吳國(guó)君（1985-），女，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事水利工程方面的研究工作，（電話）13467502249（電子信箱）wgjun＿123＠163.com。