泄洪條件下新型折線堰水力特性物理模擬試驗研究

劉 楓

(深圳市水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著水利工程建設的不斷完善和發展，對以往建設完成和將要修建的水工建筑物可靠性提出了更為嚴格的要求。而全球氣溫的不斷上升導致暴雨的出現頻率也在增長，對于應對暴雨和洪水災害的關鍵水工建筑在泄洪過程中的自身穩定性問題顯得尤為突出。據相關統計表明，我國的水庫總量在9.8×104座以上，且大多修建于上世紀60年代左右，受限于當時的技術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]。

統計數據表明，上世紀50年代至本世紀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洪水泄洪漫頂和泄水建筑物泄洪能力引起的[4-5]，應對上述問題最經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，琴鍵堰以經濟美觀、結構新穎和分叉泄洪等優勢在水庫升級改造中得到廣泛應用[9]。

雖然琴鍵堰較傳統的直線堰而言具有更高的實用價值，但是其結構參數復雜，導致水流特性計算更加復雜，加之現有的研究手段大多采用數值模擬的方式，研究手段較為單一，嚴重阻礙了琴鍵堰在復雜工程中的應用和推廣。因此，本文將采用室內物理模擬的方式研究琴鍵堰在泄洪時的水力特性，以期為琴鍵堰的設計和應用推廣提供理論指導。

1 模型構建與試驗方案

1.1 模型構建

本次室內物理模擬試驗設備主要包括儲水庫、供水設備、水槽、電磁流量計、水槽尾門控制閥門、回水設備等組成，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上[9]，設置琴鍵堰的基本參數，見表1，琴鍵堰的整體寬度設置為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

1.2 試驗方案

本次室內模型試驗設置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。根據琴鍵堰模型的特點，重點關注入口溢流前緣、出口溢流前緣和側面溢流前緣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用環境的設計完善和應用推廣提供借鑒。

2 試驗結果分析

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數，結果見圖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數變化趨勢幾乎一致，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泄流任務。在相同的水頭條件下，當堰高為170 mm時的相對匯流量百分數最大，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。

根據物理模擬及現場泄流現象可知，在琴鍵堰的泄流過程中，水流主要從側面、入口和出口3個位置進行泄流(圖1)，因此對3處溢流前緣泄流量進行監測和計算，得到不同位置在不同水頭高度及堰高下的泄流效率，結果見圖4。從圖4可以看出，當堰高不變時，隨著水頭高度的增加，側面溢流前緣和入口溢流前緣的泄流效率先降低后穩定，而出口溢流前緣的泄流效率先增大后降低，且側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，側面溢流和入口溢流承擔著主要的泄流作用。當水頭高度保持不變時，隨著堰高的不斷升高，側面溢流前緣、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，水面線從平整狀態向彎曲狀態發展，整體還是比較光滑；但是在水流流經入口溢流前緣和出口溢流前緣后，當水頭高度較小時，水流流經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，隨后呈垂直狀態流出，最后呈波動式先前流動，波動狀態主要是因為受側面水流交匯的影響；當水頭高度較大時，水流流經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致的，此時側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 論

本文通過室內物理模擬手段，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)綜合試驗結果可知，在泄流量較小的水庫中，琴鍵堰本身結構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。