低堰体型与泄流能力关系的初步研究

童海鸿，李梦成，丁新求

低堰体型与泄流能力关系的初步研究

童海鸿，李梦成，丁新求

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114）

低堰广泛应用于平原闸坝枢纽，其泄流能力直接决定了低水头枢纽工程的建筑物布置形式和工程效益的大小，而实际工程中，影响低堰泄流能力的因素很多。通过对多种数据的整理、分析，从各种不同堰型、上下游堰高、上下游堰面坡度等方面，对低堰体型与泄流能力的关系进行了研究，并结合工程实例提出了实际工程运用过程中，不同条件下低堰选型和设计应注意的有关问题。

低水头；泄水建筑物；体型；泄流能力

低堰广泛应用于平原闸坝枢纽以及各类中小型水利工程中。特别是，目前某些大型航电枢纽工程一般位于河流中下游经济发达地区，工程上游沿岸土地利用价值极高，不允许过多壅高河道水位，因此，同样只能采用低堰泄流。为了减少上游淹没或为了缩短溢流前缘长度，低堰在堰型选择和设计过程中，应尽可能从提高低堰的泄流能力着手，对低堰体型及相关影响因素进行调整和优选。本文主要探讨了低堰的体型与泄流能力之间的关系，以期为实际工程设计和运用提供参考。

1 堰型对泄流能力的影响

低堰的水力特性主要受堰型、堰上水头、上下游堰高、下游水深等诸多因素的影响，问题较复杂，故研究成果尚不成熟。一般工程应用较多、较为著名的低堰主要有WES型、折线型、驼峰型等实用堰及有坎（或无坎）宽顶堰。不同堰型的低堰，设计流量系数md差异较为明显，其中WES型堰的泄流能力在同等条件下最大。

1．1 WES型低堰

WES低堰通常按照其上游挡水面形状及堰面曲线方程的差异，分成Ⅰ，V两种堰型。WESⅠ型堰具有直立的上游面，其堰顶曲线形式是直接将高堰堰顶移用于低堰，上游堰顶为3段圆弧，堰顶下游曲线以堰顶为原点，满足曲线方程WESV型堰上游具有45°斜坡，其堰顶下游段堰面曲线仍采用的幂曲线，而其堰顶上游曲线则为其中Hw专指薄壁堰堰顶水头。关于其流量系数m，山东省水利科学研究所曾对我国工程上应用较多的WES I型低堰进行了大量的试验研究工作。在下游堰高P2相对上游堰高P1足够大，对堰的泄流能力无影响时，堰的流量系数可表征为如图1所示。在设计水头Hd作用下，其相应的设计流量系数md＝0．44～0．49。而WES V型堰的设计流量系数则介于0．47～0．5［2］。

图1 WESⅠ型低堰的的曲线族Fig．1 Fam ily ofcurves of WESⅠlow weir

1．2 驼峰堰

驼峰堰是工程实践中发展出的、目前应用较好的一种低堰堰型，其底部应力分布均匀，适合修建在软弱地基上。我国许多中小型溢洪道的进口，摈弃过去常用的宽顶堰，而采用驼峰堰，主要是考虑驼峰堰的泄流能力一般较宽顶堰大，可提高泄水建筑物的流量系数，从而减少其进口宽度，进一步减少开挖量和工程投资。但是，驼峰堰尚无标准的定型剖面，一般来说，由堰顶凸圆弧和上、下游凹圆弧连接。在水头（流量）较大时，驼峰堰的流量系数一般大致为0．387～0．444［3］。

1．3 折线型堰

折线型一般应用于中小型水利工程，其剖面形式主要有矩形和梯形，梯形剖面又常见上游面直立和上游面有一定坡度2种形式。梯形剖面的堰，其流量系数与上游相对堰高、相对堰顶厚度、堰上下游坡度有关；其设计流量系数通常为0．35～0．43，介于宽顶堰和曲线型实用堰之间。如果将堰进口顶角修圆，流量系数会增加约5%左右。笔者曾在有关文献中对折线型实用堰流量系数的研究和计算做过较为详细的论述。

1．4 宽顶堰

宽顶堰在宽河谷的航电枢纽以及河床径流式电站中应用较多，一般分有底坎和无底坎2种形式。其流量系数与宽顶堰的进口形式、堰顶水头、上游堰高等因素有关，自由泄流状态下，设计流量系数介于0．32～0．385之间。在所有低堰中，同等条件下宽顶堰的泄流能力最低。

2 上下游堰高对泄流能力的影响

低堰堰流有自由出流和淹没出流2种泄流状态。当下游水位不影响低堰的泄流量时为自由出流；反之，则为淹没出流。2种泄流状态下，上、下游堰高对低堰泄流能力的影响程度存在较大的差异。

2．1 自由泄流时

低堰堰流在自由泄流时，除前面所论述的堰型差异导致其流量系数存在较大差异外，堰上水头、上游堰高、下游堰高等因素，均对低堰的泄流能力产生比较大的影响。对于低堰来说，流量系数首先随堰上水头H0与设计水头Hd的比值（H0／Hd）的增大而增大，但当H0／Hd增至某定值后，m达到最大值，尔后又随H0／Hd增大而减小，如图1所示。其次，当上游堰高较大时，不同堰型各自的设计流量系数md，其变化幅度较小，并且上游堰高越大者，低堰的流量系数越大，泄水能力越强［4］。但当上游堰高较低时（P1／Hd＜0．4），随着P1／Hd的降低，md有着很明显的减小，说明此时堰的上游堰高对流量系数亦即泄流能力的影响很大。

另外，下游堰高对低堰的流量系数也存在着一定的影响。当下游堰高P2值较小时，过堰水流受堰下游护坦的阻挡、顶托作用，使其水舌弯曲程度减小，并进而影响流量系数的减小。

图2揭示：自由泄流的情况下，一般在P2／Hd≥1．0时，WES型堰的下游堰高P2对泄流能力几乎没有影响。而当P2／H0＜0．6以后，流量折减系数m／md开始急速下降，说明此时下游堰高对泄流能力产生较大影响。这一规律也近似地适用于其他的标准堰型。因此，在进行堰型选择过程中，一般以P2／H0不小于0．6～0．7为宜。

图2 下游堰高与流量折减系数关系Fig．2 Curve of downstream weir height versus flow reduction coefficient

2．2 淹没泄流时

淹没泄流时，低堰临界淹没度 (hs／H0)k与堰的自由泄流流量系数的大小密切相关。m越大，则临界淹没度越小，即低堰出现淹没泄流的时机也越早。在实用堰的范围内，临界淹没度一般约0．35～0．65之间。

淹没泄流时，低堰泄流能力的强弱主要与淹没系数σs有关，而淹没系数σs又与淹没度、下游相对堰高有关。为了更好地说明这种影响关系，根据WES堰淹没系数图，点绘了图3。

由图3发现，在淹没度较小（hs／H0＜0．35）时，不同下游堰高的关系曲线近似可用同一曲线表示，且淹没系数基本已接近于1．0。说明此时下游堰高对泄流能力无明显影响。当hs／H0≥0．35以后，在同一淹没度下，下游相对堰高越大者，其淹没系数越小，特别在hs／H0≥0．8后，这种差异更为显著。主要是因为，在下游水位超过堰顶的水深值（hs）相同的情况下，下游堰高越大，则其下游水深值也越大，相应地对过堰水流的顶托、阻挡作用也将越强，因而导致泄流能力减小。

因此，对于经常处于大淹没度状态运行的低堰，其下游相对堰高不宜太高，以利提高泄流能力。

图3 下游堰高与淹没系数关系图Fig．3 Curves of downstream weir height versus submergence coefficient

3 上下游堰面坡度对泄流能力的影响

3．1 上游堰面

在所有曲线型实用堰中，WES V型堰的泄流能力最大，这是因为其上游坝坡为45°斜坡，有效地改善了堰前进流条件。表1列出了WES低堰上游堰面倾斜对流量系数的影响系数。

表1 上游堰坡与流量系数关系Table1 Correlation between upstream weirslope and flow coefficient

由上表可知，低堰上游堰面倾斜，有利于提高泄流能力，且上游倾斜坡度越缓，流量影响系数越大，因此，低堰的上游堰面作成斜坡，既利于堰体自身的稳定，又可适当提高泄流能力。

3．2 下游堰面

低堰的下游堰坡对流量系数也存在一定影响。从表2中分析，发现当下游堰坡缓于1∶1时，泄流能力将开始减小，但在1∶1与1∶2之间时，流量系数的减小并不大，而在下游堰面坡比小于1∶2以后，却会导致流量系数发生较为明显的减小。因此，低堰的下游堰坡一般以不缓于1∶1为宜，若因为地形条件等限制，不得不采用较缓坡度时，也应尽量不缓于1∶2。

4 工程实例分析

按照上述观点，分析株洲航电枢纽工程模型试验成果［5］，表3、表4显示，宽顶堰和折线型实用堰在下泄500年一遇至2年一遇洪水时，相应的综合流量系数（无侧收缩影响）分别为0．141～0．133，0．142～0．134，二者相差仅0．001。这是因为2种堰的上游相对堰高（P1／H0）均很低，宽顶堰为0，折线型实用堰为0．126～0．216。此时宽顶堰无侧收缩自由泄流的流量系数为0．385，而折线型实用堰由于堰高降低，犹如堰顶加宽，过堰水流则极有可能转变为宽顶堰流，从而使其流量系数减小。前面曾论述，P1／Hd＜0．4时，折线型实用堰的m值将会明显减小，减小值约为1．8%～8．1%。因此，在这种情况下，2种堰型的流量系数本身就比较接近了。同时，考虑到渲泄500年一遇洪水时，宽顶堰和折线型实用堰的淹没度分别为0．973～0．975，0．978～0．982，在如此大淹没度下，流量系数急剧下降；且淹没度越大，流量系数降低越多，因此，在诸多因素的共同影响下，最终导致该2种堰型在大淹没度下综合流量系数非常接近。

表2 下游堰坡与流量系数关系Table 2 Correlation between downstream weir slope ratios and flow coefficients

表3 各洪水频率时宽顶堰的壅高值及流量系数Table 3 Banked-up water level and flow coefficient of broad-crested weir w ith various flood frequency

表4 各洪水频率时折线型实用堰的壅高值及流量系数Table 4 Banked-up water level and flow coefficient of practicalweir w ith broken line shape w ith various flood frequency

因此，低堰在大淹没度条件下泄流时（实际运用通常可取hs／H0≥0．7～0．75），若上游相对堰高P1／H0≤0．4，则可以不用考虑堰型对泄流能力的影响，而应更多地、全面地考虑施工条件、经济效益、运行安全等其他综合因素。比如株洲航电枢纽工程，主要考虑了宽顶堰在枢纽发电运行期间，保证下游流态平稳，水流平顺，适应的闸门开度和开孔数范围均较折线型实用堰更好。另外，宽顶堰相对于折线型实用堰没有大弧度大范围的曲面，虽然混凝土工程量略有增加，但是施工相对简便，易保证堰面混凝土浇筑质量，且宽顶堰上游堰面平顺，河床大颗粒推移质对堰面磨损小，平板检修闸门门槽不易被泥石填塞，而影响平板闸门关闭到位，因此，最终模型试验推荐采用宽顶堰堰型。

5 结 论

（1）低堰的上游相对堰高P1／H0＞0．5以后，不同堰型的设计流量系数差异较为明显，此时，堰型成为决定低堰泄流能力大小的主要控制因素；而当低堰的上游相对堰高P1／H0≤0．4以后，其自由泄流能力已近似不再受堰型影响。此时上游堰高对流量系数的影响更大，占主导地位。

（2）当hs／H0≥0．6以后，随着淹没度的不断增加，低堰的淹没系数开始急剧下降，可以认为低堰已处于大淹没度泄流状态。淹没度此时也成为了影响泄流能力的主要因素。为提高大淹没度下低堰的泄流能力，可多途径地改善低堰的体型及其他相关影响因素，比如适当降低设计水头的取值、控制低堰的上下游堰高、改善上下游堰坡等。

（3）大淹没度下，若低堰的P1／H0≤0．4，则选择堰型的时候，不应仅以泄流能力的大小来决定，因为此时不同堰型、不同体型的泄水建筑物，其综合流量系数差异不大；所以应综合考虑其他因素，全面权衡，多方比较后确定，或者调整枢纽泄水建筑物的布置位置，使泄水建筑物轴线与河道的主河槽垂直，并与上下游河床平顺连接等。

［1］ 李家星，赵振全．水力学（下）（第二版）［M］．南京：河海大学出版社，2001：11－12．（LI Jia-xing，ZHAO Zhen-quan．Hydraulics（Second Edition）［M］．Nanjing：Hohai University Press．2001：11－12．（in Chinese））

［2］ 童海鸿，兰芙蓉．堰高对低堰泄流能力影响的分析［J］．人民长江，2002，33（11）：21－22．（TONG Hai-hong，LAN Fu-rong．Analysis on Influence of Crest Height on Flood Release Capacity of Low Weir［J］．Yan-gtze River，2002，33（11）：21－22．（in Chinese））

［3］ 刘广胜，王世夏．翼形堰和驼峰堰水力特性的研究［J］．河海大学学报，1998，26（5）：75－80．（LIU Guang-sheng，WANGShi-xia．A Study of Hydraulic Characteris-tics of AirfoilWeir and Hump Weir［J］．Journal of Hohai University，1998，26（5）：75－80．（in Chinese））

［4］ 张绪进，樊卫平，张厚强．低闸枢纽泄流能力研究［J］．水利学报，2005，36（10）：1246－1251．（ZHANG Xu-jin，FAN Wei-ping，ZHANG Hou-qiang．Discharge Ca-pacity of Low Sluice［J］．Journal of Hydraulic Engineer-ing，2005，36（10）：1246－1251．（in Chinese））

［5］ 长沙理工大学水利工程学院．株洲航电枢纽泄水闸断面模型试验研究报告［R］．长沙：长沙理工大学，2001．

（编辑：刘运飞）

Relation Between Low W eir Shape and Discharge Capacity

TONG Hai-hong，LIMeng-cheng，DING Xin-qiu
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410114，China）

Low weir iswidely applied to the sluices and low dams in plains．Its discharge capacity directly deter-mines the layout of discharge buildings of low head water control project and the engineering benefit．However，in practical projects，the discharge capacity of low weir is influenced bymany factors．Based on the processing and a-nalysis of various data，and in consideration of different weir shapes，weir heights and weir surface slopes at up-stream and downstream，etc．，this article analyzed and studied the relationship between discharge capacity and the shape of low weir，and by taking project cases，it put forward relevant problems in engineering application which should be noticed about the design and type selection of low weir in different conditions．

low head；water discharge structure；shape；discharge capacity

TV135．2

A

1001－5485（2011）04－0025－04

2010-04-21

湖南省教育厅科学研究项目（04C0117）

童海鸿（1968-），男，湖南桃源人，副教授，主要从事水工水力学研究，（电话）0731-85258438（电子信箱）tonghh1001＠163．com。