大淹没度低堰泄流能力研究

吴英卓，姜伯乐，何 勇

(长江科学院水力学研究所，武汉 430010)

1 研究背景

对于只能修建低水头枢纽的工程，采用低堰泄流，其泄流能力直接决定了建筑物布置形式和工程效益的大小。本文研究的某水电站枢纽工程位于长江干流重庆段，不允许工程过多地壅高河道水位，故采用低堰泄流。因长江来流量大，且工程下游水位变幅大，达26.12m，低偃经常在大淹没水深及大淹没度条件下运行。为了减少上游淹没且为了缩短溢流前缘长度，应尽可能提高低堰的泄流能力，因此对低堰体型及相关影响泄流能力的因素开展了水力学试验研究。本文主要介绍了相关试验研究成果，以期为实际工程设计和运用提供参考。

2 工程基本资料及分析

该低堰工程坝址特征水位和流量列于表1，研究的溢流堰特征尺寸为堰顶高程172.0m、上游堰高P1=6m、下游堰高 P2=5m、单孔净宽14.0m。该堰设计水头 Hd=197.63－172.00=25.63 m，相对堰高 P1/Hd=0.23＜1.33为低偃;宣泄 p=20%～0.05%(p为洪水频率)洪水时，下游淹没水深hs＞18.0m，淹没水深较大;且相应淹没度hs/H0在0.90以上，一般认为hs/H0＞0.6即进入大淹没度范畴，由此可知该堰的淹没度很大。

3 研究成果

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，本研究主要从堰型、上下游堰面坡度、堰高这3方面对泄流能力的影响着手。

3.1 堰型对泄流能力的影响

表1 坝址特征水位及流量Table 1 Characteristic water level and flow at the dam site

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，设计流量系数差异较为明显，一般认为，在同等条件下WES型实用堰泄流能力最大，而宽顶堰的泄流能力最小。对于曲线型实用堰，当P1/Hd≤0.2时，其泄流能力与宽顶堰相同，而本次研究对象的P1/Hd=0.23，已接近0.2，表明曲线型实用堰泄流能力已与宽顶堰接近;因此选择施工相对简单、流量系数介于宽顶堰和曲线型实用堰之间的折线型实用堰作为堰型优化试验的比较堰型，两比较堰型见图1。

图1 比较堰型示意图Fig.1 Comparison of weir types

图1中虚线为WES－Ⅰ型堰，此堰型称为试验堰型Ⅰ，其上游堰坡直立，堰顶曲线形式是直接将高堰堰顶移用于低堰，上游堰顶为椭圆弧，堰顶下游曲线以堰顶为原点，满足曲线方程［1］:

为了顺滑衔接，WES型低偃的下游堰坡必形成缓坡，图1所示WES堰下游堰坡坡比为1∶6。显然堰高越低，下游堰坡就会越缓，其流量系数m就越接近宽顶堰。

图1中实线为折线型实用堰，此堰型称为试验堰型Ⅱ，为便于比较，其上游堰坡亦选择为直立，堰顶为平面，上游堰顶为1/4圆弧，堰顶下游通过一段衔接性圆弧接下游堰坡。考虑到折线型实用堰流量系数随堰顶厚度的增加而减小［2］，所以堰的厚度选择是考虑在能够支撑闸门的前提下尽量薄。另外，根据以往研究经验［3］，当下游堰坡缓于1∶1时，泄流能力下降;下游堰坡坡比在1∶1～1∶2范围内时，流量系数减小不大;但当下游堰坡坡比小于1∶2后，流量系数明显下降。因此低偃的下游堰坡一般以不缓于1∶1为宜，若地形条件限制，不得不采用缓坡时，也应尽量不缓于1∶2。该比较堰型下游堰坡选择为1∶2。该堰在宣泄 p=5%～0.05%洪水时，δ/H＜0.67，按常规划分应属薄壁堰范畴，但因研究对象的P1/Hd＜0.3，则可能向宽顶堰过渡［2］。

试验比较了图1所示2堰型下泄q=14.29～144.29 m2/s 8级流量时的泄流能力，研究发现，各级流量下基本存在如下规律:堰下游水流流态为产生完全水跃的自由出流状态，或为具有下潜水舌的淹没水跃的缓流状态时，WES堰泄流能力较大。而当下游淹没度加大，下游流态为不产生水跃的完全淹没缓流状态时，折线堰的泄流能力略大。将 q=70.00，88.57，107.14m2/s 3 级流量时WES 堰与折线堰的堰上水头H与下游淹没水深hs关系曲线同时绘于图2。由图2可知，宣泄q=70m2/s流量时，在hs＜13.30m区间泄流能力以WES堰略大，而随下游淹没水深进一步加大(相应淹没度亦加大)至hs＞13.30m(hs/H0＞0.93)后，反以折线堰的泄流能力略大;宣泄q=88.57 m2/s流量时，hs＜17.04m区间，泄流能力以WES 堰略大，hs＞17.04m(hs/H0＞0.94)后以折线堰的泄流能力略大;宣泄 q=107.14m2/s流量时，hs＜22.18 m区间泄流能力以WES堰略大，hs＞22.18m(hs/H0＞0.95)后以折线堰的泄流能力略大，其余各级流量也基本上在hs/H0=0.90～0.95时为堰型转换分界点。各级流量堰型转换分界点处P1/H=1.19～0.26，均在低堰范围内。即对于图1所示比较的两堰型，当P1/H＜1.33，在hs/H0＞0.90～0.95时以折线堰泄流能力大。

图2 堰型Ⅰ与堰型Ⅱ泄流能力比较Fig.2 Comparison of discharge capacity between the two weir types

研究表明:①随着下游淹没水深的加大，WES堰泄流能力大的优势愈来愈小，且在一定淹没度后，其泄流能力反而弱于形式恰当的折线堰。②低偃泄洪时，当淹没度 hs/H0＞0.90～0.95时，堰体 δ/H≤0.67且下游堰坡较陡的折线堰比相同堰高的WES型低堰泄流能力大。同时也验证了堰的自由泄流流量系数m值越大，其相对临界淹没度越小，即淹没影响出现得越早［4］，且上述研究成果还说明自由泄流流量系数m值较大的堰型，其流量系数随淹没度加大衰减得更快，即受淹没影响更大。

3.2 上、下游堰面坡度对泄流能力的影响

3.2.1 上游堰坡

根据李炜［5］的研究成果，折线型低堰上游坡坡比为1∶0.5时，流量系数比直立坡大2%，因此对图1所示折线型实用堰，保持下游堰坡坡比1∶2不变，比较上游为直立和坡比为1∶0.5两种堰的泄流能力大小。试验结果表明，在下游水位较高、淹没度较大时，上游坡比为1∶0.5试验堰型泄流能力略小，分界点在堰型分界点左右。如宣泄q=107.14m2/s流量时，hs＜23.0m区间泄流能力以坡比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，对于P1/H＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95淹没度下运行，其上游堰坡为直立坡时泄流能力较大。

3.2.2 下游堰坡

对图1所示折线型实用堰，保持上游堰坡直立，比较了坡比为1∶2和1∶6.5下游堰坡的泄流能力大小，将试验得 到 的q=70，88.57，107.14m2/s 3级流量时上述2种堰坡的堰上水头H与下游淹没水深hs关系曲线同时绘于图3。试验结果表明，在大淹没度下运行的低堰，下游堰坡为缓坡的试验堰型泄流能力略小，即下游堰坡以陡坡为佳。

图3 不同下游堰坡泄流能力比较Fig.3 Comparison of discharge capacity between the two weir types with different downstream weir slopes

3.3 上下游堰高对泄流能力的影响

保持图1所示折线型实用堰上下游堰坡不变，将堰顶高程由172.0m降低至170.0m，相应堰高降低2.0m。此比较堰型称为试验堰型Ⅲ。

试验结果表明，下游水流流态为产生完全水跃的自由出流状态，或为具有下潜水舌的淹没水跃的缓流状态时，试验堰型Ⅲ泄流能力比试验堰型Ⅱ大较多，但随着下游水位的升高，下游出现不产生水跃的完全淹没缓流流态时两堰型泄流能力的差距迅速减小。如在下游水位Z下=175.0m，单孔下泄Q=460m3/s时，采用试验堰型Ⅱ时上游水位 Z上=178.95m，而采用试验堰型Ⅲ时上游水位降低2.77 m，仅为176.18 m;而在Z下=180.0m，单孔下泄Q=460m3/s时，采用试验堰型Ⅱ时 Z上=180.41m，而采用试验堰型Ⅲ时上游水位仅降低0.09 m，为180.32m。显然，堰高的降低增大了泄流能力。但随着淹没水深的加大，降低堰高对泄流能力的影响逐渐被弱化。分析原因为:同一下游水位条件下，堰高较小的堰泄流时淹没水深更大，相应淹没度也更大，加大的淹没水深和淹没度削弱了堰高降低对泄流能力的影响。

3.4 工程实例分析

前面的试验为单纯地对某一堰型进行泄流能力研究，各堰型泄流能力曲线均为某一流量级下上下游水位关系曲线，而实际工程枢纽下游水位与总下泄流量是一一对应的，如枢纽下泄流量Q=42 600m3/s(p=20%)时，此时下游水位 H下=190.14m［6］，假设此洪量全由 42 孔泄水孔宣泄，并按每个泄水孔泄量一样折算，p=20%洪水、Q=42 600m3/s的单孔泄量为1 014.29 m3/s，这样就可由单孔泄量以及对应下游水位，通过各堰型的泄流能力曲线查出相应上游水位，比较各堰型上游水位高低就可判断各堰型的优劣。

根据上述方法计算出各堰型宣泄p=20%，5%，设计以及校核洪水时相应上下游水位值列于表2。

表2 各堰型宣泄特征流量时对应的上下游水位值Table 2 Upstream and downstream water levels corresponding to discharged flow of different weir types

由表2可知，在枢纽宣泄p=20%洪水时，堰的下游淹没水深hs=17.88 m，试验堰型Ⅱ比试验堰型Ⅰ上游水位低4cm;在枢纽宣泄p=5%洪水时，堰的下游淹没水深hs=20.47 m，试验堰型Ⅱ比试验堰型Ⅰ上游水位低11cm。由此可知随着泄量加大，相应下游淹没水深加大，折线型实用堰——试验堰型Ⅱ的优势越来越明显。计算2堰型宣泄各特征流量时堰的淹没度均大于0.90，由此表明该枢纽宣泄p=20%以上流量时，均处于试验堰型Ⅱ的优势区，该枢纽低堰堰型以采用折线型实用堰为优。

另外从表2还可知，在枢纽宣泄p=20%洪水时，试验堰型Ⅲ比试验堰型Ⅰ上游水位低15cm;在枢纽宣泄p=5%洪水时，试验堰型Ⅲ比试验堰型Ⅰ上游水位低15cm;在枢纽宣泄p=0.2%设计洪水时，试验堰型Ⅲ比试验堰型Ⅰ上游水位低9cm;在枢纽宣泄p=0.02%校核洪水时，试验堰型Ⅲ比试验堰型Ⅰ上游水位低6cm。由此可以看出:随着泄量的加大，下游淹没水深加大，堰高的改变对泄流能力的影响越来越小。

总之，对于处于大淹没水深下的低偃，其堰高以及堰面形式对泄流能力的影响有限，因此若想通过降低堰顶高程或改变堰面形式来大幅增加泄流能力是不可行的。

对于大淹没度下低堰泄流能力的影响因素研究，是一个有待进一步深入研究的课题。在一定的淹没水深范围内，由于低堰各种堰型受同一因素影响程度不一样，故堰型对低堰泄流能力的影响较大，而当淹没水深加大到一定程度后堰型对低堰的泄流能力的影响甚微。

4 结论

(1)对于P1/Hd＜1.33的低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹没度下运行时，下游堰坡为陡坡且δ/H≤0.67的折线型实用堰比相同堰高的WES堰泄流能力大。

(2)对于P1/Hd＜1.33的折线型低堰，在hs/H0＞0.90～0.95的大淹没度下运行时，以上游堰坡直立、下游堰坡较陡的堰型泄流能力大。

(3)大淹没水深下运行的低堰，降低堰顶高程，减小堰高可增大泄流能力，但低偃堰高以及堰面型式的变化对泄流能力的影响有限。

［1］李家星，赵振全.水力学(下)(2版)［M］.南京:河海大学出版社，2001:11－12.(LI Jia-xing，ZHAO Zhenquan.Hydraulics(2nd Edition)［M］.Nanjing:Hohai University Press，2001:11－12.(in Chinese))

［2］童海鸿，艾克明，丁新求.折线型实用堰过流能力研究［J］.长江科学院院报，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］童海鸿，李梦成，丁新求.低堰体型与泄流能力关系的初步研究［J］.长江科学院院报，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))

［4］童海鸿，严忠民，艾克明.高淹没度下低堰泄流能力初步研究［J］.人民长江，2003，34(7):59－61.(TONG Hai-hong，YAN Zhong-ming，AI Ke-ming.Preliminary Investigation on the Discharge Capacity of Low Weir with Big Submergence Depth［J］.Yangtze River，2003，34(7):59－61.(in Chinese))

［5］李 炜.水力计算手册(2版)［M］.北京:中国水利水电出版社，2006:96－97.(LI Wei.Handbook of Hydraulic Calculation(2nd Edition)［M］.Beijing:China Water Power Press，2006:96－97.(in Chinese))

［6］吴英卓，何 勇，姜伯乐.小南海水电站泄水孔堰型比较断面模型试验研究报告［R］.武汉:长江科学院，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 ))