折线型实用堰流量系数试验研究

赵伟伟，李 英

（商洛市水电勘测设计院，陕西 商洛 726000）

0 前言

堰体厚度δ与堰上水头H之比介于0.67与2.5之间（即0.67＜δ/H＜2.5）的堰为实用堰。由于实用堰的堰体较厚，水舌下缘与堰顶接触，水舌受到堰顶的约束和顶托。越过堰顶水流主要还是在重力作用下自由跌落。实用堰根据堰顶剖面形式分为曲线型和折线型两类。

堰和闸是水利工程中常见的用来引水、泄洪、调节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，堰型主要取决于工程要求和所采用的建筑材料，在工程上，应用较多的堰型是实用堰。一些由当地材料（如条石、块石等）砌筑的中、低型溢流堰，一般做成折线型实用堰，折线型实用堰作为低堰，在中小型水利工程和农业水利工程中应用广泛，但是其水力学特性－泄流过程及其流量系数的变化规律的研究尚不充分。

本文从折线实用堰的形式、分类开始，运用水力学相关知识，设计试验，分别对矩形实用堰和梯形实用堰堰流流量系数进行研究。

1 试验设备与方法

1.1 试验装置

试验装备见图1，本设备自循环供水、加水储存在蓄水箱中。试验时，由水泵向试验水槽供水，水流经三角堰量水槽，流回到蓄水箱中。水槽首部有稳水、消波装置，末端有多孔尾门及尾门升降装置。槽中可换装各种堰、闸模型。堰闸上下游与三角堰量水槽水位分别用测针量测。为量测三角堰堰顶高程配有专用校验器。

堰型设计分别为矩形实用堰和梯形实用堰，通过调节供水流量调节阀来调节流量，测得不同流量下上下游水位～流量关系，以及流量系数、淹没系数等水力要素的关系。

本装置水槽宽100 mm，流量采用下游的三角量水堰量测。堰上下游水位用测针量测，量水堰堰前水深用三角堰水位测针筒量测。

图1 堰流试验装置图

1.2 试验堰型

1.2.1 梯形实用堰

堰顶厚36 mm，堰底厚59 mm，堰高40 mm，堰宽100 mm，由于实用堰0.67＜δ/H＜2.5，所以所选的梯形堰堰前水深控制在14.4 mm～53.7 mm之间。迎水面为直立面，背水面坡度ctgθ=1。

1.2.2 矩形实用堰堰厚60 mm、堰高70 mm、堰宽100 mm。两种堰型见图2。

图2 堰型设计图

1.3 试验方法与要求

1.3.1 试验步骤

1）根据试验要求流量，调节供水流量调节阀和下游尾门开度，使之形成堰下自由出流。待水流稳定后，观察堰自由出流的流动情况，定性绘出其水面线图。

2）用测针测量堰的上、下游水位。在试验过程中，不允许旋动测针针头（包括明渠所有试验均是如此）。

3)待三角堰和测针筒中的水位完全稳定后（需待5 min左右），测记测针筒中水位。

4)改变进水阀门开度，测量4～6个不同流量下的试验参数。

5)调节尾门，抬高下游水位，使堰成淹没出流。测记流量Q'及上、下游水位。改变流量重复2次。1.3.2 实验要求

1)对堰流流量系数m的实测值与经验值进行分析比较，研究其变化规律。

2)对折线实用堰淹没出流的流量系数，研究淹没时的泄流能力。

2 试验结果分析

通过选择矩形实用堰和梯形实用堰进行试验，主要研究了水流流速对流量系数的影响；上游堰高对流量系数的影响；堰型对泄流能力的影响；堰坎厚度对泄流能力的影响；上下游堰坡对泄流能力的影响；淹没出流时流量系数变化规律。通过Excel对试验数据进行处理，绘制相关关系曲线，拟和公式，和经验公式进行比较等一系列研究方法。总结以下结论：

1）水流内部流速对折线型实用堰的流量系数有所影响，流量系数随着流速的增大而增大，可用公式m=0.007δ/Ho+0.353来表示其和流量系数的关系，式中Ho=H+αν02/2g。

2）上游堰高P对流量系数也有影响，当P/H＞1.490时，流量系数随着P/H的增大而迅速减小。当P/H＜1.490时，随着P/H的减小，流量系数有所增大，但是变化不大，流量系数均在0.4左右。

3）根据试验所得，流量系数m与δ/H有关系式m=0.040 Ln(δ/H)+0.334，此式说明，流量系数m随δ/H的减小呈对数增大的趋势。总的来说，堰坎厚度对流量系数的影响还是比较显著的，影响矩形实用堰的下泄能力。

4）通过参考H.H.巴甫洛夫斯基等人关于折线实用堰相关的经验公式，加上试验研究，推出矩形实用堰的流量系数计算公式m=0.27+0.141Ho/δ，以及起其适用范围为：δ/P=0.115-2.5；0.5≤δ/Ho≤1.6；0.07≤Ho/δ≤2.0。经过和经验公式经验公式进行比较，本公式和经验公式趋势相近。实测值后者较经验公式大，由此可见矩形堰自由出流流量系数比较好。

5）在试验研究矩形堰淹没出流时流量系数，推出淹没出流的界限当Ho/P＞0.844为淹没出流。淹没出流时流量系数m随着Ho/P的增大而减小。并且自由出流时，流量系数变化相对稳定，而淹没出流时，流量系数变化迅速。

6）在研究梯形实用堰流量系数时考虑了堰顶相对厚度δ/H、下游相对堰高P/H以及堰的上、下游边坡S等有关因素的影响，根据试验所测数据，导出梯形实用堰流量系数公式m=0.22+（0.151Ho/P）/(δ/P)0.9，其适用范围：0.114＜δ/P＜1.0；0.5＜δ/H0＜1.6；0.1＜H0/P＜2.0；通过和矩形实用堰进行比较，矩形堰的流量系数随Ho/P的变化比较缓慢，而梯形堰变化比较迅速，两种堰的流量系数均比较大，在0.4左右，说明其泄流能力还是比较好的。

7）上游边坡的变化对梯形断面实用堰的泄流能力有较大的影响，且随着上游边坡的变缓，流量系数减小。从水力学的角度看，梯形断面实用堰的上游边坡以S=2.0左右为佳。

8）试验测得梯形实用堰淹没出流时流量系数，线形拟和出m和Ho/P关系公式m=-0.001Ho/P+0.451。通过和矩形实用堰淹没出流时流量系数进行比较，矩形堰m随Ho/P的减小而迅速减小，梯形堰变化平稳，梯形堰流量系数均较矩形堰大。由此可见，梯形堰泄流能力比较好。

3 结语

折线型实用堰的流量系数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响，其中堰型、堰坎厚度、上下游堰坡是主要影响因素，影响折线型实用堰的泄流能力。

矩形堰和梯形堰各有优缺点，矩形堰自由出流时流量系数比较大且稳定，可以用于小型农田水利工程中渠道壅水建筑物如量水堰等，而梯形实用堰淹没出流时流量系数比较大且稳定，可用于大型水利工程中消能坎、拦砂坝等建筑物。