直角折线堰在生态河道中的应用研究

2020-07-07周鑫宇王尚今曾毓莉吴锦钢

水利与建筑工程学报 2020年3期

周鑫宇，邱勇，王尚今，曾毓莉，吴锦钢

(云南农业大学水利学院，云南昆明 650201)

近年来，关于水生态文明建设[1-2]的思想不断丰富和完善，随着水利工程建设的加快，对整个河流流域原有生态环境的影响日益增加，水体污染、河道断流、湿地萎缩消亡、绿洲退化等现象也在很多地方出现，直接影响着生态河道的健康[3-4]。对此人们逐渐意识到水资源不仅是一种不可替代的重要自然资源，而且是生态系统的支持部分，是环境要素之一[5]。因此水资源的开发应尽量减少对生态环境的负干扰，秉承着尊重自然、顺应自然的生态理念，营造人与自然和谐的水环境[6]。现如今，越来越多的亲水设施被应用于中小型河道的建设中，使得生态河道不单发挥着生态效益，还发挥着景观效益[7-8]。

直角折线堰作为一种生态水工建筑物亲水设施，既能防洪、取水，又有着堰型优美，溢流效果美观的优点，可与自然环境融为一体，实现水利工程的观赏性[9]。在国内公开发表的文献中，已有文献[10-11]针对一定堰高情况下，前堰、侧堰等长，且侧堰长度逐渐减小的Z型堰进行了过流能力、水流流态研究，并在此基础上推导出Z型堰自由出流条件下的综合流量系数估算经验公式和流量计算公式。文献[12-13]基于堰流基本公式，拟合出直角折线堰在侧堰长度改变(位置一定)，以及侧堰位置改变(长度一定)时的泄流计算公式。

对于不同前堰和侧堰长度的直角折线堰亲水设施，过堰水流溢流形态各异，尽管过流能力存在不同，但在中小型生态河道中进行交错组合布置能呈现出良好的溢流景观；考虑到河道首先需要保证行洪安全，故在对比分析前、侧堰长度改变情况下(堰高、堰宽固定不变)直角折线堰过流能力的基础上，研究过堰水流形态变化，为直角折线堰亲水设施在生态河道中的布置提供参考。

1 试验研究方案

对于总宽为w的生态河道，考虑取水、防洪以及减轻折冲水流对下游河床稳定影响等需求，直角折线堰几何参数主要包括前堰长度a、侧堰长度b、后堰长度c及堰高P等(见图1)。

图1 直角折线堰平面布置示意图

为了使直角折线堰亲水设施能够兼顾整体美观性、与环境的协调性以及防洪安全性，其堰高的选取应低于生态河道两岸边坡，故试验研究依托某实际工程(几何比尺λL=20)，仅针对一定堰高进行。前堰长度依次为37.5 mm、75.0 mm和112.5 mm，侧堰长度分别选择75.0 mm、112.5 mm和150.0 mm，详见表1。

表1 不同试验研究方案体型尺寸单位：mm

2 过流能力分析

根据文献[14]，对于山区生态河道而言，防洪标准均不超过20 a。在汛期时，为满足防洪要求，溢流堰应能通过较大流量。通过模型试验得到不同方案的直角折线堰亲水设施和相同堰高的WES实用堰[15](定型设计水头Hd=150 mm，堰长262.3 mm)的过流能力如表2所示。

表2 直角折线堰水位-流量关系

由表2可知，对于堰型二，随着堰顶水头的增加，直角折线堰亲水设施过流能力增加幅度呈下降趋势：堰顶水头由30 mm增加到60 mm、90 mm时，其过流能力增幅由122.5%下降到67.2%；水头继续增加到120 mm、150 mm时，增幅进一步下降到45.1%、33.3%；其中，堰顶水头为90 mm时，堰型二直角折线堰亲水设施与WES实用堰过流能力之间差值达到最大(2.13 L/s)。

图2 直角折线堰水位-流量关系曲线

由图2可知，三种堰型在前堰、侧堰均不同的情况下，过流能力变化不大；且在低水头下，其过流能力均大于相同堰高的WES实用堰，较之于传统的滚水坝，河道的行洪安全更能够得到保证。此外，堰顶水头增大到160 mm(1.6倍堰高)时，直角折线堰过流能力开始小于WES实用堰。

3 过堰水流形态

根据试验观察，将不同体型直角折线堰亲水设施过堰水流形态分为：(1) 贴壁流；(2) 完全的薄壁堰流(前堰、侧堰、后堰不同时出现，发生顺序也不固定，并且持续时间短)；(3) 不完全的薄壁堰流(堰后有空腔，持续时间相对较长)；(4) WES真空实用堰流。

3.1 堰型一(a=0.25w，b=0.5w，c=0.75w)

溢流开始，前堰和侧堰交角处最先过流，随之前堰、侧堰和后堰形成贴壁流；流量增加至0.46 L/s，后堰最先出现挑流(完全的薄壁堰流，见图3(a))，主流集中于后堰。

流量介于1.02 L/s～1.52 L/s之间时，后堰水舌宽度增加，前堰和侧堰几乎同时挑射，在堰后水位和水舌之间形成连通的空腔(不完全的薄壁堰流，见图3(b))。流量继续增加，前堰堰后空腔消失并向侧堰下游方向发展；随着下游水位的上升，空腔内的空气不断被水流带走，空腔逐渐变小并向侧堰和后堰交角汇聚，直至消失于该角隅位置。

当流量大于4.26 L/s后，受前堰和侧堰之间狭小空间约束，堰后水位壅高，使得直角折线堰过堰水流几呈直线堰，后堰堰顶水面呈左高右低(左4.0 cm、右3.6 cm)；后堰水流跌落后形成折冲，冲击区位于堰体下游25 cm近左侧边墙处，横断面水深呈凹形：左8.2 cm、中2.0 cm、右5.8 cm，临近左侧边墙位置水冠瞬时最大高度达10.7 cm。

图3 堰型一水流流态图

3.2 堰型二(a=0.5w，b=0.75w，c=0.5w)

泄流开始，直角折线堰溢流前缘长度方向均出现贴壁流，水流附壁自堰顶而下呈收缩状，但在角隅A处前堰和侧堰水流呈交汇连片；流量增加至0.53 L/s，前堰出现水流挑射，水舌右侧下缘和大气连通，此时的侧堰和后堰仍然保持附壁流。当流量超过0.77 L/s时，通过侧堰的水流不再和堰体正交，而是在平面上呈斜向流动，随后开始出现水流挑射，堰后出现空腔；进而后堰也开始水流挑射(Q=0.92 L/s)，并且所形成的空腔大于前堰(由于侧堰和后堰角隅B折角的阻隔，两者之间的连通并未很快实现，而是相对滞后，见图4(a))，直至直角折线堰堰后空腔完全连通后(Q=1.56 L/s)，前堰水舌下方才形成封闭空腔。

流量继续增加至3.30 L/s，前堰堰后空腔变小，继而消失，受前堰过堰水流跌落的冲击影响，侧堰堰后上游侧空腔消失也较快，前堰和侧堰过堰水流近呈实用堰流，在侧堰下游水股相交处可见不太明显的漩涡，角隅位置堰顶可见空腔。受侧堰水流影响，前堰堰后水流呈潜射底流状；另外，在侧堰水流冲击作用下，后堰位置临近右侧边墙处有明显水翅，高度12.5 cm(见图4(b))。流量超过3.78 L/s，侧堰下游及后堰堰后空腔内的空气不断被水流卷走，并随着堰后水位上升空腔逐渐变小，直至消失(此时的水流流态并不稳定，受过堰水流跌落影响，部分被水流卷入的气泡向上回溯，后堰堰顶位置有间歇性空腔出现)。

流量继续增大至4.28 L/s时，后堰开始逐步过渡到WES真空实用堰流(见图4(c))，堰后水面高于前堰下游，同时可观察到水流的斜向补给(前堰过堰水流自右向左前方向流动，下游过堰水流自左向右前方向流动，形成较为明显的分层错位剪刀形态)，致使后堰下游25 cm处，横断面水深呈两侧高中间低(左6.7 cm、中3.4 cm、右5.8 cm)，但过堰水流流态的变化并未影响到下游泄槽(泄槽水流相对平顺)。当折线堰流量Q达到26 L/s时，上、下游正堰堰后水流的水面高差已不明显，差值渐趋减小。

图4 堰型二水流流态图

3.3 堰型三(a=0.75w，b=1.0w，c=0.25w)

前堰、侧堰和后堰几乎同时出现贴壁流，由于前堰过流宽度大，故首先出现挑射(完全薄壁堰流Q=0.92 L/s)形成堰后空腔(见图5(a))，随后挑流向侧堰方向扩展(速度较慢)，使得前堰堰后空腔与侧堰空腔连通，当前堰发展到不完全的薄壁堰流后(Q=1.33 L/s)，后堰才开始出现挑射水流(此时侧堰过流并不充分，直角折线堰堰后空腔未连通)。

流量介于1.69 L/s～5.72 L/s时，下游水位逐渐上升，前堰与侧堰堰后空腔内空气不断被水流带走，侧堰沿长度方向堰顶水头不均匀，后堰堰前可观察到明显的水面壅高(前堰堰顶水深5.2 cm、侧堰堰顶水深4.3 cm、后堰堰顶水深4.9 cm)，水流斜向下游流动，和前堰过堰水流叠加，在近右侧边墙处形成较大水翅(见图5(b))，并形成淹没顶托，影响到侧堰出流。在左侧近壁水流作用下，自侧堰角隅B点向下游呈现蒲扇状出流(见图5(b))，后堰过堰水流向上出挑明显，堰体下侧空腔持续时间长；整个水流流线由斜向流动转为近轴线方向，但主流偏右，在堰后形成较为明显的水流折冲(后堰下游10 cm处，右侧边墙冲击区波峰瞬时最大值为14.2 cm，断面平均水深为：左6.6 cm、中3.5 cm、右10.7 cm)。

图5 堰型三水流流态图

对比以上不同折线堰体型过堰水流：由于堰型一前堰长度小于后堰，故主流多集中于后堰，使得后堰过堰水流优先于前堰和侧堰出现挑射形成薄壁堰流；同时前堰堰后水流受侧堰下泄水流的束缚，水舌宽度较小。随着前堰和侧堰长度的增加(堰型二)，通过前堰的水流最先出现挑射，随之侧堰和后堰相继形成薄壁堰流；此外，受侧堰下泄水流冲击作用，在相对后堰位置临近边墙处有明显的水冠，高度不超过下游后堰堰顶水头。进一步增大前堰和侧堰长度(堰型三)，主流多集中于前堰，致使前堰优先出现薄壁堰流，进而向侧堰与后堰方向扩展；在后堰堰前可观察到明显的水面壅高，在近壁水流作用下，致使后堰与侧堰交汇处呈现蒲扇状出流。可以认为：前堰、侧堰长度的变化对过堰水流形态有直接影响。

折线堰不同前堰、侧堰长度下的过堰水流以及堰后水流流态各异，在进行河道生态治理时，可将其进行随机组合布置，以使过堰水流相互交错、水股相击，营造人水和谐的生态景观。