淹水堆石体溢流特性实验室水槽实验分析探究

余启飞 刘建祖

(1.江西水利职业学院，江西 南昌 330013；2.江西省宜春市袁州区水务局，江西 宜春 336000)

淹水堆石体特有的结构和溢流特性，使其成为生态潜坝、淹水坝经常选用的一种水工结构。本文通过实验室水槽实验，对淹水堆石体溢流特性进行专题实验分析探究，探讨淹水堆石体内部溢流的流速分布及溢流比等问题，以为淹水堆石体工程应用提供研究和技术参考，助力建造科学适用的生态潜坝工程。

1 实验室水槽实验简介

水槽实验在南昌工程学院的水工实验厅进行，整套水槽实验系统由水流体系、卵石箱段、数据收集三个主要部分组合构成(见图1和图2)。

图1 实验系统结构配置示意图

图2 实验水槽现场图片

实验水槽宽度0.41m，长度12.28m，在水槽下游尾水段的前4.5m处设置卵石箱实验段，此处相对远离进前端水口，并在槽体的前端配置消浪板，以确保实验段拥有相对平稳水流。

卵石箱实验段长度0.60m，高度0.20m，宽度0.41m，以普通河卵石作为卵石实验段的充填材料，卵石在实验前经标准网筛给予筛选，按照卵石粒度取值尽可能宽的使用需要，选择6种粒度规格进行实验。实验卵石孔隙率和粒度指标见表1。

表1 实验卵石孔隙率和粒度指标

在距底面14cm及7cm位置分别布设两层DJ800水压感应器,其布设状态及压力阶序号见图3和图4。

图3 感应器配置示意图

图4 压力阶设定及序号

为了不影响实验段的流态平稳，各感应器均采取沿实验段中轴线布设。为了尽可能避免或降低前后段涌波差异的影响，将最外侧的水压感应器设置在卵石箱5cm位置。感应器数据采集和整个数据处理由微机系统控制实施。

2 淹水堆石体溢流速率的相关分析

2.1 基于高程差异的溢流速率分布

本研究将堆石体溢流速率划分为两层进行分析，分别为i5层和i4层。在上游水深保持基本不变的情况下，取溢流速率为纵坐标，取下游水位为横坐标，建立关联关系，探究究堆石体溢流速率与上下游水位差的关联影响。实验所得上下层溢流速率关系曲线见图5。

图5溢流速率关系曲线揭示，上层平均溢流速率v5与下层平均溢流速率v4，随着下游水深的增加，均呈逐渐降低趋势，并且都在向0值逐渐逼近。但也有所差异：与下层相比，上层平均溢流速率降低速率相对慢些。上层平均溢流速率随着水深的加增最终会高于下层。表明总压力梯度随着水深的加增而在不断降低，即堆石体总体溢流能力随着水深的加增而呈逐渐减弱态势。当然，堆石体内部溢流速率不是始终均匀分布的，随着水体高程增加，溢流高速率区也在随之有所增加。

当下游到达30cm水深时，下层平均溢流速率基本降低至0值附近，即当下游水深超越堆石体高程10cm时，堆石体结构的溢流功效会变得极其微弱。曲线也揭示，随着卵石粒度从7.13mm加增到58.00mm，对应的最大溢流速率也从0.016m/s增加至0.08m/s，可见堆石体粒度对溢流速率的关联影响是明显的。

图5 上下层溢流速率关系曲线

通过实验能够得出，对堆石体溢流而言，下游水深加大，可有效降低其溢流速率，从而降低堆石体的透水性，提升堆石体稳定性。相对越大的平均粒度，堆石体最大溢流速率也会相应变得越大。可见，选择良好的级配，可以提高堆石体的稳定状态。

2.2 堆石体上层溢流速率分布状态分析

在堆石体结构内部，不同水面高程处的溢流速率及演变规律亦有所不同，即使在同一水平面，溢流速率的分布依然有所不同。实验计算的高程14cm堆石体上层各部位的溢流速率见图6。

因为感应器测定的是各部位的综合压力值，因此各部位的平均溢流速率是考虑了垂向溢透后的综合平均溢流速率。由图6可以看到，所有的溢流速率随着下游加大水深而呈现对应逐渐降低的态势，其中上层的平均溢流速率v5至始至终处在各溢流速率曲线的居中部分，表明v5有效描述了同平面各段溢流平均速率，但不能有效描述堆石体中各部位的具体溢流速率。

由图6也能看到，上层溢流速率在下游水位达到卵石箱高度所在的23cm时，会出现一次相对剧烈的状态变化，此缘于水槽内此时整体流态是由溢流转向堰流，溢流速率会在流态转化时出现相对的急剧变动，超越转变临界点，堰流状态形成后，溢流速率又趋于平稳。

图6 堆石体上层溢流速率曲线

3 淹水堆石体溢流量占比分析

除了内部溢流速率演变可能导致的形变研究外，堆石体研究的另一个重点是溢流量占比。本文主要利用平均溢流速率来计算溢流量占比。主要思路是，以埋设感应器的部位将实验段堆石体划分为上下两个部分，对堆石体内部过流量与总过流量进行比例分析。以两层感应器的中轴线将溢流区划分为上下两部分，见图7。

图7 溢流区上下部分划分

上下层溢流量计算公式为

Q=vBH

(1)

式中v——各溢流速率;

Q——各溢流量;

H——卵石箱各部分高程;

B——水槽宽度，取0.41m。

借助三角形尾水段量水堰和测针，可以获得总流量，对溢流量和总流量做比例计算，即可得出堆石体溢流占比，计算公式为

(2)

式中Q总——总过流量;

Q溢——溢流量;

P——溢流占比。

在保持上游水位基本不变的条件下，取溢流量为纵坐标，下游水位为横坐标，建立关联关系，借以观察溢流量与上下游水位差的关联影响状态，基于粒度差异计算所得的各溢流量曲线见图8。

图8曲线揭示，在相同粒度情况下，溢流量的绝对值随着下游水位的增高而呈现逐渐降低态势，同样溢流占比也在呈现逐渐降低态势。在下游水位大于23cm后，堆石体过流由溢流为主转为堰流为主，不过绝对溢流量还是相当大的，不应被随意忽略。

图8 基于粒度差异的溢流量

由于图8对溢流量的绝对值表达得比较清楚，而对溢流比率的表达则不清晰，于是我们取溢流量比率为纵坐标，下游水位为横坐标，绘制成折线图(见图9)。

图9 基于粒度差异的溢流量比率

整个水槽内的上下游水位差随着下游水深的加增而在不断降低，但整体过流量在逐渐加大。由图9可见，溢流比率在下游水位超越20cm时开始逐渐降低。过流量整体提高，但曲线却同时在降低，表明经过堆石体的水流，在堆石体被完全淹没的过流状态中，是以堰流为主的。因为水槽内整体压力阶的减弱，致溢流功效连续减弱。

由图9也能看到，基于7.13mm和12.75mm卵石粒度，在下游水位小于12cm时，溢流量占比较小。此主要缘于小粒度卵石的溢透性相对较差，水流在通过堆石体上表面时进入卵石体内的并不多，多是直接经顶部跌落至堆石后的水槽中，当加大卵石粒度后，随着透水性的提高其溢流量相对加大，溢流比率也随之相对加大。

各折线的平均值随着卵石平均粒度的加大而有稍微的升高，表明卵石平均粒度的加增提高了溢流量比率。并且曲线斜率的增大，也揭示了卵石平均粒度的加大扩大了压力阶的影响效果。

图8揭示，所有曲线在下游23cm水深处，都发生了折转现象，缘于20cm卵石箱高程，下游到达23cm水深左右时，卵石箱完全被淹没，此时过流状态变化较大，给溢流带来较大影响，致使溢流比率忽然降低。这是因为图8中的上游水位没有固定，因此图中突出点位置出现较大的上下游水位差。

除7.13mm在末端曲线出现4.09%的最小值外，其他各线的最小值均大于9.58%，表明渠道内上下游水位整体落差很小，本实验最大水头差0.6cm，上下游水位差均在总水头2%以内(见表2)。

表2数据揭示，除7.13mm的溢流比率4.09%外，在低水头差的情况下，其余5组数据中最大值是16.70%，最小值是9.58%，对常规河道的生态潜水坝而言，溢流量所占比率会相对更大，表明在孔隙率较大或者平均粒度较大的条件下，溢流量状态要给予必要的重视，而不可以被忽略。

表2 基于低水头差的过流量比率

4 结 语

本文通过实验室水槽实验，对淹水堆石体溢流特性进行了专题实验分析探究。主要收获及结论如下：水槽实验分析验证了溢流堆石体内部各部位的溢流速率，随着水槽内整体水头差的降低，也随之降低，下层溢流速率差逐渐扩大，并且下层溢流速率会先变为0值；当下游水深加增时，随下游水位增高，溢流比率逐渐降低；当水位差不大于2%时，除7.13mm粒径的溢流比率在4.09%外，在低水头差作用下，其余堆石体依然存在着9.58%以上的溢流比率，表明在孔隙率较大或者平均粒度较大的条件下，溢流量状态要给予必要的重视，而不可以被忽略。