泄洪条件下新型折线堰水力特性物理模拟试验研究

刘 枫

(深圳市水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000)

0 引 言

随着水利工程建设的不断完善和发展，对以往建设完成和将要修建的水工建筑物可靠性提出了更为严格的要求。而全球气温的不断上升导致暴雨的出现频率也在增长，对于应对暴雨和洪水灾害的关键水工建筑在泄洪过程中的自身稳定性问题显得尤为突出。据相关统计表明，我国的水库总量在9.8×104座以上，且大多修建于上世纪60年代左右，受限于当时的技术水平和运行时间较长等因素，这些老旧水库的安全问题得到国家的高度重视[1-3]。

统计数据表明，上世纪50年代至本世纪20年代之间，我国共有3 500多起溃坝案例，而其中有一半的原因是因为超标洪水泄洪漫顶和泄水建筑物泄洪能力引起的[4-5]，应对上述问题最经济有效的处理方式是升级改造溢洪道。目前，常见的升级改造手段有新增或加宽溢洪道、降低高程、在顶部增加建筑物或以上多种方式的组合[6-7]。但是，上述处理措施会带来诸多的问题，如施工工程量大、经济成本高、增加运行安全和减小水库蓄水能力等[8]。因此，琴键堰以经济美观、结构新颖和分叉泄洪等优势在水库升级改造中得到广泛应用[9]。

虽然琴键堰较传统的直线堰而言具有更高的实用价值，但是其结构参数复杂，导致水流特性计算更加复杂，加之现有的研究手段大多采用数值模拟的方式，研究手段较为单一，严重阻碍了琴键堰在复杂工程中的应用和推广。因此，本文将采用室内物理模拟的方式研究琴键堰在泄洪时的水力特性，以期为琴键堰的设计和应用推广提供理论指导。

1 模型构建与试验方案

1.1 模型构建

本次室内物理模拟试验设备主要包括储水库、供水设备、水槽、电磁流量计、水槽尾门控制阀门、回水设备等组成，其中水槽制作的材料采用有机钢化玻璃，其厚度为10 mm，便于观察试验过程，水槽的总体长度15 m,宽度0.5 m，高度0.8 m，此次试验可模拟最大水流量为100 L/s的泄水现场。水槽从上到下分别为储水库、消流器、琴键堰模型和人字尾门，琴键堰模型示意图见图1。在借鉴前人的研究基础上[9]，设置琴键堰的基本参数，见表1，琴键堰的整体宽度设置为480 mm，上下游倒悬长度固定为75 mm，基座长度160 mm。

图1 琴键堰模型示意图

表1 琴键堰模型参数

1.2 试验方案

本次室内模型试验设置4组不同堰高的琴键堰模型，用来模拟研究堰高对于泄洪工况下琴键堰水力特性的影响；同时还设置7组不同的泄洪水头，用来模拟研究在不同水头泄洪条件下琴键堰的水力特性。根据琴键堰模型的特点，重点关注入口溢流前缘、出口溢流前缘和侧面溢流前缘3个位置的相对汇流量、汇流效率和水面线形态等特征，3个溢流前缘位置见图1。以期在通过模拟试验获得泄洪条件下琴键堰水力特性，并为琴键堰针对不同应用环境的设计完善和应用推广提供借鉴。

2 试验结果分析

首先，测量和计算不同水头高度下不同堰高的相对汇流量百分数，结果见图2。从图2可以看出，随着水头的增加，所有堰高组别的相对汇流量百分数变化趋势几乎一致，均是先增大后降低再升高的趋势，且波动值较小，说明不同堰高的琴键堰均能满足泄流要求，这主要得益于不同溢流位置能在不同的水头高度下承担泄流任务。在相同的水头条件下，当堰高为170 mm时的相对汇流量百分数最大，说明此时琴键堰的泄洪能力最强；且水头较低和较高时，堰高对于泄流量的影响值波动较大，说明相对于水头高度而言，堰高对琴键堰泄流能力影响更为明显。

图2 不同水头高度对不同堰高的相对汇流量影响

其次，计算不同水头高度下不同堰高的汇流放大比。汇流放大比是指在所有条件一致的情况下，琴键堰的泄流总量除以薄壁堰的泄流总量[10]，结果见图3。

图3 不同水头高度对不同堰高的泄流放大比的影响

从图3可以看出，在相同的堰高条件下，随着水头高度的增加，琴键堰的泄流放大比逐渐减小，这是因为水头高度增加会抑制琴键堰侧面的泄流效率，但是所有的情况下泄流放大比均大于1，说明泄流效果仍然较好。在相同的水头条件下，随着堰高的增加，琴键堰的泄流放大比逐渐增大。因此，在较低水头和较高堰高情况下，琴键堰的泄流能力最强，说明在流量较小的水库中使用琴键堰能达到更好的泄洪效果；而在泄流量较大的水库中时，可以增加琴键堰的堰高来提升其泄流能力。

根据物理模拟及现场泄流现象可知，在琴键堰的泄流过程中，水流主要从侧面、入口和出口3个位置进行泄流(图1)，因此对3处溢流前缘泄流量进行监测和计算，得到不同位置在不同水头高度及堰高下的泄流效率，结果见图4。从图4可以看出，当堰高不变时，随着水头高度的增加，侧面溢流前缘和入口溢流前缘的泄流效率先降低后稳定，而出口溢流前缘的泄流效率先增大后降低，且侧面溢流前缘的变化幅度最为明显，而出口溢流前缘的变化幅度最小，说明在泄流过程中，出口泄流始终保持着较高的泄流效率；说明在低水头下，侧面溢流和入口溢流承担着主要的泄流作用。当水头高度保持不变时，随着堰高的不断升高，侧面溢流前缘、入口溢流前缘和出口溢流前缘的泄流效率均逐渐增大，说明增加堰高对于提升琴键堰的泄洪效率具有显著的作用。

图4 不同水头高度及堰高对不同溢流前缘泄流效率的影响

最后，记录不同水头高度下入口溢流前缘和出口溢流前缘的泄流水面线，结果见图5。从图5可以看出，在入口溢流前缘和出口溢流前缘前端时，随着水头高度的增加，水面线从平整状态向弯曲状态发展，整体还是比较光滑；但是在水流流经入口溢流前缘和出口溢流前缘后，当水头高度较小时，水流流经入口溢流前缘和出口溢流前缘后端时，水面线呈直线式缓慢下滑，随后呈垂直状态流出，最后呈波动式先前流动，波动状态主要是因为受侧面水流交汇的影响；当水头高度较大时，水流流经入口溢流前缘和出口溢流前缘后端时，水面线呈一定角度向下流动，最后呈现出先上升后下降的趋势，这主要是因为水流自身重力作用下的冲击力导致的，此时侧面水流交汇的影响并不明显。

图5 不同水头高度对泄流水面线的影响

3 结 论

本文通过室内物理模拟手段，研究了不同水头高度及堰高对于琴键堰泄流时水力特性的影响，结论如下：

1)随着水头高度的增加，相对汇流量和出口溢流前缘泄流效率先增大后降低，而泄流放大比和侧面及入口溢流前缘泄流效率均逐渐降低，说明水头高度增加会降低琴键堰的泄流能力，但琴键堰的泄流效率始终高于传统直线堰的泄流效率。

2)随着堰高的增加，琴键堰的相对汇流量、泄流放大比和3处溢流前缘泄流效率均得到显著地提升，说明堰高是影响琴键堰泄流效率的主要影响因素。

3)综合试验结果可知，在泄流量较小的水库中，琴键堰本身结构特性便能满足泄洪要求；而在泄流量较大的水库中，可以增加琴键堰的堰高来提升其泄流能力。