直角折线堰堰体各组成部分过流能力分析

周鑫宇，邱 勇，葛亚飞，杨昌文，郭金楠

（云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201）

中小河流的生态治理工程不仅需要具备灌溉、供水功能及确保行洪安全，还应具有景观、休闲、生态等综合功能［1］。对于传统溢流堰而言，由于溢流形式单一，缺乏一定的景观效果，因此逐渐被迷宫堰、琴键堰等新型过水建筑物所取代［2］。直角折线堰不仅可以在维持河道宽度的情况下，通过增加溢流前缘长度来增大过流能力，还可以与自然环境融为一体，实现水利工程的观赏性［3］，是一种兼具防洪安全和溢流美观的亲水建筑物。

目前，已有许多学者通过水工模型试验针对直角折线堰进行了研究。邱勇等［4］基于BP 神经网络对直角折线堰过流能力进行预测，并给出了不同体形的流量系数；常倩、张靖等［5－6］针对前堰、侧堰等长，且侧堰长度逐渐减小的Z 形堰进行了过流能力、水流流态研究，在此基础上推导出Z 形堰自由出流条件下的综合流量系数估算经验公式；周鑫宇等［7］对比分析了前堰、侧堰长度同时改变（堰高、堰宽固定不变）的直角折线堰过堰水流形态变化情况；邱勇等［8］基于堰流基本公式，通过拟合给出了侧堰位置变化（长度不变）条件下直角折线堰流量系数计算公式；王尚今等［9］对一定堰高，不同侧堰位置（前堰长度）、侧堰长度的直角折线堰流量系数进行拟合分析，得到基于溢流前缘长度变化的流量系数计算公式；李庆梅等［10］在堰流基本公式基础上针对侧堰位置固定，单纯改变侧堰长度的直角折线堰，拟合出流量系数计算公式。

直角折线堰由前堰、侧堰和后堰3 部分组成，但上述研究多从宏观上针对直角折线堰溢流特性及整体过流能力进行分析，尚未见到分别针对前堰、侧堰、后堰堰体过流能力的相关研究成果。

1 模型建立与验证

1.1 数学模型

直角折线堰（见图1）几何参数包括前堰长度a、侧堰长度b、后堰长度c、堰高P、堰体厚度d，其中河道宽度w＝a＋c，展长L＝a＋b＋c。按照王尚今等［9］给出的几何尺寸（见图2），利用FLOW－3D 软件建立数学模型，其中湍流模型采用RNGk－ε模型［11－12］，气液自由表面追踪采用TruVOF 方法［13－16］。模型方案见表1。

通过对2001～2017年发表在管理学国际主流期刊(USDallas 24种期刊和Financial Times Top 50)和组织行为学权威期刊上的56篇实证研究论文进行分析，可以发现，大多数研究聚焦于个人特质和工作特征如何调节工作重塑诱因对重塑行为的影响，并验证工作重塑对主客观结果的影响。

表1 模型方案

图1 直角折线堰平面布置

图2 直角折线堰体形

1.2 网格划分及边界条件

整个计算域以直角折线堰侧堰和后堰交点为坐标原点，x方向垂直于边墙（xmax＝75 mm，xmin＝－75 mm），y方向与边墙平行（ymax＝450 mm，ymin＝－370 mm），z方向为铅直方向（zmax＝400 mm，zmin＝0）。采用结构化网格，将模型整体划分为一个网格块，每个网格单元均为1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm 的正方体，网格总数约为850万个（见图3）。

图3 网格划分（单位：mm）

前堰、侧堰、后堰流线的变化导致了直角折线堰不同堰体堰顶沿程水头的差异（见图8）。

1.3 模型验证

根据文献［9］不同方案直角折线堰过流能力，选取其中3 组方案进行模型验证，如图4 所示（H为堰顶水头，Q为流量）。

图4 试验研究与数值模拟过流能力

没有就算了。村长适时接过话头。八斗丘补偿问题，村委过些天会研究，你不要到处找人说事。特别是不要找那样专门戳漏洞的什么狗屁记者。

2 结果与分析

2.1 过堰水流流态

对直角折线堰数值模拟得到的水流流态进行观察可以发现：当堰顶水头H＜7 mm 时，前堰、侧堰和后堰过堰水流紧贴堰壁，呈现收束状贴壁流；随着堰顶水头的增大（完全薄壁堰流，7 mm≤H＜12.6 mm），过堰水流在前堰率先形成挑射，并迅速向侧堰方向扩展，侧堰随后出现挑射；此时后堰仍为贴壁流，但过堰水流宽度逐渐增大并占满整个后堰堰壁，直至堰顶水头H＝12.6 mm时，形成挑射水流［见图5（a）］。

苏楠强迫自己努力地回忆，可脑子里一点儿也没有留存她叫李碧汝的那三年多的记忆，她和李峤汝是不是似胶如漆过，杨小水给她们讲过什么样的故事……

由图4 可知，随着堰顶水头的增大，不同方案的流量模拟值与试验成果极为接近，最大误差为3.51%～6.93%，表明所建立的数学模型可以模拟直角折线堰溢流过程。

图5 方案A22过堰水流流态

当堰顶水头超过25 mm 时，前堰、侧堰、后堰开始形成不完全薄壁堰流：挑射水流相互连通，并在堰后形成密闭空腔［见图5（b）］。前堰过堰水舌和侧堰过堰水舌相互撞击，堰体下游面有反向回卷水流；后堰过堰水流呈挑射状，水舌下侧可见明显空腔，其内有顺时针螺旋状水流。

其中，Q为下料要求速度即生产率；φ为装满系数；ρ为饲料的容重；ε为螺旋倾斜向上输送时对输送量的影响系数，水平放置时取1。通过计算和试验最终确定螺旋轴的转速。

对于直角折线堰，过堰水流流态随着堰顶水头的增大可分为贴壁流（水流贴附堰体流动）、完全薄壁堰流（过堰水流形成挑射，水舌与堰体之间形成与大气连通的空腔）、不完全薄壁堰流（堰后空腔随下游水位上升逐渐消散）、真空实用堰流（堰后空腔消失）4 个阶段［7］。数值模拟得到的过堰水流流态与试验研究基本一致。

2.2 过堰水流流速

流速矢量及水流流线的变化能够说明堰体各组成部分在泄流过程中有效溢流前缘长度及堰顶水头的变化，图6 为溢流开始以后前堰、侧堰、后堰过堰水流流速分布（堰顶水头H＝10 mm）。

国际文凭(International Baccalaureate， IB)是由国际文凭组织(International Baccalaureate Organization， IBO)推出的课程和考试项目，大学预科国际文凭课程(Diploma Program， DP)则是面向全球16～19岁优秀高中生开展的课程[1]。IBDP生物学课程的总体特色是“轻知识、重技能”，强调实验教学的过程性和方法，旨在关注学生知识的生成过程，培养学生解决问题的能力，全方面提高生物学素养，在情感教育上则充分体现了以人为本、尊重生命的课程目标。

图6 直角折线堰过堰流速分布

由图6 可以看出，溢流刚开始时，前堰、侧堰、后堰的过堰水流均与堰体正交，直角折线堰展长优势明显。前堰与侧堰过堰流速矢量在角隅A 处聚集；角隅B处，过堰流速矢量则呈放射状。

由图7 可知：惯性力作用下，侧堰过堰水流的流线随流速增大开始逐渐转向。堰顶水头由0 mm 增至10、20 mm 时，侧堰过堰水流表层流线由与侧堰堰体正交（偏转角θ＝90°）开始向与侧堰堰体平行的方向偏转，偏转角减小至76.37°、63.63°，但减幅较小，底层水流流线偏转角的变化滞后于表层水流；当堰顶水头达到140 mm 时，侧堰表层水流的流线已经与侧堰方向接近平行，但底层水流流线偏转角仍然达64.31°。受侧堰流线偏转的影响，后堰表面过堰水流流线偏转夹角呈先减小后增大的V 形变化：堰顶水头由0 mm 增至60 mm 时，流线偏转角δ下降至66.78°，随水头进一步增大，流线偏转开始回升至与堰体垂直。

为了进一步说明不同堰体实际泄流的变化情况，给出了方案A22在堰顶水头分别为100、125、150 mm时前堰、侧堰和后堰堰体下游压强分布，见图9。

在直角折线堰中，前堰堰体始终与来流方向垂直，因此流线方向未发生偏转。图7 给出了堰顶水头增大后侧堰、后堰水流流线的平面变化情况。

从国民经济评价可见，本工程经济内部收益率为10.47%，大于社会折现率8%；经济净现值为3645.99万元，大于零；经济效益费用比为1.26大于1.0。其经济评价指标较好，社会效益显著，工程在经济上是合理的。经国民经济敏感性分析可知，本工程的抗风险能力较强。

图7 方案A22过堰水流流线偏转变化

实际浇筑过程中采用分层浇筑的方式，采用机械震捣手段完成，震捣过程中震捣仪的移动间距要适宜，捣震的过程中不得触碰相关的设备，如预埋件、钢筋等，采用不同的振捣方法，混凝土的浇筑厚度有所不同，具体如下：采用插入式震动，浇筑层厚度为振捣器作用部分长度的1.25倍；如果是表面震动，无筋或配筋稀疏结构的浇筑层厚度为25cm，配筋较密结构的浇筑层厚度为15cm；附着式震动的浇筑层厚度为30cm；入工捣固的浇筑层厚度为20cm

为获取通过直角折线堰不同堰体溢流前缘的泄流量，分别在进口、出口、前堰、侧堰和后堰位置设置流量监测面。将水流进口设置为压力边界，以反映前堰、侧堰、后堰随堰顶水头的变化情况，同时设置流体高度为相应的堰顶水头；出口及顶部边界在初始状态时只存在空气，流体分数设为0；河道底部及边墙均采用无滑移固壁边壁条件。

图8 方案A22堰顶沿程水头变化情况（H＝25 mm）

由图8 可以看出：前堰堰顶水头在角隅A 处出现局部壅高；鉴于侧向泄流的客观存在，侧堰堰顶沿程水头自角隅A 至角隅B 持续下降（由22.02 mm 降至16.61 mm）；后堰堰顶水头在角隅B 处最低。受后堰上游侧来流行进流速影响，沿程水头损失客观存在，致使堰顶有效水头不足。

2.3 过堰水流压强分布

与此同时，目前常见的Android应用安全性检测方案主要使用动态和静态两种检测技术，但大多数设计方案只针对其中一项技术进行应用或改进，少有对这些技术检测效果的相关性与互补性进行研究。这明显无法对root手机进行全面、高效的安全防护。

图9 方案A22直角折线堰堰体下游侧压强分布

堰顶水头为100 mm 时，前堰、侧堰堰顶下游侧开始出现负压（真空度分别为22、3 Pa），但后堰堰后仍为空腔形态。当堰顶水头为125 mm 时，前堰堰顶真空度增加至91 Pa，侧堰堰顶真空度增加至5 Pa，后堰堰顶真空度为67 Pa（后堰堰体下游侧60 mm 处，真空度达169 Pa）。堰后负压区的存在能够增大直角折线堰的过流能力。堰顶水头进一步增加至150 mm 时，堰后负压消失，意味着直角折线堰不同堰体过流能力已呈减小趋势。

当堰顶水头25 mm≤H＜140 mm 时，前堰、侧堰、后堰堰后空腔随下游水位的上升逐渐消失；堰顶水头进一步增大（H≥140 mm）后，过堰水流近似呈实用堰流［见图5（c）］。

2.4 前堰、侧堰、后堰泄流分配

在不同堰顶水头下，将各方案溢流前缘监测面的泄流量除以总泄流量，得到前堰、侧堰、后堰的泄流占比，如图10 所示。

图10 直角折线堰各部分堰体过流能力占比（a＝c＝75 mm）

由图10 可以看出，随着堰顶水头的增大，长度相同的前堰与后堰泄流占比均呈增大趋势：堰顶水头为25 mm≤H＜100 mm 时，前堰泄流占比稍大于后堰，亦即侧堰的分流导致后堰泄流占比减小；堰顶水头H≥100 mm 时，在侧堰分流作用影响下，前堰过流能力出现下降，致使后堰过流能力超过前堰。

在相同堰顶水头下，侧堰分流能力随溢流前缘长度增加而增大：堰顶水头H＝25 mm 时，侧堰长度由75 mm增加至112.5、150 mm，泄流占比由31.34%分别增大至41.28%、49.39%。

侧堰长度不变（为112.5 mm），随堰顶水头增加，其泄流占比呈下降趋势，且差值逐渐减小：堰顶水头25 mm →50 mm、50 mm →75 mm 时，差值分别 为9.80%、5.58%。原因在于堰顶水头增大，来流流向不易发生偏转，侧堰在水流惯性作用下分流不足。

3 结论

通过对直角折线堰前堰、侧堰和后堰溢流特性及过流能力的研究，得到以下结论。

1）随着堰顶水头的增大，前堰流线始终与堰体保持正交；侧堰流线由与堰体正交转变为与堰体平行，沿侧堰长度方向，堰顶沿程水头持续下降；后堰流线受侧堰泄流的影响，表现为与堰体正交→斜交→正交的变化过程，同时后堰受堰前水头损失增大影响，导致堰顶有效水头不足。

2）当堰顶水头为100～125 mm 时，前堰、侧堰、后堰堰体下游侧依次出现负压，并逐渐增大；当堰顶水头为125～150 mm 时，前堰、侧堰、后堰堰体下游侧负压依次消失。

3）前堰与后堰长度相同，前堰、后堰泄流占比均随着堰顶水头的增大而增大（侧堰泄流占比随堰顶水头增大而下降）；堰顶水头为25～100 mm 时前堰泄流占比稍大，堰顶水头超过100 mm 后后堰泄流占比超过前堰。此外，侧堰泄流占比随溢流前缘长度增加而增大。