直角折線堰在生態河道中的應用研究

周鑫宇，邱 勇，王尚今，曾毓莉，吳錦鋼

(云南農業大學 水利學院，云南 昆明 650201)

近年來，關于水生態文明建設[1-2]的思想不斷豐富和完善，隨著水利工程建設的加快，對整個河流流域原有生態環境的影響日益增加，水體污染、河道斷流、濕地萎縮消亡、綠洲退化等現象也在很多地方出現，直接影響著生態河道的健康[3-4]。對此人們逐漸意識到水資源不僅是一種不可替代的重要自然資源，而且是生態系統的支持部分，是環境要素之一[5]。因此水資源的開發應盡量減少對生態環境的負干擾，秉承著尊重自然、順應自然的生態理念，營造人與自然和諧的水環境[6]。現如今，越來越多的親水設施被應用于中小型河道的建設中，使得生態河道不單發揮著生態效益，還發揮著景觀效益[7-8]。

直角折線堰作為一種生態水工建筑物親水設施，既能防洪、取水，又有著堰型優美，溢流效果美觀的優點，可與自然環境融為一體，實現水利工程的觀賞性[9]。在國內公開發表的文獻中，已有文獻[10-11]針對一定堰高情況下，前堰、側堰等長，且側堰長度逐漸減小的Z型堰進行了過流能力、水流流態研究，并在此基礎上推導出Z型堰自由出流條件下的綜合流量系數估算經驗公式和流量計算公式。文獻[12-13]基于堰流基本公式，擬合出直角折線堰在側堰長度改變(位置一定)，以及側堰位置改變(長度一定)時的泄流計算公式。

對于不同前堰和側堰長度的直角折線堰親水設施，過堰水流溢流形態各異，盡管過流能力存在不同，但在中小型生態河道中進行交錯組合布置能呈現出良好的溢流景觀；考慮到河道首先需要保證行洪安全，故在對比分析前、側堰長度改變情況下(堰高、堰寬固定不變)直角折線堰過流能力的基礎上，研究過堰水流形態變化，為直角折線堰親水設施在生態河道中的布置提供參考。

1 試驗研究方案

對于總寬為w的生態河道，考慮取水、防洪以及減輕折沖水流對下游河床穩定影響等需求，直角折線堰幾何參數主要包括前堰長度a、側堰長度b、后堰長度c及堰高P等(見圖1)。

圖1 直角折線堰平面布置示意圖

為了使直角折線堰親水設施能夠兼顧整體美觀性、與環境的協調性以及防洪安全性，其堰高的選取應低于生態河道兩岸邊坡，故試驗研究依托某實際工程(幾何比尺λL=20)，僅針對一定堰高進行。前堰長度依次為37.5 mm、75.0 mm和112.5 mm，側堰長度分別選擇75.0 mm、112.5 mm和150.0 mm，詳見表1。

表1 不同試驗研究方案體型尺寸 單位：mm

2 過流能力分析

根據文獻[14]，對于山區生態河道而言，防洪標準均不超過20 a。在汛期時，為滿足防洪要求，溢流堰應能通過較大流量。通過模型試驗得到不同方案的直角折線堰親水設施和相同堰高的WES實用堰[15](定型設計水頭Hd=150 mm，堰長262.3 mm)的過流能力如表2所示。

表2 直角折線堰水位-流量關系

由表2可知，對于堰型二，隨著堰頂水頭的增加，直角折線堰親水設施過流能力增加幅度呈下降趨勢：堰頂水頭由30 mm增加到60 mm、90 mm時，其過流能力增幅由122.5%下降到67.2%；水頭繼續增加到120 mm、150 mm時，增幅進一步下降到45.1%、33.3%；其中，堰頂水頭為90 mm時，堰型二直角折線堰親水設施與WES實用堰過流能力之間差值達到最大(2.13 L/s)。

圖2 直角折線堰水位-流量關系曲線

由圖2可知，三種堰型在前堰、側堰均不同的情況下，過流能力變化不大；且在低水頭下，其過流能力均大于相同堰高的WES實用堰，較之于傳統的滾水壩，河道的行洪安全更能夠得到保證。此外，堰頂水頭增大到160 mm(1.6倍堰高)時，直角折線堰過流能力開始小于WES實用堰。

3 過堰水流形態

根據試驗觀察，將不同體型直角折線堰親水設施過堰水流形態分為：(1) 貼壁流；(2) 完全的薄壁堰流(前堰、側堰、后堰不同時出現，發生順序也不固定，并且持續時間短)；(3) 不完全的薄壁堰流(堰后有空腔，持續時間相對較長)；(4) WES真空實用堰流。

3.1 堰型一(a=0.25w，b=0.5w，c=0.75w)

溢流開始，前堰和側堰交角處最先過流，隨之前堰、側堰和后堰形成貼壁流；流量增加至0.46 L/s，后堰最先出現挑流(完全的薄壁堰流，見圖3(a))，主流集中于后堰。

流量介于1.02 L/s～1.52 L/s之間時，后堰水舌寬度增加，前堰和側堰幾乎同時挑射，在堰后水位和水舌之間形成連通的空腔(不完全的薄壁堰流，見圖3(b))。流量繼續增加，前堰堰后空腔消失并向側堰下游方向發展；隨著下游水位的上升，空腔內的空氣不斷被水流帶走，空腔逐漸變小并向側堰和后堰交角匯聚，直至消失于該角隅位置。

當流量大于4.26 L/s后，受前堰和側堰之間狹小空間約束，堰后水位壅高，使得直角折線堰過堰水流幾呈直線堰，后堰堰頂水面呈左高右低(左4.0 cm、右3.6 cm)；后堰水流跌落后形成折沖，沖擊區位于堰體下游25 cm近左側邊墻處，橫斷面水深呈凹形：左8.2 cm、中2.0 cm、右5.8 cm，臨近左側邊墻位置水冠瞬時最大高度達10.7 cm。

圖3 堰型一水流流態圖

3.2 堰型二(a=0.5w，b=0.75w，c=0.5w)

泄流開始，直角折線堰溢流前緣長度方向均出現貼壁流，水流附壁自堰頂而下呈收縮狀，但在角隅A處前堰和側堰水流呈交匯連片；流量增加至0.53 L/s，前堰出現水流挑射，水舌右側下緣和大氣連通，此時的側堰和后堰仍然保持附壁流。當流量超過0.77 L/s時，通過側堰的水流不再和堰體正交，而是在平面上呈斜向流動，隨后開始出現水流挑射，堰后出現空腔；進而后堰也開始水流挑射(Q=0.92 L/s)，并且所形成的空腔大于前堰(由于側堰和后堰角隅B折角的阻隔，兩者之間的連通并未很快實現，而是相對滯后，見圖4(a))，直至直角折線堰堰后空腔完全連通后(Q=1.56 L/s)，前堰水舌下方才形成封閉空腔。

流量繼續增加至3.30 L/s，前堰堰后空腔變小，繼而消失，受前堰過堰水流跌落的沖擊影響，側堰堰后上游側空腔消失也較快，前堰和側堰過堰水流近呈實用堰流，在側堰下游水股相交處可見不太明顯的漩渦，角隅位置堰頂可見空腔。受側堰水流影響，前堰堰后水流呈潛射底流狀；另外，在側堰水流沖擊作用下，后堰位置臨近右側邊墻處有明顯水翅，高度12.5 cm(見圖4(b))。流量超過3.78 L/s，側堰下游及后堰堰后空腔內的空氣不斷被水流卷走，并隨著堰后水位上升空腔逐漸變小，直至消失(此時的水流流態并不穩定，受過堰水流跌落影響，部分被水流卷入的氣泡向上回溯，后堰堰頂位置有間歇性空腔出現)。

流量繼續增大至4.28 L/s時，后堰開始逐步過渡到WES真空實用堰流(見圖4(c))，堰后水面高于前堰下游，同時可觀察到水流的斜向補給(前堰過堰水流自右向左前方向流動，下游過堰水流自左向右前方向流動，形成較為明顯的分層錯位剪刀形態)，致使后堰下游25 cm處，橫斷面水深呈兩側高中間低(左6.7 cm、中3.4 cm、右5.8 cm)，但過堰水流流態的變化并未影響到下游泄槽(泄槽水流相對平順)。當折線堰流量Q達到26 L/s時，上、下游正堰堰后水流的水面高差已不明顯，差值漸趨減小。

圖4 堰型二水流流態圖

3.3 堰型三(a=0.75w，b=1.0w，c=0.25w)

前堰、側堰和后堰幾乎同時出現貼壁流，由于前堰過流寬度大，故首先出現挑射(完全薄壁堰流Q=0.92 L/s)形成堰后空腔(見圖5(a))，隨后挑流向側堰方向擴展(速度較慢)，使得前堰堰后空腔與側堰空腔連通，當前堰發展到不完全的薄壁堰流后(Q=1.33 L/s)，后堰才開始出現挑射水流(此時側堰過流并不充分，直角折線堰堰后空腔未連通)。

流量介于1.69 L/s～5.72 L/s時，下游水位逐漸上升，前堰與側堰堰后空腔內空氣不斷被水流帶走，側堰沿長度方向堰頂水頭不均勻，后堰堰前可觀察到明顯的水面壅高(前堰堰頂水深5.2 cm、側堰堰頂水深4.3 cm、后堰堰頂水深4.9 cm)，水流斜向下游流動，和前堰過堰水流疊加，在近右側邊墻處形成較大水翅(見圖5(b))，并形成淹沒頂托，影響到側堰出流。在左側近壁水流作用下，自側堰角隅B點向下游呈現蒲扇狀出流(見圖5(b))，后堰過堰水流向上出挑明顯，堰體下側空腔持續時間長；整個水流流線由斜向流動轉為近軸線方向，但主流偏右，在堰后形成較為明顯的水流折沖(后堰下游10 cm處，右側邊墻沖擊區波峰瞬時最大值為14.2 cm，斷面平均水深為：左6.6 cm、中3.5 cm、右10.7 cm)。

圖5 堰型三水流流態圖

對比以上不同折線堰體型過堰水流：由于堰型一前堰長度小于后堰，故主流多集中于后堰，使得后堰過堰水流優先于前堰和側堰出現挑射形成薄壁堰流；同時前堰堰后水流受側堰下泄水流的束縛，水舌寬度較小。隨著前堰和側堰長度的增加(堰型二)，通過前堰的水流最先出現挑射，隨之側堰和后堰相繼形成薄壁堰流；此外，受側堰下泄水流沖擊作用，在相對后堰位置臨近邊墻處有明顯的水冠，高度不超過下游后堰堰頂水頭。進一步增大前堰和側堰長度(堰型三)，主流多集中于前堰，致使前堰優先出現薄壁堰流，進而向側堰與后堰方向擴展；在后堰堰前可觀察到明顯的水面壅高，在近壁水流作用下，致使后堰與側堰交匯處呈現蒲扇狀出流。可以認為：前堰、側堰長度的變化對過堰水流形態有直接影響。

折線堰不同前堰、側堰長度下的過堰水流以及堰后水流流態各異，在進行河道生態治理時，可將其進行隨機組合布置，以使過堰水流相互交錯、水股相擊，營造人水和諧的生態景觀。

4 結 論

通過對不同堰型的直角折線堰親水設施過流能力以及過堰水流形態的研究，成果表明：

(1) 盡管直角折線堰親水設施三種堰型的前、側堰長度不同，但過流能力差異不大；低水頭情況下，其過流能力大于相同堰高的WES實用堰。

(2) 不同前堰、側堰長度變化情況下，通過直角折線堰前堰、側堰和后堰的水流形成薄壁堰流的先后順序不同并且形態各異。