基于模型試驗的氣盾壩流量測算分析

楚萬強 王勤香 李歡

摘 要：氣盾壩在泄流過程中隨開度變化而堰型改變，導致泄流時按單一堰型計算流量的結果與實際差異較大。采用水工模型試驗方法對氣盾壩泄流進行模擬，并分析其流量系數的相關因素及堰型變化，得到氣盾壩不同開度泄流時無側向收縮自由出流的流量計算公式及流量系數范圍，并提出氣盾壩不同運行情況下的流量計算方法。根據研究結果，針對典型工程案例開展流量計算分析，結果表明：在工程運行階段，可方便地測算氣盾壩流量;在工程規劃設計階段，根據氣盾壩不同開度對應的堰型，可精準計算氣盾壩流量。

關鍵詞：氣盾壩;流量;流量系數;模型試驗

中圖分類號：TV649

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.013

引用格式：楚萬強，王勤香，李歡.基于模型試驗的氣盾壩流量測算分析[J].人民黃河，2021，43（9）：70-72.

Analysis of the Calculation of Gas Shield Dams Discharge Capacity Based on Model Tests

CHU Wanqiang， WANG Qingxiang， LI Huan

（Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China）

Abstract： The weir type of gas shield dam changes with the opening transition during the discharge process， which leads to a great difference between the calculated results and the actual results if calculating as per a single weir type. The hydraulic model test was used to simulate the discharge of gas shield dam， and the factors related to flow coefficient and weir type change were analyzed as well. On that basis， the flow calculation formula and the flow coefficient range of free discharge without lateral shrinkage at different openings of gas shield dam were obtained and the flow calculation method under different operating conditions of gas shield dam was put forward. According to the research results， flow calculation and analysis were carried out for typical engineering cases. The results show that it is convenient and practical to calculate the flow rate of gas shield dam during the operation stage of the project; in the stage of engineering planning and design， the flow of gas shield dam can be accurately calculated according to the weir types corresponding to different openings of the gas shield dam.

Key words： gas shield dam; discharge; discharge coefficient; model test

氣盾壩是一種新型的擋水建筑物，它利用氣囊充氣或排氣控制閘門開度，實現閘門頂部溢流的靈活變化。該壩型既有傳統水利工程泄流擋水特點，又有生態水利景觀環保優勢，近些年在打造美麗鄉村、建設智慧城市的河道上修建了很多氣盾壩群[1]。

準確計算不同開度氣盾壩過流能力，是科學決策聯合調度氣盾壩運行方式的基礎工作。在氣盾壩結構、施工及壩型選擇等方面的研究成果、專利很多，但是關于氣盾壩水力設計的文獻寥寥無幾，且僅限于消能計算和臥倒泄流按寬頂堰流的流量計算研究[2-4]。在氣盾壩可行性研究設計中，往往只對氣盾壩臥門和立門兩種運行情況的泄流量進行計算，臥門泄流時按寬頂堰流計算流量，立門泄流時按薄壁堰流計算流量。這兩種工況的流量計算是否與實際相符？不同開度氣盾壩的流量如何計算？針對這些問題的研究目前還是空白。實際應用中，氣盾壩以不同開度泄流時，其堰型在變化，無論按哪種單一堰型計算，都會導致計算流量不準確，甚至造成計算結果錯誤。本研究通過水工模型試驗，結合實際工程分析確定不同開度氣盾壩流量計算方法，以期填補氣盾壩運行中流量計算的研究空白。

1 氣盾壩流量公式水力分析

如圖1所示，H為氣盾壩壩前水頭，h為氣盾壩壩前水深，L為氣盾壩弦長，C為氣盾壩壩高，θ為氣盾壩開啟角度。以氣盾壩壩頂水平面0—0為基準面，壩前1—1過水斷面和壩頂2—2過水斷面列能量方程，令kHn為壩頂2—2過水斷面的水舌厚度， 得到2—2過水斷面的單寬流量：

q=kφ1-ξ2gH0.5+n

式中：q為單寬流量;ξ為測壓管水頭修正系數;g為重力加速度;φ為流速系數;k為系數;n為指數。

令α=kφ1-ξ2g，β=0.5+n，則單寬流量表達式可寫為q=αHβ。不同開度θ對應的系數α和指數β的取值，需要根據模型試驗量測數據分析確定。

2 水工斷面模型試驗設計

氣盾壩是由若干模塊化的鋼閘門組合而成的，每一模塊單元閘門寬度一般為5 m，立門泄流時開度一般為50°或55°，隨著開度變化，壩高從1.5 m到4.0 m不等[5]。氣盾壩模型試驗滿足幾何相似、運動相似、動力相似要求，根據水流特點、運行條件以及研究任務，依據滿足主導力相似的原則和弗勞德重力相似性的原理，進行水工正態斷面模型設計[6-7]。取單元閘門寬度為5 m、開度為50°時的壩高，按1∶5比尺，滿足糙率相似，采用有機玻璃制作水工斷面模型， 模型主要比尺見表1。

氣盾壩上游布設進水管道、電池流量計、集水箱、前池、引水渠（長度10 m）及量測水位、流速的測流斷面，氣盾壩下游布設泄水渠（長度3 m）、水池、量水堰及退水池。開度從臥門泄流的0°開始，間隔5°逐步遞增到立門泄流時的55°，共設計試驗工況12種，量測無側向收縮氣盾壩不同工況下壩前水位、流速和流量，計算壩前水頭H及單寬流量q。

3 不同開度單寬流量試驗公式及流量系數確定

3.1 繪制水頭H與單寬流量q關系曲線

根據不同試驗工況量測數據的點群趨勢線分析，確定單寬流量與水頭關系式及式中系數α和指數β。圖2為典型試驗工況的水頭H與單寬流量q關系曲線，圖中曲線1～8分別對應氣盾壩開度5°、0°、10°、15°、25°、55°、50°、45°。

3.2 確定不同開度流量公式

根據圖2中曲線變化趨勢，確定單寬流量與水頭關系式q=αHβ及不同開度下的系數α和指數β。表2為典型試驗工況對應關系式。

3.3 氣盾壩流量系數確定及堰型分析

根據無側向收縮自由出流堰流單寬流量公式q=m2gH3/2和單寬流量與壩前水頭關系式q=αHβ，得出流量系數m的表達式，確定氣盾壩不同開度、水頭（0.10～1.25 m）時流量系數的變化，不同開度對應的流量系數的最大值、最小值和均值見表3。

由表3可以看出：

（1）氣盾壩流量系數與開度、水頭、流量相關，尤其開度對流量系數影響較大。整體來說，開度越大流量系數越大，開度為45°時流量系數最大，大于45°則壩迎水面坡度陡，阻水作用加大，不利于重力作用泄流，使流量系數減小。

（2）根據試驗數據分析及不同堰型對應流量系數公式比較分析，氣盾壩開度小于10°時堰型接近寬頂堰，開度為10°～15°時為寬頂堰型向接近薄壁堰型轉化，開度為15°～25°時堰型接近克奧實用堰，開度大于25°時流量系數與WES實用堰流量系數接近（可按WES實用堰進行水力計算）[8]。

4 工程實例流量計算

4.1 無側向收縮情況

某市景觀河氣盾壩[9]壩頂過水寬度12 m，自由出流，無側向收縮，立門泄流開度為50°時壩高2.5 m。利用表2中的流量公式，根據水頭即可計算氣盾壩立門泄流量。當水頭為0.1、0.2 m時，計算流量分別為0.88、2.45 m3/s。在該景觀河上利用一點法測流速計算的流量分別為0.95、2.5 m3/s，計算值與實測值相差不超過10%，說明利用試驗公式計算流量便捷、準確。

4.2 有側向收縮情況

堆龍河規劃修建氣動盾形閘壩，閘壩上游河寬156 m，3孔過水，單孔凈寬49 m，立門泄流時（開度50°）為自由出流，閘墩厚度3 m，墩頭迎水面為圓弧形，底板高程3 638.1 m，正常蓄水位3 641.6 m，最大蓄水位3 642.0 m，臥門泄水上游水位3 641.2 m，下游水位3 641.2 m。

根據堰流公式Q=σsεmB2gH2/30計算流量，式中σs為淹沒系數，ε為側收縮系數，m為流量系數（取表3中不同開度對應流量系數平均值），B為過水凈寬，H0為計入行近流速水頭的壩前總水頭。氣盾壩立門泄流時按照實用堰公式確定側收縮系數、淹沒系數并計算流量，其計算結果與根據水文資料同條件下推算的堆龍河控制大斷面的流量結果比較見表4。氣盾壩臥門泄流時，按照寬頂堰公式確定側收縮系數、淹沒系數并計算流量，計算結果為563.64 m3/s;閘門全開臥倒泄流時，河道流量為618 m3/s。

計算結果表明，按照項目研究的流量系數及堰型計算流量與水文推算結果相差小于10%。模型試驗得出結果可靠，可在規劃設計階段計算氣盾壩的流量。

5 結 論

（1）模型試驗結果表明，氣盾壩不同開度泄流時堰型發生動態變化，臥門泄流時接近寬頂堰型，立門泄流時接近WES實用堰型。目前立門泄流時按薄壁堰進行水力計算是不準確的。

（2）氣盾壩無側向收縮時，模型試驗分析得出的不同開度單寬流量計算公式考慮了堰型動態變化，計算方便快捷、結果可靠，可為工程運行階段計算流量;有側向收縮時，按不同開度確定流量系數，并根據對應堰型確定的側收縮系數及淹沒系數計算流量，結果準確，可為工程規劃階段設計流量提供技術參考。

參考文獻：

[1] 陳茂.氣動盾形閘壩錨固體系研究[J].珠江水運，2020（19）：31-32.

[2] 徐君冉，趙海濤，張樂為.簡論氣盾壩的設計[J].河北水利，2016（8）：42-43.

[3] 霍香麗，田金鋼，王家會.洛河東湖攔河壩工程選型及設計[J].人民黃河，2018，40（1）：85-87.

[4] 郭攀攀，焦潔，裴珺.氣盾壩在得勝河綜合治理工程設計中的應用[J].水利建設與管理，2021（2）：17-21.

[5] 吳一紅，洪志強，陸吾華.橡膠壩與氣盾壩技術與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2019：58-146.

[6] 中華人民共和國水利部.水工（常規）模型試驗規程：SL 155—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012：48-200.

[7] 陳東清.不同擋水建筑物方案的應用比選[J].水利規劃與設計，2014（1）：56-59.

[8] 李祎.水力計算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2007：3-98.

[9] 范杰利，盧明，鋒王瓏.大跨度高擋水氣動盾形閘在河流景觀工程中的應用[J].中國水利，2017（8）：45-47.

【責任編輯 許立新】