水電站WES實用溢流堰泄流能力曲線推導

李 琨

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 實用溢流堰泄流能力推導相關理論

1.1 堰流工況

在水工閘門完全開啟的工況下，水流泄流并不受閘門控制，此種出流狀態即為堰流，考慮到WES實用堰是水利水電工程中較為常見的一種堰體型式，故通過能量方程進行WES實用堰堰流公式的推導[1]，具體分析模型見圖1，圖中以WES實用堰堰頂水平面為N-N基準面，過水斷面0-0為上游與堰壁(3-5)H之間的漸變斷面，過N-N基準面和水舌中線交點的斷面為1-1斷面。

圖1 WES實用堰堰流模型

模型中0-0斷面及1-1斷面能量方程可表示如下：

(1)

(2)

其中，流速系數φ<1。

(3)

(4)

式中：n為閘孔孔數；σs為淹沒系數，其取值主要體現WES實用堰下游水流銜接程度；ε為側收縮系數，取值體現水流對WES實用堰翼墻和閘墩的影響程度。

1.2 閘孔出流工況

在水工閘門部分開啟的情況下，水流主要從閘底板和閘門底緣所形成的孔中流出，此種出流狀態即為閘孔出流，其模型見圖2。應用能量方程可得到WES實用堰C-C斷面流速公式：

(5)

(6)

圖2 WES實用堰閘孔出流模型

2 實用堰泄流能力曲線繪制

初始行近流速計算斷面選擇堰前無明顯下降的斷面，并按照下式進行初始行近流速計算：

v0=Q/(BH0)

(7)

式中：B為溢流壩段與非溢流壩段總長度，m；Q為上游與堰壁(3-5)H處斷面流量值(m3/s)；其余參數含義同前。

結合實踐經驗，初始行近流速取值對低堰泄流能力存在較大影響，但對于高堰而言，其泄流能力受行近流速水頭的影響較小，可忽略不計。

WES實用堰閘孔出流及堰流的轉換主要受閘門開度e/H的影響較大，在堰頂水頭既定情況下閘門開度從0增大至0.65H，閘后水面在這一過程中保持平靜狀態；當閘門開度從0.65H增大至0.75H，這一期間開始出現水面坡降，泄流狀態位于閘孔出流和堰流之間；而當閘門開度達到并超出0.75H后形成堰流。從以上變化可以看出，閘門開度e/H和垂直收縮系數之間并非簡單的正相關關系[3]，垂直收縮系數劇烈變動時，WES實用堰便表現出從閘孔出流向堰流變化的泄流狀態。

結合上述對WES實用堰在有閘控制下泄流狀態的分析，其泄流狀態包括閘孔出流和堰流兩種狀態，故閘門開度e/H<0.65H時用閘孔出流公式；閘門開度e/H在0.65H-0.75H之間時用堰流公式；在閘門開度e/H=0.65H和0.75H兩點上通過緩增及近似直線連接。通過這一方式得出WES實用堰有閘控制下水位-流量曲線后，還應結合多次調洪演算結果，進行該曲線的校核與修正。

3 工程應用

3.1 工程概況

某二級水電站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內，距上游已建的X水電站1km、距下游在建的開都河小山口水電站10km、距下游哈爾莫墩水電站24km、距和靜縣88km、距庫爾勒市130km。該二級水電站樞紐布置采用中閘址方案，工程為Ⅳ等小(1)型工程，溢流堰位于河道左岸河槽內，溢流堰全長67m，堰頂高程為1351.3m，溢流堰采用WES實用堰，溢流堰采用內部漿砌石，外包0.5m厚C30鋼筋混凝土面板結構，溢流堰每10m設一閘墩，閘墩頂高程為1353.50m。校核洪水位下泄流量為266.36m3/s，設計洪水位下泄流量為49.94m3/s。

3.2 行近流速檢驗

通過正態水工模型和實測資料的對比進行該水電站WES實用溢流堰行近流速公式檢驗，該水工模型按照重力相似準則及1:40比例尺進行設計，并通過矩形薄壁堰控制、測量來水流量，檢測結果詳見表1所示。

將已經得到的堰前斷面形狀、流量及流量系數、水位等取值代入堰頂總水頭公式及式(7)進行行近流速計算，再根據WES實用溢流堰堰流公式進行流速影響堰流程度的驗證。計算結果詳見表2。

通過分析以上計算結果可以看出，在忽略行近水頭情況下，流量計算結果與實測結果相差甚微，行近流速對流量計算結果的影響可以忽略不計；而在考慮行近水頭的情況下，流量計算結果比實測結果略高，且差值也比忽略行近水頭情況下差值大，但值仍符合相關規范許可范圍。由此可以推斷，應用文章方法所得到的行近流速推算結果與實測結果吻合度較高。

3.3 堰流能力曲線繪制

從該水電站WES實用溢流堰堰頂水頭起調，可以得到閘門開度e/H=0.65H及0.75H時對應水位分別為249.51m和251.24m，也就是說249.51m-251.24m區間為該實用堰出流狀態過渡階段，將計算所得數據描繪在水位-流量圖中，便可得到該WES實用溢流堰泄流能力曲線，具體見圖3。

圖3 實用溢流堰泄流能力曲線

圖中各點所對應的下泄流量分別為0m3/s、25m3/s、70m3/s、128m3/s、194m3/s、271m3/s、350m3/s、436m3/s、525m3/s、617m3/s、710m3/s、809m3/s、908m3/s、1009m3/s、1111m3/s、1140m3/s、1216m3/s、1267m3/s、1403m3/s、1523m3/s、1667m3/s、1806m3/s、1950m3/s。

4 結 論

綜上所述，對于水工WES實用溢流堰而言，其泄流狀態由閘孔出流和堰流兩種狀態構成，在閘門開度e/H<0.65H時表現為閘孔出流，閘門開度e/H0.65H-0.75H之間時表現為堰流，故在以上兩個階段分別采用閘孔出流公式和堰流公式，并通過緩增及近似直線連接閘門開度為0.65H和0.75H兩點處的曲線，便可得到WES實用堰有閘控制下水位-流量曲線。為保證理論曲線的適用性，還必須結合多次調洪演算結果，進行該曲線的校核和修正。