泄洪條件下新型折線堰水力特性物理模擬試驗(yàn)研究

劉 楓

(深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著水利工程建設(shè)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)以往建設(shè)完成和將要修建的水工建筑物可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。而全球氣溫的不斷上升導(dǎo)致暴雨的出現(xiàn)頻率也在增長(zhǎng)，對(duì)于應(yīng)對(duì)暴雨和洪水災(zāi)害的關(guān)鍵水工建筑在泄洪過(guò)程中的自身穩(wěn)定性問(wèn)題顯得尤為突出。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)的水庫(kù)總量在9.8×104座以上，且大多修建于上世紀(jì)60年代左右，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)等因素，這些老舊水庫(kù)的安全問(wèn)題得到國(guó)家的高度重視[1-3]。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，上世紀(jì)50年代至本世紀(jì)20年代之間，我國(guó)共有3 500多起潰壩案例，而其中有一半的原因是因?yàn)槌瑯?biāo)洪水泄洪漫頂和泄水建筑物泄洪能力引起的[4-5]，應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)有效的處理方式是升級(jí)改造溢洪道。目前，常見(jiàn)的升級(jí)改造手段有新增或加寬溢洪道、降低高程、在頂部增加建筑物或以上多種方式的組合[6-7]。但是，上述處理措施會(huì)帶來(lái)諸多的問(wèn)題，如施工工程量大、經(jīng)濟(jì)成本高、增加運(yùn)行安全和減小水庫(kù)蓄水能力等[8]。因此，琴鍵堰以經(jīng)濟(jì)美觀、結(jié)構(gòu)新穎和分叉泄洪等優(yōu)勢(shì)在水庫(kù)升級(jí)改造中得到廣泛應(yīng)用[9]。

雖然琴鍵堰較傳統(tǒng)的直線堰而言具有更高的實(shí)用價(jià)值，但是其結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致水流特性計(jì)算更加復(fù)雜，加之現(xiàn)有的研究手段大多采用數(shù)值模擬的方式，研究手段較為單一，嚴(yán)重阻礙了琴鍵堰在復(fù)雜工程中的應(yīng)用和推廣。因此，本文將采用室內(nèi)物理模擬的方式研究琴鍵堰在泄洪時(shí)的水力特性，以期為琴鍵堰的設(shè)計(jì)和應(yīng)用推廣提供理論指導(dǎo)。

1 模型構(gòu)建與試驗(yàn)方案

1.1 模型構(gòu)建

本次室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)設(shè)備主要包括儲(chǔ)水庫(kù)、供水設(shè)備、水槽、電磁流量計(jì)、水槽尾門控制閥門、回水設(shè)備等組成，其中水槽制作的材料采用有機(jī)鋼化玻璃，其厚度為10 mm，便于觀察試驗(yàn)過(guò)程，水槽的總體長(zhǎng)度15 m,寬度0.5 m，高度0.8 m，此次試驗(yàn)可模擬最大水流量為100 L/s的泄水現(xiàn)場(chǎng)。水槽從上到下分別為儲(chǔ)水庫(kù)、消流器、琴鍵堰模型和人字尾門，琴鍵堰模型示意圖見(jiàn)圖1。在借鑒前人的研究基礎(chǔ)上[9]，設(shè)置琴鍵堰的基本參數(shù)，見(jiàn)表1，琴鍵堰的整體寬度設(shè)置為480 mm，上下游倒懸長(zhǎng)度固定為75 mm，基座長(zhǎng)度160 mm。

圖1 琴鍵堰模型示意圖

表1 琴鍵堰模型參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)置4組不同堰高的琴鍵堰模型，用來(lái)模擬研究堰高對(duì)于泄洪工況下琴鍵堰水力特性的影響；同時(shí)還設(shè)置7組不同的泄洪水頭，用來(lái)模擬研究在不同水頭泄洪條件下琴鍵堰的水力特性。根據(jù)琴鍵堰模型的特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注入口溢流前緣、出口溢流前緣和側(cè)面溢流前緣3個(gè)位置的相對(duì)匯流量、匯流效率和水面線形態(tài)等特征，3個(gè)溢流前緣位置見(jiàn)圖1。以期在通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得泄洪條件下琴鍵堰水力特性，并為琴鍵堰針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計(jì)完善和應(yīng)用推廣提供借鑒。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先，測(cè)量和計(jì)算不同水頭高度下不同堰高的相對(duì)匯流量百分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨著水頭的增加，所有堰高組別的相對(duì)匯流量百分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)幾乎一致，均是先增大后降低再升高的趨勢(shì)，且波動(dòng)值較小，說(shuō)明不同堰高的琴鍵堰均能滿足泄流要求，這主要得益于不同溢流位置能在不同的水頭高度下承擔(dān)泄流任務(wù)。在相同的水頭條件下，當(dāng)堰高為170 mm時(shí)的相對(duì)匯流量百分?jǐn)?shù)最大，說(shuō)明此時(shí)琴鍵堰的泄洪能力最強(qiáng)；且水頭較低和較高時(shí)，堰高對(duì)于泄流量的影響值波動(dòng)較大，說(shuō)明相對(duì)于水頭高度而言，堰高對(duì)琴鍵堰泄流能力影響更為明顯。

圖2 不同水頭高度對(duì)不同堰高的相對(duì)匯流量影響

其次，計(jì)算不同水頭高度下不同堰高的匯流放大比。匯流放大比是指在所有條件一致的情況下，琴鍵堰的泄流總量除以薄壁堰的泄流總量[10]，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同水頭高度對(duì)不同堰高的泄流放大比的影響

從圖3可以看出，在相同的堰高條件下，隨著水頭高度的增加，琴鍵堰的泄流放大比逐漸減小，這是因?yàn)樗^高度增加會(huì)抑制琴鍵堰側(cè)面的泄流效率，但是所有的情況下泄流放大比均大于1，說(shuō)明泄流效果仍然較好。在相同的水頭條件下，隨著堰高的增加，琴鍵堰的泄流放大比逐漸增大。因此，在較低水頭和較高堰高情況下，琴鍵堰的泄流能力最強(qiáng)，說(shuō)明在流量較小的水庫(kù)中使用琴鍵堰能達(dá)到更好的泄洪效果；而在泄流量較大的水庫(kù)中時(shí)，可以增加琴鍵堰的堰高來(lái)提升其泄流能力。

根據(jù)物理模擬及現(xiàn)場(chǎng)泄流現(xiàn)象可知，在琴鍵堰的泄流過(guò)程中，水流主要從側(cè)面、入口和出口3個(gè)位置進(jìn)行泄流(圖1)，因此對(duì)3處溢流前緣泄流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，得到不同位置在不同水頭高度及堰高下的泄流效率，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，當(dāng)堰高不變時(shí)，隨著水頭高度的增加，側(cè)面溢流前緣和入口溢流前緣的泄流效率先降低后穩(wěn)定，而出口溢流前緣的泄流效率先增大后降低，且側(cè)面溢流前緣的變化幅度最為明顯，而出口溢流前緣的變化幅度最小，說(shuō)明在泄流過(guò)程中，出口泄流始終保持著較高的泄流效率；說(shuō)明在低水頭下，側(cè)面溢流和入口溢流承擔(dān)著主要的泄流作用。當(dāng)水頭高度保持不變時(shí)，隨著堰高的不斷升高，側(cè)面溢流前緣、入口溢流前緣和出口溢流前緣的泄流效率均逐漸增大，說(shuō)明增加堰高對(duì)于提升琴鍵堰的泄洪效率具有顯著的作用。

圖4 不同水頭高度及堰高對(duì)不同溢流前緣泄流效率的影響

最后，記錄不同水頭高度下入口溢流前緣和出口溢流前緣的泄流水面線，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，在入口溢流前緣和出口溢流前緣前端時(shí)，隨著水頭高度的增加，水面線從平整狀態(tài)向彎曲狀態(tài)發(fā)展，整體還是比較光滑；但是在水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后，當(dāng)水頭高度較小時(shí)，水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后端時(shí)，水面線呈直線式緩慢下滑，隨后呈垂直狀態(tài)流出，最后呈波動(dòng)式先前流動(dòng)，波動(dòng)狀態(tài)主要是因?yàn)槭軅?cè)面水流交匯的影響；當(dāng)水頭高度較大時(shí)，水流流經(jīng)入口溢流前緣和出口溢流前緣后端時(shí)，水面線呈一定角度向下流動(dòng)，最后呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樗髯陨碇亓ψ饔孟碌臎_擊力導(dǎo)致的，此時(shí)側(cè)面水流交匯的影響并不明顯。

圖5 不同水頭高度對(duì)泄流水面線的影響

3 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)物理模擬手段，研究了不同水頭高度及堰高對(duì)于琴鍵堰泄流時(shí)水力特性的影響，結(jié)論如下：

1)隨著水頭高度的增加，相對(duì)匯流量和出口溢流前緣泄流效率先增大后降低，而泄流放大比和側(cè)面及入口溢流前緣泄流效率均逐漸降低，說(shuō)明水頭高度增加會(huì)降低琴鍵堰的泄流能力，但琴鍵堰的泄流效率始終高于傳統(tǒng)直線堰的泄流效率。

2)隨著堰高的增加，琴鍵堰的相對(duì)匯流量、泄流放大比和3處溢流前緣泄流效率均得到顯著地提升，說(shuō)明堰高是影響琴鍵堰泄流效率的主要影響因素。

3)綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，在泄流量較小的水庫(kù)中，琴鍵堰本身結(jié)構(gòu)特性便能滿足泄洪要求；而在泄流量較大的水庫(kù)中，可以增加琴鍵堰的堰高來(lái)提升其泄流能力。