典型闸堰淹没出流泄流能力试验研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023摘要：结合某泄洪闸和溢流堰工程实例，对不同淹没程度下低闸低堰上下游水位对其泄流能力的影响进行研究。首先通过两种模型试验方法获得上下游水位及水位差，然后建立回归方程，分析其上下游水位差与泄量的关系曲线，得出以下结论：研究泄水建筑物泄流能力时，两种模型试验方法均是可行的，由于过闸、过堰水位差小，因此本次采用两种相结合的方法进行研究；宣泄p=5%0.5%洪水时，溢流堰处于高淹没度泄流，设计计算时无成熟的研究成果可用，导致设计计算值与试验值偏差稍大；对于低闸或低堰，大洪水工况时水位差与泄量的相关系数略高于中小洪水工况的，主要原因是大洪水时淹没度更高。关键词：低闸；低堰；泄流能力；淹没系数；淹没度中图分类号：TV66文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.070收稿日期：2023-02-24基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（HKY-JBYW-2021-01）；河南省重大公益专项（201300311600）；黄河水利科学研究院推广转化基金资助项目（HKY-YF-2022-03）作者简介：任泉超（1990），男，河北保定人，工程师，硕士，主要从事水利工程设计及相关管理工作通信作者：任艳粉（1980），女，河南焦作人，正高级工程师，硕士，主要从事水力学及河流动力学方面的研究工作E-mail：典型闸堰淹没出流泄流能力试验研究任泉超1，郑茜2，任艳粉3，4，5，潘丽3，4，5，陈林3，4，5（1.中国雄安集团 生态建设投资有限公司，河北 保定 071700；2.天津仁爱学院，天津 301636；3.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；4.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003；5.河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南 郑州 450003）随着水力资源的开发利用，可开发的高水头资源越来越稀缺，所以低水头水利枢纽建设逐渐引起广泛关注。低闸低堰是典型的低水头水工建筑物，平原地区比较常见。低闸低堰泄洪时，其出流根据下游水跃位置的不同分为自由出流和淹没出流两种，自由出流时泄量不受下游水位的影响，淹没出流时泄量随下游淹没水深的变化而变化。关于堰流公式，文献 1 中列出了常用的2个计算公式：Q=smB 2g H03/2（1）式中：s为堰流淹没系数；为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数；Q为过堰流量，m3/s；B为总净宽，m；H0为计入行近流速水头的堰上水深（对于堰前水面较宽的，不应计入行近流速），m。Q=shsB 2g（H0-hs）（2）式中：hs为由堰顶算起的下游水深，m；s为淹没堰流综合流量系数，一般采用下式计算：s=0.877+（hsH0-0.65）2（3）式（2）主要适用于高淹没度（hs/H00.90）的低闸或低堰，泄量主要受上下游水头差（H0-hs）和s的影响，而综合流量系数s也与上下游水头相关。所以，高淹没度条件下，不计行近流速，其泄量主要与上下游水位有关；而下游水流为淹没出流，反过来会影响上游水位，造成上下游水位差很小，极难确定。有关低闸低堰枢纽泄流能力研究，无论通过模型试验方法2-6还是数值模拟方法7-10，研究成果主要集中在泄流能力影响因素方面。低闸泄流能力影响因素主要是淹没度、闸底板与上游河床高差、水流侧收缩等；低堰泄流能力影响因素主要是淹没度、堰型、上下游堰面坡度、堰高等。一旦闸堰位置、几何尺寸确定后，其泄流能力就与淹没度、上下游水位密切相关了。有关淹没度与淹没系数的研究，当淹没度hs/H00.85时，淹没系数s对淹没度hs/H0非常敏感；当hs/H00.98时，淹没系数s值难以计算。对于宽顶堰或低堰在hs/H00.98时，并没有明确的淹没系数值。尽管有的学者提出了淹没系数改进计算方法，但方法繁杂无实用性且提高泄流能力的精度十分有限，导致泄量在设计计算时，与实际情况偏差较大，其泄流能力究竟能否满足要求，需进行验证。本文以典型低闸低堰为研究对象，首先通过两种模型试验方法获得上下游水位及水位差，然后建立回归方程，分析其上下游水位差与泄量的关系曲线，找出其中规律并分析原因，以期为同类闸堰工程设计提供借鉴。1工程概况某水利工程有两座泄流建筑物，即泄洪闸和溢流堰。泄洪闸为38孔、单孔净宽12 m的平底闸。溢流堰堰顶高程7.50 m，上游堰高2.00 m，下游堰高2.10 m，净宽为605 m。两座水工建筑物均为100 a一遇设计，200 a一遇校核。该工程前水域较宽，不计行近流速的影响，泄洪闸和溢流堰同时宣泄p=5%0.5%（p 为洪水频率）洪水时，泄洪闸的淹没度 hs/H0=0.9740.979，溢流堰的淹没度hs/H0=0.9890.994，均为高淹没度出流，泄流能力设计时难以准确计算，需进行模型试验对其泄流能力复核。2模型设计2.1模型制作依据 水工（常规）模型试验规程（SL 1552012）、河工模型试验规程（SL 992012）、试验精度要求，并结合试验场地等条件，制作了泄洪闸单河道模型和溢流堰断面模型。泄洪闸单河道模型几何比尺L=80，则相应的其他水力要素比尺为：流量比尺Q=57 243.340，流速比尺V=8.944，时间比尺t=8.944，糙率比尺n=2.076。溢流堰设计上下游水位差极小，对试验精度要求非常高，为更精确地研究水位与泄量关系，在试验玻璃水槽中制作了溢流堰断面模型，几何比尺L=20，其他水力要素比尺为：流量比尺Q=1 788.854，流速比尺V=4.472，时间比尺t=4.472，糙率比尺n=1.648。2.2试验工况试验4种特征工况，水位与流量依据式（1）计算得出，见表1。3试验方法、结果与分析3.1试验方法泄洪闸、溢流堰在4种特征工况下，均处于高淹没度泄流状态，此时泄流能力对淹没度异常敏感。试验工况的上下游水位差很小，对模型试验的精度要求相当高，试验时流量采集通过电动阀门控制高灵敏度的流量计实现，读数精度为0.01 L/s；上下游水位通过水位测针测量，读数精度为0.1 mm。流量和水位的量测方法均符合规范要求，其精度能够满足试验要求。常规的试验方法：在给定流量下，通过调整模型末端的尾门保持枢纽下游水位为不同频率洪水的设计水位，测得上游水位与泄量的关系曲线。本次模型试验除了进行常规的试验外，同时又进行了方法二的试验，即在给定流量下，通过调整模型末端的尾门保持枢纽上游水位为不同频率洪水的设计水位，测得下游水位与泄量的关系曲线。将两种方法得到的泄洪闸、溢流堰上下游水位差与泄量关系曲线绘制于图1、图2。137人 民 黄 河2023年S1表14种特征工况下的水位与流量频率20 a一遇50 a一遇100 a一遇200 a一遇总泄量/（m3 s-1）3 7004 1605 8606 680闸上水位/m8.859.089.8510.21闸下水位/m8.758.979.7010.07堰上水位/m8.999.2210.0010.35堰下水位/m8.989.219.9810.32过闸流量/（m3 s-1）3 2003 5604 7105 080过堰流量/（m3 s-1）5006001 1501 600将得到的泄洪闸溢流堰上下游水位差与泄量关系建立回归方程式，找出不同洪水频率时设计上下游水位差对应的泄量，并与设计泄量对比。3.2试验结果及分析基于两种方法得到的上下游水位差与泄量关系曲线试验结果，建立回归方程式，相关系数均在0.95以上（见图1和图2），并通过比较设计计算值与试验值相差百分数，得出以下结论：（1）通过模型试验对低闸低堰泄水建筑物进行泄流能力试验时，无论采用常规试验方法还是方法二，理论上均是可行的。过闸、过堰水位差小，尤其是溢流堰过堰水位差仅有0.010.03 m，为消除试验误差，将两种试验方法得到的水位差同时绘制于图1和图2，找出设计计算值与试验值的差异。（2）采用相同的分析方法，就相差百分数而言，溢流堰略大于泄洪闸。主要原因为淹没度不同，泄洪闸宣泄p=5%0.5%洪水时，其淹没度hs/H0=0.9740.979，虽然也是淹没泄流，但其堰流流量计算仍可按现有的研究成果进行；而溢流堰的淹没度hs/H0=0.9890.994，属于高淹没度泄流，对于淹没度hs/H00.98的堰流，目前仍无成熟的研究成果可用，即溢流堰设计计算时，各个水力参数选择无依据，最终造成溢流堰设计计算值与试验值偏差稍大。（3）无论是泄洪闸还是溢流堰，就相关系数而言，大洪水工况略高于中小洪水工况，主要是水位差不同造成的。宣泄中小洪水时，过闸过堰水位差相对较小，淹没度更高，试验时水位差极难确定，所以即使采用两种试验方法得到水位差与泄量关系曲线，但是相关系数也低于大洪水工况。4结语低闸低堰的泄流能力问题是关系到汛期洪水能否顺利宣泄、保证枢纽安全的重要问题。本文采用两种模型试验的研究方法，对某典型泄洪闸、溢流堰淹没出流时上下游水位差对泄流能力的影响进行了试验研究，并依据试验结果，建立回归方程式，比较了设计计算值与试验值相差百分数。最后总结出试验成果规律，并分析出现此规律的原因，以期为同类工程研究设计提供参考。参考文献：1 中华人民共和国水利部.水闸设计规范：SL 2652016 S.北京：中国水利水电出版社，2016：57-58.2 赵雪萍，李宜伦，赵玉良，等.前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究 J.人民黄河，2021，43（4）：134-136.3 钟勇明，朱红华，黄智敏.饶平县汤溪水库溢洪道水工模型试验研究 J.广东水利水电，2022（9）：16-21.4BASAPPA M，NAGARAJ S，VAHINI M.Experimental Study onDischarge Capacity and Hydraulic Characteristics of LabyrinthWeir J.Journal of Progress in Civil Engineering，2021，3（12）：5-9.5ABHASH A，PANDEY K K.Experimental and Numerical Studyof Discharge Capacity and Sediment Profile Upstream of PianoKey Weirs with Different Plan GeometriesJ.Water ResourcesManagement，2021，35：1529-1546.6 李松平，贾文博，赵玉良，等.玉阳湖溢洪道体型及泄流能力试验研究 J.人民珠江，2020，41（12）：40-44.7 薛联青，成诚，汪露，等.洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟 J.水资源保护，2022，38（5）：32-38.8 ZHAO P Y，ZHAO Y L，LI S P，et al.Numerical Simulation ofthe Hydraulic Performance of Spillway of Goushuipo ReservoirJ.International Journal of Heat and Technology，2022，40（3）：729-736.9 沈东辉，李万智，周志华，等.泄槽体型对溢洪道泄流能力的影响J.水利水电技术，2019，50（增刊2）：91-96.10 RIBEIROML，BIERIM，BOILLATJL，etal.DischargeCapacityofPianoKeyWeirsJ.JournalofHydraulicEngineering，2012，138（2）：199-203.【责任编辑张帅】（a）20 a一遇洪水频率（b）50 a一遇洪水频率（c）100 a一遇洪水频率（d）200 a一遇洪水频率图1泄洪闸不同频率洪水时上下游水位差与泄量关系曲线（a）20 a一遇洪水频率（b）50 a一遇洪水频率（c）100 a一遇洪水频率（d）200 a一遇洪水频率图2溢流堰不同频率洪水时下游水位差与泄量关系曲线 138