低实用堰水力特性及其对工程的影响

吴国君，刘晓平，方森松，孙文红，侯 斌

（1.长沙理工大学水利学院，长沙 410076；2.中国国际工程咨询公司基础建设业务部，北京 100048）

低实用堰水力特性及其对工程的影响

吴国君1，刘晓平1，方森松1，孙文红1，侯 斌2

（1.长沙理工大学水利学院，长沙 410076；2.中国国际工程咨询公司基础建设业务部，北京 100048）

通过物理模型试验和数学模型相结合的手段，对比分析了某低水头水利枢纽在运行中WES堰和改进后折线型实用堰的行洪能力和过沙能力。结果表明：2种堰型均能满足规范中平原地区的行洪能力要求，而WES堰的行洪能力略优于改进后折线型实用堰，但改进后折线型实用堰的堰面紊动强度较大、范围较广，能有效增强水流挟沙能力，易使泥沙起动，一定程度上能避免堰面泥沙淤积问题，从而保证检修闸门正常工作，保障枢纽安全运行。综合对比分析，推荐采用改进后折线型实用堰。

水利枢纽；实用堰；行洪能力；过沙能力

低水头水利枢纽常修建于平原河流，而平原河流多具有河面宽、流量大的特点，因此，满足泄流能力是其设计阶段的首要问题。WES堰因其流量系数大、泄流能力强而广泛应用于低水头水利枢纽，但在某些工程实际应用情况中，受泄流条件限制，对河床进行局部开挖，使得堰顶高程相对于河床较高，导致该堰过沙能力较弱，堰前泥沙淤积严重，如大源渡航电枢纽闸前都出现了不同程度的淤积，导致检修闸门无法正常工作。因此，防止低水头水利枢纽堰前泥沙淤积也是值得特别关注的问题。某枢纽中由于河床局部开挖，使得WES堰堰顶高程与河床平齐，过沙能力问题尤为突出，针对上述问题，本文采用泄水闸断面水工模型试验和数学模型相结合的办法，针对某枢纽工程的泄流能力、过沙能力进行研究，提出合理的既满足泄流能力又能兼顾防淤问题的方案。

1 物理模型设计

泄水闸断面水工模型试验在水槽中进行。采用1∶45的正态模型，按重力相似和阻力相似设计。相应的其他比尺分别为：长度比尺λL＝45；流速比尺λV＝6.708，流量比尺λQ＝13 584.1，糙率比尺λn＝1.886。该枢纽闸孔净宽22 m，闸室长度28 m，堰顶高程19.0 m，堰前河床局部开挖，堰前及消力池高程16.0 m，上下游河床高程19.0 m，模型示意图如图1所示。试验工况选取2年一遇洪水期工况进行过沙能力试验研究，2年一遇洪水期单宽流量为22.99 m3／（s·m），根据水位流量关系曲线，下游水位为32.57 m。

图1 某枢纽断面模型示意图Fig.1 M odel of the section of a hydro-junction

2 数学模型设计及理论方法

2.1 控制方程

溢流堰的过堰水流属于具有二维复杂自由表面的水气两相流［1］，本文采用二维模型进行数值模拟。目前，处理这类问题较理想的方法是VOF法。其流场计算基本控制方程如下。连续方程雷诺平均方程：式中：ρ为体积分数平均密度；P为修正压力；μ为体积分数平均的分子黏性系数；νt为紊流黏性系数，νt为由平均速度梯度引起的紊动能产生项其它模型参数取值见表1。

表1 经验常数取值表Table1 Empirical constant values

2.2 数学模型的建立及边界条件

上下游河床、溢流堰及消力池均设为固壁边界。固壁边界处理为无滑移边界条件，对于黏性底层采用无滑移标准壁函数法处理。入口包含2部分：下部的水入口和上部的空气入口。前者采用速度入口的边界条件，而后者则采用压力入口的边界条件，出口边界设置为压力出口。其中，水入口的紊动动能和紊动动能耗散率由经验公式给出。

紊动动能：k＝0.037 5V2；

紊动动能耗散率：ε＝k1.5／（0.4H0） 。

式中：V为入口平均速度（m／s）；H0为入口处水深（m）。

3 成果分析

3.1 模型对比与验证

本文选取2年一遇洪水期的泄流能力进行物理模型和数学模型试验值进行对比验证，取水在某个单元中的体积率q＝0.5时的液面计算水面线，试验结果如图2所示。

物理模型和数学模型试验水面线如图2所示，从图中可以看出，计算水面线与实测水面线比较吻合，2种模型的试验结果十分接近，说明该数学模型结果可用于试验结果分析。

3.2 物理模型成果分析

3.2.1 泄流能力分析

物理模型试验中2种堰型洪水期的壅高及综合

图2 2种堰型水面线Fig.2 W ater surface p rofiles of two weir types

流量系数如表2所示，各特征洪水流量时枢纽上下游水位差均小于25 cm，均满足《水闸设计规范》中平原地区水利枢纽行洪能力的要求。淹没状态下的壅高值和综合流量系数，随下泄流量的增加而增大。同种工况下，改进后折线型实用堰比WES堰的壅高水位高3～5 cm。但总的来说，同工况下WES堰的综合流量系数略大于改进后折线型实用堰，说明WES堰的行洪能力略优于新型改进后折线型实用堰。

表2 洪水期壅高值及综合流量系数成果表Table 2 Backwater heights and integrated discharge coefficients during flood period

3.2.2 过沙能力分析

解决低水头水利枢纽堰前泥沙淤积问题，通常可通过增大下泄单宽流量、闸门运行调度和改变堰型等工程措施予以解决。由于该枢纽下游河床抗冲能力有限，为减少对下游河床造成不利影响，本文对比2种堰型的过沙能力，以探讨解决该问题的方法。本文采用清水模型试验，试验前在堰前铺上5 cm厚度的泥沙，冲刷历时约2 h。泥沙粒径按照该枢纽所在河床地段的抗冲流速，根据流速比尺反推，泥沙粒径为0.44～0.88 mm。

本文选取了2年一遇洪水期典型工况进行过沙能力试验研究。试验结果如图3所示，WES堰前都有泥沙淤积，且检修门槽处泥沙淤积比较严重，会影响到检修闸门正常工作。而改进后折线型实用堰堰面及门槽处没有淤积，不会影响检修闸门正常工作。

图3 过沙试验示意图Fig.3 Test of sediment transport

3.3 数学模型成果分析

由于在物理模型试验中，受到试验条件限制，难以对堰面流场及紊动能等方面进行深入而细致的测量，本文利用数学模型成果分析了堰面的流场及堰面紊动能，为对比分析2种堰型的过沙能力提供参考。3.3.1 流场分析

流场图如图4所示，WES堰堰面水流流速较为平顺，水流流速沿程变化较小，水流紊动较弱，泥沙较易淤积。而改进后折线型实用堰由于堰前存在低坎，坎前水流受到阻滞，水流流速较小，易使泥沙淤积停留，但堰面由于边界条件改变，底部存在较大流速梯度，流态较为紊乱，流速沿程变化较大，从而增大了水流的挟沙能力，泥沙较难淤积。

图4 堰面流场分布图Fig.4 Distribution of weir surface flow field

3.3.2 堰面紊动能分析

紊动能的分布与堰前泥沙淤积问题有着比较密切的关系。紊动对于泥沙起动的影响主要通过水体之间和水体与床面之间紊动产生的剪应力，紊流中的泥沙沉降时所受的阻力由静水沉降阻力和紊动应力2部分叠加而成。默里通过试验研究分析指出，颗粒沉速减小的程度随其静水沉速及紊动强度的增大而增大［2］，含有较大的紊动能水流挟沙能力较强，泥沙不易沉积。

图5反映了2种不同堰型堰面紊动能分布情况。从图5中可看出，改进后折线型实用堰堰面紊动能达到0.375 J，远大于WES堰，且改进后折线型实用堰堰面紊动范围比WES堰更大，增强了水流挟流能力，有效防止了泥沙淤积停留，这与物理模型试验中观察的泥沙淤积现象一致。因此，改进后折线型实用堰能在一定程度上有效避免泥沙淤积，保证检修闸门正常运行，保障枢纽正常工作。

图5 堰面局部紊动能分布图Fig.5 Turbulent kinetic energy distribution on parts of the weir surface

4 结 论

本文通过断面水工模型试验和有限体积法数值模拟相结合的手段，对2种不同堰型水面线、流场及堰面附近的紊动能分布情况进行了分析，可得出以下结论：

（1）通过物理模型试验的行洪能力试验结果可知：2种堰型均能满足该枢纽的行洪能力要求，而WES堰比改进后折线型实用堰的综合流量系数大，壅高值小，说明WES堰的泄流能力略优。

（2）通过数学模型试验结果和物理模型试验现象可知：改进后折线型实用堰堰面由于边界条件的突变，引起水流条件改变，底部存在较大流速梯度，紊动强烈，流速沿程变化较大，从而增大了水流的挟沙能力，能有效防止堰面的泥沙淤积。

（3）综合对比WES堰和改进后折线型实用堰的泄流能力和过沙能力可知：2种堰型均能满足行洪要求时，改进后折线型实用堰过沙能力明显优于WES堰，本工程推荐采用改进后折线型实用堰。

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（编辑：刘运飞）

Hydraulic Characteristic of Low PracticalW eir and Its Influence on Engineering

WU Guo-jun1，LIU Xiao-ping1，FANG Sen-song1，SUNWen-hong1，HOU Bin2
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China；2.Infrastructure Department，China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China）

The flood discharge capacity and sediment transport capacity ofWESweir and improved practical weir with polygonal line in a low-head hydro-junction are comparatively analyzed through physicalmodel and mathematicalmodel.The results indicate that the two types of weir both meet the requirements of norms and regulations for flood discharge in plain area.The discharge capacity ofWESweir is better than that of the practicalweir；whereas the improved practicalweir ismore beneficial for the normal operation of bulkhead gate and the safe running of the whole hydro-junction as it has intensified and wide weir surface turbulence，which will increase the sediment transport capacity and enable the sediment initiate easily，thus refraining from sedimentation to a certain extent.By comprehensive comparison，the improved practicalweir with polygonal line is finally recommended.

hydro-junction；practicalweir；flood discharge capacity；sediment transport capacity

TV131.6

：A

1001－5485（2011）09－0021－04

2010-10-18；

2011-02-24

湖南省交通厅科技创新项目（200732）

吴国君（1985-），女，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事水利工程方面的研究工作，（电话）13467502249（电子信箱）wgjun＿123＠163.com。