周鑫宇，邱 勇，王尚今，曾毓莉，吳錦鋼

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

近年來，關(guān)于水生態(tài)文明建設(shè)[1-2]的思想不斷豐富和完善，隨著水利工程建設(shè)的加快，對整個(gè)河流流域原有生態(tài)環(huán)境的影響日益增加，水體污染、河道斷流、濕地萎縮消亡、綠洲退化等現(xiàn)象也在很多地方出現(xiàn)，直接影響著生態(tài)河道的健康[3-4]。對此人們逐漸意識到水資源不僅是一種不可替代的重要自然資源，而且是生態(tài)系統(tǒng)的支持部分，是環(huán)境要素之一[5]。因此水資源的開發(fā)應(yīng)盡量減少對生態(tài)環(huán)境的負(fù)干擾，秉承著尊重自然、順應(yīng)自然的生態(tài)理念，營造人與自然和諧的水環(huán)境[6]?，F(xiàn)如今，越來越多的親水設(shè)施被應(yīng)用于中小型河道的建設(shè)中，使得生態(tài)河道不單發(fā)揮著生態(tài)效益，還發(fā)揮著景觀效益[7-8]。

直角折線堰作為一種生態(tài)水工建筑物親水設(shè)施，既能防洪、取水，又有著堰型優(yōu)美，溢流效果美觀的優(yōu)點(diǎn)，可與自然環(huán)境融為一體，實(shí)現(xiàn)水利工程的觀賞性[9]。在國內(nèi)公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，已有文獻(xiàn)[10-11]針對一定堰高情況下，前堰、側(cè)堰等長，且側(cè)堰長度逐漸減小的Z型堰進(jìn)行了過流能力、水流流態(tài)研究，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出Z型堰自由出流條件下的綜合流量系數(shù)估算經(jīng)驗(yàn)公式和流量計(jì)算公式。文獻(xiàn)[12-13]基于堰流基本公式，擬合出直角折線堰在側(cè)堰長度改變(位置一定)，以及側(cè)堰位置改變(長度一定)時(shí)的泄流計(jì)算公式。

對于不同前堰和側(cè)堰長度的直角折線堰親水設(shè)施，過堰水流溢流形態(tài)各異，盡管過流能力存在不同，但在中小型生態(tài)河道中進(jìn)行交錯(cuò)組合布置能呈現(xiàn)出良好的溢流景觀；考慮到河道首先需要保證行洪安全，故在對比分析前、側(cè)堰長度改變情況下(堰高、堰寬固定不變)直角折線堰過流能力的基礎(chǔ)上，研究過堰水流形態(tài)變化，為直角折線堰親水設(shè)施在生態(tài)河道中的布置提供參考。

1 試驗(yàn)研究方案

對于總寬為w的生態(tài)河道，考慮取水、防洪以及減輕折沖水流對下游河床穩(wěn)定影響等需求，直角折線堰幾何參數(shù)主要包括前堰長度a、側(cè)堰長度b、后堰長度c及堰高P等(見圖1)。

圖1 直角折線堰平面布置示意圖

為了使直角折線堰親水設(shè)施能夠兼顧整體美觀性、與環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及防洪安全性，其堰高的選取應(yīng)低于生態(tài)河道兩岸邊坡，故試驗(yàn)研究依托某實(shí)際工程(幾何比尺λL=20)，僅針對一定堰高進(jìn)行。前堰長度依次為37.5 mm、75.0 mm和112.5 mm，側(cè)堰長度分別選擇75.0 mm、112.5 mm和150.0 mm，詳見表1。

表1 不同試驗(yàn)研究方案體型尺寸 單位：mm

2 過流能力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，對于山區(qū)生態(tài)河道而言，防洪標(biāo)準(zhǔn)均不超過20 a。在汛期時(shí)，為滿足防洪要求，溢流堰應(yīng)能通過較大流量。通過模型試驗(yàn)得到不同方案的直角折線堰親水設(shè)施和相同堰高的WES實(shí)用堰[15](定型設(shè)計(jì)水頭Hd=150 mm，堰長262.3 mm)的過流能力如表2所示。

表2 直角折線堰水位-流量關(guān)系

由表2可知，對于堰型二，隨著堰頂水頭的增加，直角折線堰親水設(shè)施過流能力增加幅度呈下降趨勢：堰頂水頭由30 mm增加到60 mm、90 mm時(shí)，其過流能力增幅由122.5%下降到67.2%；水頭繼續(xù)增加到120 mm、150 mm時(shí)，增幅進(jìn)一步下降到45.1%、33.3%；其中，堰頂水頭為90 mm時(shí)，堰型二直角折線堰親水設(shè)施與WES實(shí)用堰過流能力之間差值達(dá)到最大(2.13 L/s)。

圖2 直角折線堰水位-流量關(guān)系曲線

由圖2可知，三種堰型在前堰、側(cè)堰均不同的情況下，過流能力變化不大；且在低水頭下，其過流能力均大于相同堰高的WES實(shí)用堰，較之于傳統(tǒng)的滾水壩，河道的行洪安全更能夠得到保證。此外，堰頂水頭增大到160 mm(1.6倍堰高)時(shí)，直角折線堰過流能力開始小于WES實(shí)用堰。

3 過堰水流形態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)觀察，將不同體型直角折線堰親水設(shè)施過堰水流形態(tài)分為：(1) 貼壁流；(2) 完全的薄壁堰流(前堰、側(cè)堰、后堰不同時(shí)出現(xiàn)，發(fā)生順序也不固定，并且持續(xù)時(shí)間短)；(3) 不完全的薄壁堰流(堰后有空腔，持續(xù)時(shí)間相對較長)；(4) WES真空實(shí)用堰流。

3.1 堰型一(a=0.25w，b=0.5w，c=0.75w)

溢流開始，前堰和側(cè)堰交角處最先過流，隨之前堰、側(cè)堰和后堰形成貼壁流；流量增加至0.46 L/s，后堰最先出現(xiàn)挑流(完全的薄壁堰流，見圖3(a))，主流集中于后堰。

流量介于1.02 L/s～1.52 L/s之間時(shí)，后堰水舌寬度增加，前堰和側(cè)堰幾乎同時(shí)挑射，在堰后水位和水舌之間形成連通的空腔(不完全的薄壁堰流，見圖3(b))。流量繼續(xù)增加，前堰堰后空腔消失并向側(cè)堰下游方向發(fā)展；隨著下游水位的上升，空腔內(nèi)的空氣不斷被水流帶走，空腔逐漸變小并向側(cè)堰和后堰交角匯聚，直至消失于該角隅位置。

當(dāng)流量大于4.26 L/s后，受前堰和側(cè)堰之間狹小空間約束，堰后水位壅高，使得直角折線堰過堰水流幾呈直線堰，后堰堰頂水面呈左高右低(左4.0 cm、右3.6 cm)；后堰水流跌落后形成折沖，沖擊區(qū)位于堰體下游25 cm近左側(cè)邊墻處，橫斷面水深呈凹形：左8.2 cm、中2.0 cm、右5.8 cm，臨近左側(cè)邊墻位置水冠瞬時(shí)最大高度達(dá)10.7 cm。

圖3 堰型一水流流態(tài)圖

3.2 堰型二(a=0.5w，b=0.75w，c=0.5w)

泄流開始，直角折線堰溢流前緣長度方向均出現(xiàn)貼壁流，水流附壁自堰頂而下呈收縮狀，但在角隅A處前堰和側(cè)堰水流呈交匯連片；流量增加至0.53 L/s，前堰出現(xiàn)水流挑射，水舌右側(cè)下緣和大氣連通，此時(shí)的側(cè)堰和后堰仍然保持附壁流。當(dāng)流量超過0.77 L/s時(shí)，通過側(cè)堰的水流不再和堰體正交，而是在平面上呈斜向流動(dòng)，隨后開始出現(xiàn)水流挑射，堰后出現(xiàn)空腔；進(jìn)而后堰也開始水流挑射(Q=0.92 L/s)，并且所形成的空腔大于前堰(由于側(cè)堰和后堰角隅B折角的阻隔，兩者之間的連通并未很快實(shí)現(xiàn)，而是相對滯后，見圖4(a))，直至直角折線堰堰后空腔完全連通后(Q=1.56 L/s)，前堰水舌下方才形成封閉空腔。

流量繼續(xù)增加至3.30 L/s，前堰堰后空腔變小，繼而消失，受前堰過堰水流跌落的沖擊影響，側(cè)堰堰后上游側(cè)空腔消失也較快，前堰和側(cè)堰過堰水流近呈實(shí)用堰流，在側(cè)堰下游水股相交處可見不太明顯的漩渦，角隅位置堰頂可見空腔。受側(cè)堰水流影響，前堰堰后水流呈潛射底流狀；另外，在側(cè)堰水流沖擊作用下，后堰位置臨近右側(cè)邊墻處有明顯水翅，高度12.5 cm(見圖4(b))。流量超過3.78 L/s，側(cè)堰下游及后堰堰后空腔內(nèi)的空氣不斷被水流卷走，并隨著堰后水位上升空腔逐漸變小，直至消失(此時(shí)的水流流態(tài)并不穩(wěn)定，受過堰水流跌落影響，部分被水流卷入的氣泡向上回溯，后堰堰頂位置有間歇性空腔出現(xiàn))。

流量繼續(xù)增大至4.28 L/s時(shí)，后堰開始逐步過渡到WES真空實(shí)用堰流(見圖4(c))，堰后水面高于前堰下游，同時(shí)可觀察到水流的斜向補(bǔ)給(前堰過堰水流自右向左前方向流動(dòng)，下游過堰水流自左向右前方向流動(dòng)，形成較為明顯的分層錯(cuò)位剪刀形態(tài))，致使后堰下游25 cm處，橫斷面水深呈兩側(cè)高中間低(左6.7 cm、中3.4 cm、右5.8 cm)，但過堰水流流態(tài)的變化并未影響到下游泄槽(泄槽水流相對平順)。當(dāng)折線堰流量Q達(dá)到26 L/s時(shí)，上、下游正堰堰后水流的水面高差已不明顯，差值漸趨減小。

圖4 堰型二水流流態(tài)圖

3.3 堰型三(a=0.75w，b=1.0w，c=0.25w)

前堰、側(cè)堰和后堰幾乎同時(shí)出現(xiàn)貼壁流，由于前堰過流寬度大，故首先出現(xiàn)挑射(完全薄壁堰流Q=0.92 L/s)形成堰后空腔(見圖5(a))，隨后挑流向側(cè)堰方向擴(kuò)展(速度較慢)，使得前堰堰后空腔與側(cè)堰空腔連通，當(dāng)前堰發(fā)展到不完全的薄壁堰流后(Q=1.33 L/s)，后堰才開始出現(xiàn)挑射水流(此時(shí)側(cè)堰過流并不充分，直角折線堰堰后空腔未連通)。

流量介于1.69 L/s～5.72 L/s時(shí)，下游水位逐漸上升，前堰與側(cè)堰堰后空腔內(nèi)空氣不斷被水流帶走，側(cè)堰沿長度方向堰頂水頭不均勻，后堰堰前可觀察到明顯的水面壅高(前堰堰頂水深5.2 cm、側(cè)堰堰頂水深4.3 cm、后堰堰頂水深4.9 cm)，水流斜向下游流動(dòng)，和前堰過堰水流疊加，在近右側(cè)邊墻處形成較大水翅(見圖5(b))，并形成淹沒頂托，影響到側(cè)堰出流。在左側(cè)近壁水流作用下，自側(cè)堰角隅B點(diǎn)向下游呈現(xiàn)蒲扇狀出流(見圖5(b))，后堰過堰水流向上出挑明顯，堰體下側(cè)空腔持續(xù)時(shí)間長；整個(gè)水流流線由斜向流動(dòng)轉(zhuǎn)為近軸線方向，但主流偏右，在堰后形成較為明顯的水流折沖(后堰下游10 cm處，右側(cè)邊墻沖擊區(qū)波峰瞬時(shí)最大值為14.2 cm，斷面平均水深為：左6.6 cm、中3.5 cm、右10.7 cm)。

圖5 堰型三水流流態(tài)圖

對比以上不同折線堰體型過堰水流：由于堰型一前堰長度小于后堰，故主流多集中于后堰，使得后堰過堰水流優(yōu)先于前堰和側(cè)堰出現(xiàn)挑射形成薄壁堰流；同時(shí)前堰堰后水流受側(cè)堰下泄水流的束縛，水舌寬度較小。隨著前堰和側(cè)堰長度的增加(堰型二)，通過前堰的水流最先出現(xiàn)挑射，隨之側(cè)堰和后堰相繼形成薄壁堰流；此外，受側(cè)堰下泄水流沖擊作用，在相對后堰位置臨近邊墻處有明顯的水冠，高度不超過下游后堰堰頂水頭。進(jìn)一步增大前堰和側(cè)堰長度(堰型三)，主流多集中于前堰，致使前堰優(yōu)先出現(xiàn)薄壁堰流，進(jìn)而向側(cè)堰與后堰方向擴(kuò)展；在后堰堰前可觀察到明顯的水面壅高，在近壁水流作用下，致使后堰與側(cè)堰交匯處呈現(xiàn)蒲扇狀出流?？梢哉J(rèn)為：前堰、側(cè)堰長度的變化對過堰水流形態(tài)有直接影響。

折線堰不同前堰、側(cè)堰長度下的過堰水流以及堰后水流流態(tài)各異，在進(jìn)行河道生態(tài)治理時(shí)，可將其進(jìn)行隨機(jī)組合布置，以使過堰水流相互交錯(cuò)、水股相擊，營造人水和諧的生態(tài)景觀。

4 結(jié) 論

通過對不同堰型的直角折線堰親水設(shè)施過流能力以及過堰水流形態(tài)的研究，成果表明：

(1) 盡管直角折線堰親水設(shè)施三種堰型的前、側(cè)堰長度不同，但過流能力差異不大；低水頭情況下，其過流能力大于相同堰高的WES實(shí)用堰。

(2) 不同前堰、側(cè)堰長度變化情況下，通過直角折線堰前堰、側(cè)堰和后堰的水流形成薄壁堰流的先后順序不同并且形態(tài)各異。