李 琨

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 實(shí)用溢流堰泄流能力推導(dǎo)相關(guān)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(tài)即為堰流，考慮到WES實(shí)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(jìn)行WES實(shí)用堰堰流公式的推導(dǎo)[1]，具體分析模型見圖1，圖中以WES實(shí)用堰堰頂水平面為N-N基準(zhǔn)面，過水?dāng)嗝?-0為上游與堰壁(3-5)H之間的漸變斷面，過N-N基準(zhǔn)面和水舌中線交點(diǎn)的斷面為1-1斷面。

圖1 WES實(shí)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(shù)φ<1。

(3)

(4)

式中：n為閘孔孔數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，其取值主要體現(xiàn)WES實(shí)用堰下游水流銜接程度；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取值體現(xiàn)水流對(duì)WES實(shí)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(tài)即為閘孔出流，其模型見圖2。應(yīng)用能量方程可得到WES實(shí)用堰C-C斷面流速公式：

(5)

(6)

圖2 WES實(shí)用堰閘孔出流模型

2 實(shí)用堰泄流能力曲線繪制

初始行近流速計(jì)算斷面選擇堰前無明顯下降的斷面，并按照下式進(jìn)行初始行近流速計(jì)算：

v0=Q/(BH0)

(7)

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

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初始行近流速取值對(duì)低堰泄流能力存在較大影響，但對(duì)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(jì)。

WES實(shí)用堰閘孔出流及堰流的轉(zhuǎn)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(tài)；當(dāng)閘門開度從0.65H增大至0.75H，這一期間開始出現(xiàn)水面坡降，泄流狀態(tài)位于閘孔出流和堰流之間；而當(dāng)閘門開度達(dá)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(shù)之間并非簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系[3]，垂直收縮系數(shù)劇烈變動(dòng)時(shí)，WES實(shí)用堰便表現(xiàn)出從閘孔出流向堰流變化的泄流狀態(tài)。

結(jié)合上述對(duì)WES實(shí)用堰在有閘控制下泄流狀態(tài)的分析，其泄流狀態(tài)包括閘孔出流和堰流兩種狀態(tài)，故閘門開度e/H<0.65H時(shí)用閘孔出流公式；閘門開度e/H在0.65H-0.75H之間時(shí)用堰流公式；在閘門開度e/H=0.65H和0.75H兩點(diǎn)上通過緩增及近似直線連接。通過這一方式得出WES實(shí)用堰有閘控制下水位-流量曲線后，還應(yīng)結(jié)合多次調(diào)洪演算結(jié)果，進(jìn)行該曲線的校核與修正。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某二級(jí)水電站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，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(kù)爾勒市130km。該二級(jí)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(nèi)，溢流堰全長(zhǎng)67m，堰頂高程為1351.3m，溢流堰采用WES實(shí)用堰，溢流堰采用內(nèi)部漿砌石，外包0.5m厚C30鋼筋混凝土面板結(jié)構(gòu)，溢流堰每10m設(shè)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(shè)計(jì)洪水位下泄流量為49.94m3/s。

3.2 行近流速檢驗(yàn)

通過正態(tài)水工模型和實(shí)測(cè)資料的對(duì)比進(jìn)行該水電站W(wǎng)ES實(shí)用溢流堰行近流速公式檢驗(yàn)，該水工模型按照重力相似準(zhǔn)則及1:40比例尺進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過矩形薄壁堰控制、測(cè)量來水流量，檢測(cè)結(jié)果詳見表1所示。

將已經(jīng)得到的堰前斷面形狀、流量及流量系數(shù)、水位等取值代入堰頂總水頭公式及式(7)進(jìn)行行近流速計(jì)算，再根據(jù)WES實(shí)用溢流堰堰流公式進(jìn)行流速影響堰流程度的驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果詳見表2。

通過分析以上計(jì)算結(jié)果可以看出，在忽略行近水頭情況下，流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差甚微，行近流速對(duì)流量計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)；而在考慮行近水頭的情況下，流量計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)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(guān)規(guī)范許可范圍。由此可以推斷，應(yīng)用文章方法所得到的行近流速推算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高。

3.3 堰流能力曲線繪制

從該水電站W(wǎng)ES實(shí)用溢流堰堰頂水頭起調(diào)，可以得到閘門開度e/H=0.65H及0.75H時(shí)對(duì)應(yīng)水位分別為249.51m和251.24m，也就是說249.51m-251.24m區(qū)間為該實(shí)用堰出流狀態(tài)過渡階段，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)描繪在水位-流量圖中，便可得到該WES實(shí)用溢流堰泄流能力曲線，具體見圖3。

圖3 實(shí)用溢流堰泄流能力曲線

圖中各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(jié) 論

綜上所述，對(duì)于水工WES實(shí)用溢流堰而言，其泄流狀態(tài)由閘孔出流和堰流兩種狀態(tài)構(gòu)成，在閘門開度e/H<0.65H時(shí)表現(xiàn)為閘孔出流，閘門開度e/H0.65H-0.75H之間時(shí)表現(xiàn)為堰流，故在以上兩個(gè)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(diǎn)處的曲線，便可得到WES實(shí)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(jié)合多次調(diào)洪演算結(jié)果，進(jìn)行該曲線的校核和修正。