宽顶堰上闸门对水流影响分析

宽顶堰上闸门对水流影响分析

高珊珊郜树洋

高珊珊郜树洋

天津中水新华工程规划设计有限公司天津市300000

摘要：在实际工程中，宽顶堰上设置闸门情况应用十分广泛。因此，分析出宽顶堰上设置闸门对下游水流流态的影响，对实际工程应用和理论研究都具有很大的应用价值。本文首先陈述了目前的对宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流问题的计算方法，分析出目前应用的的淹没出流的判别方式是不正确的，即不能直接将水平底板上的闸孔淹没出流判别方式直接应用到宽顶堰上设置闸门情况下。并提出了引入一个淹没系数修正系数的方法，给出了针对宽顶堰上设置闸门情况下的新的闸孔出流淹没出流的判别方法。

关键词：宽顶堰；闸门；淹没出流；水流流态

1、引言

在水利工程的应用中，为了更好的控制河道、渠道的引水和泄水，经常在河道、渠道行修建水闸、各种类型的堰等引、泄水建筑物。堰是一种能够用以阻挡低水位水流、壅高上游水位并能承受水流经其顶部自然下泄的泄水建筑物，堰的主要功能是控制水库和河道、渠道水位和宣泄洪水。水闸是修建在河道、渠道上利用闸门开闭及开度控制流量、调节水位水工建筑物，主要是用于低水头水位的调节。与堰不同的是，水闸可以使水流从闸门底缘与闸底板之间的孔口流出，因此，水闸可以更加灵活的控制、调节过闸流量。水闸在输水洞进口或末端、溢洪道的进口、泄洪洞进口、引水渠渠首等位置得到广泛的应用。

2、淹没出流现状

曲线型实用堰上设置闸门情况下的出流方式多为自由出流，其他几种堰的出流方式则可能为自由出流，也可能为淹没出流。

对于宽顶堰上闸孔淹没出流情况，在水力计算中主要涉及两个问题：一个是宽顶堰上闸孔淹没出流的判别方式，另一个是淹没系数的计算方法。对于水平底板上的闸孔淹没出流，目前水力学计算理论上已经具有很成熟的、应用广泛的、与实际情况吻合良好的淹没出流判别方式和淹没系数的计算方法。但对于宽顶堰上设置闸门的闸孔淹没出流情况，目前还没有比较成熟的、应用广泛的、与实际情况吻合良好的淹没出流判别方式和淹没系数的计算方法。目前，在涉及到宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流的实际工程中，通常是在设计过程，将宽顶堰近似的看做平底板上，按照平底板上的闸孔淹没出流情况进行设计；对于一些大、中型或重要的工程，则需要通过物理模型试验或数值模拟的方法来分析具体工程中的水闸过流流态，再根据理模型试验或数值模拟所得的实验数据和结果，确定只适用于该工程的出淹没系数或包含淹没系数在内的综合流量系数。

3、淹没出流理论基础

在实际工程中，宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流情况应用的非常普遍。尽管目前关于宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流目前已有许多有价值的国内外研究资料，但并没有达到一个统一的认识，并且有些基本概念也还不够清晰。例如关于宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流的判别方式，一直都没有统一出明确的标准。目前，具体实际工程中关于宽顶堰上设置闸门情况的闸孔淹没出流的试验结果也只是解决了某一工程的问题，不具有通用性。

对于水平底板上的闸孔淹没出流，目前的判别计算方法为，当闸后初始发生水跃的位置在收缩断面的上游时，发生淹没出流。理论上，收缩断面水深为hc，当闸后水流恰好发生临界水跃时，跃前水深为hc，与其对应的跃后水深为，此时的淹没出流判别方式为：

对于宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔出流水跃问题，只要初始水跃跃后断面仍位于宽顶堰之上，而没有位于宽顶堰下游的底板上，上述关于水平底板上闸孔出流判别方式和淹没系数的计算方法仍旧适用，只是计算时，应该用下游超过宽顶堰高度以上的水深替代下游实际水深，作为下游水深带入计算公式。

4、淹没出流判别方式

目前，在闸孔出流水力计算中，关于平底板闸孔淹没出流的淹没判别方式和淹没系数的计算方法、流量系数的确定、垂直收缩系数的确定、流量计算公式，已经很成熟、完善了，水力计算得出的结果与实际情况吻合良好，无需再在深入研究。

但对于宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔出流，本人认为其淹没出流判别方式不能采用平地板上闸孔出流的淹没出流判别方式进行判别，而应考虑宽顶堰的形状、尺寸等对淹没出流水流流态的影响。

图4.1宽顶堰上设置闸门情况下闸孔出流示意图

当所处断面位于宽顶堰之上时（如图4.1a），其淹没出流的判别方式及淹没系数的计算方法同平地板闸孔出流一致，只是公式中下游水深应取下游水位高出宽顶堰高度的水深作为计算水深。但当所处断面位于宽顶堰下游的河道、渠道中时（如图4.1b），由于闸后过水断面在宽顶堰下游的垂直方向发生扩散，当宽顶堰水平面以上的水深小于时，即发生临界水跃。出现图中所示情况时，当下游水深时，而不是下游水深时，即发生闸孔淹没出流。

本文认为应将宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔出流淹没出流判别方式调整为

当时，闸孔出流为自由出流，即；

当时，闸孔出流为淹没出流，即。

其中：为一个小于1的淹没修正系数，其值的大小主要受宽顶堰高度、宽顶堰下游面的坡度以及闸孔出流的收缩断面与宽顶堰尾部的距离等因素影响。对于多孔闸，值还受闸门开启孔口数量影响。

本文认为通过一个淹没修正系数，可以计算出一个修正后的潜流比，用以替代潜流比，然后通过潜流比与淹没系数之间的关系曲线查得修正后的淹没系数。

5、结语

本文提出了引入一个淹没修正系数，用以修正宽顶堰上设置闸门情况下淹没出流的判别方式以及淹没系数的计算方法。研究宽顶堰上设置闸门情况下的闸孔淹没出流的判别方式以及淹没系数的计算方法对实际工程存在很大的意义，其结果不仅可以为以后的工程项目提供理论依据，还可以完善并推动闸孔淹没出流水力计算理论的发展。

作者简介：高珊珊，当前职务：水工设计，当前职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：水工建筑物生态河道治理