（水利水电工程专业论文）凹型复合实用堰水力特性的试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，。论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：胬d l 牟时间：知吖年g 月油日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名； 导师 秘睇 时间： 必吖年e 月i o n 时间5 州年咖胁 沈阳农业大学硕士论文 摘要 全国病险小型水库数量巨大，在同一水库多种病险同时存在，所以中小型水库的除险 加固工作变得更加艰巨而复杂。在除险加固过程中应用了一种凹型复合实用堰，凹型复 合实用堰作为复合堰的一种，其结构布置上不同于以往的单一堰型，在水力特性如：过 流能力、过流效率、过堰水流流态以及水流过堰后对下游的影响等方面也与以往的堰型 有所差别。在工程应用中，对于泄水前沿受限，但又需要提高泄流能力的无闸控制泄水 建筑物来说，凹型复合实用堰无疑是一种很好的选择。这种堰型主要是针对除险加固过 程中遇到的不改变原有溢洪道宽度，在原有过水建筑物基础上增加坝高来提高防洪标 准，改变原有过水建筑物的堰型来改变泄流能力。 凹型复合实用堰作为一种在实际生产中出现的特殊堰型，怎样计算凹型复合实用堰 的过流能力，尚无现成的经验公式可以借鉴。由于它是生产实践中遇到的问题，为了使 得这种堰型能够更加广泛的应用有必要进行系统的理论研究。使设计出的堰具有更好的 过流能力、过流效率，平稳的过堰流态以满足各种泄水建筑物的泄流要求。 本文首次提出了复合堰的分类标准，同时提出了凹型复合实用堰的定义。针对这种 由同一种堰型复合，只是堰高在轴线上不同的凹型复合实用堰进行系统深入的理论研 究。用模型试验的方法研究凹型复合实用堰的基本水力特征，通过试验观测现象和成果 理论分析凹型复合实用堰过堰水流流态特征、水面线特征和流线特征：根据实测资料， 分析研究了该堰型的堰前流速分布、流场特点、过流能力及其影响因素。用理论分析的 方法推导了凹型复合实用堰的流量公式，并拟和出综合流量系数的计算公式。同时，本 文还在上述研究成果的基础上，提出了较为实用的计算流量的流速系数法，在实际应用 中可供参考。 关键词：复合堰、凹型复合实用堰、流量、综合流量系数、水力特性 a b s h a c t a b s t r a c t n a t i o n a lc o n s o l i d a t i o no fah u g en u m b e ro fs m a l lr e s e r v o i r si nt h es a m em u l t i p l e r e s e r v o i rr i s k ye x i s ta tt h es a m et i m e ，s os m a l la n dm e d i u m s i z e dr e s e r v o i rr e i n f o r c e m e n t w o r kh a sb e c o m em o r ed i f f i c u l ta n dc o m p l e x r e i n f o r c e m e n ti nt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o no f ac o n c a v ec o m p o u n dw e i r , c o n c a v ec o m p o u n dw e i ra sac o m p o s i t ew e j r , i t ss t r u c t u r ed i f i e f s f r o mt h ep r e v i o u sa r r a n g e m e n to ft h es i n g l e - w e i r , t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s ：f l o w , f l o we f 6 c i e n c y , g u ow e i rf l o wp a t t e r na n df l o wo v e rt h ew e i rd o w n s t r e a ma f t e rt h ei m p a c t a l s oi nt h ep a s tw j i rd i f f e r e n t l y i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，f o rt h ed i s c h a r g eo fr e s t r i c t e d f o r w a r d ，b u tn e e dt oi n c r e a s et h ed i s c h a r g ec a p a c i t yw i t h o u tc o n t r o lg a t ed i s c h a r g es t r u c t u r e ， c o n c a v ec o m p o u n dw e i ri sag o o dc h o i c e t h i st y p ew e i ri sm a i n l yd i r e c t e da g a i n s tf l a w si n t h ep r o c e s sn o tt oc h a n g et h eo r i g i n a ls p i l l w a yw i d t h ，i nt h eo r i g i n a lb u i l d i n go v e rt h ew a t e r o nt h eb a s i so fi n c r e a s ei nt h ed a mh e i g h tt oi m p r o v ef l p o dp r o t e c t i o ns t a n d a r d sc h a n g e st 0 t h eo r i g i n a lb u i l d i n go v e rt h ew e i rw a t e r - d i s c h a r g ec a p a c i t yt oc h a n g e c o n c a v ec o m p o u n da sap r a c t i c a lw e i ri nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no fas p e c i a lt y p ew e i r , c o n c a v eh o wt oc a l c u l a t et h ec o m p o s i t ep r a c t i c a lw e i rf l o wc a p a c i t y , t h e r ei sn or e a d y m a d e f o r m u l ac a nl e a r nf r o mt h ee x p e r i e n c e b e c a u s ei ti si np r a c t i c et h ep r o b l e m se n c o u n t e r e d t o m a k et h i st y p ew e i rt ot h ew i d e ra p p l i c a t i o no ft h en e e df o rs y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h s o t h a tt h ew e i ri sd e s i g n e dw i t hab e t t e rf l o w , f l o we f f i c i e n c y , s m o o t ho v e rt h ew e i rf l o w d i s c h a r g et om e e tt h ed i s c h a r g er e q u i r e m e n t so ft h eb u i l d i n g t h ec o m p o u n db a t a r d e a uj so n ek i n do ft h es p e c i a lb a t a r d e a uw b i c ha p p e a r sj nt h ea c t u a l p r o d u c t i o n i ti nd o e sn o tc h a n g et h eo r i g i h a ls p i l l w a yw i d t hi nt h es i t u a t i o n ，e i l l l a n c e s r e l e a s e sf l o w sa b i l i t y , t h ei n c f e a s ei sp o p u l a rt h ef a v o r a b l es t o r a g ec a p a c i t y t h e r e f o r e ，t h e c o m p o u n db a t a r d e a us u i t ss p e c i a l l yi nt h ed r a i n a g ew i d t hr e c e i v e sl i m i t s ，a l s om u s tr a i s et h e w e i rc r e s te l e v a t i o n ，r e d u c e st h eo v e r f l o wf l o o dp e a k ，e n h a n o e sr e l e a s e sf l o w sa b i l i t yi nt h e d r a i n a g eb u i l d i n g t h i sa r t i c l en e e d l eb yi d e n t i c a lk i n do fb a t a r d e a uc o m p o u n d ，o n l yi st h eb a t a r d e a uh i 曲 t h ed i f f e r e n tc o u c a v ec o m p o u n dp r a c t i c a lp r o f i l er e s e r v o i rc o n d u c t st h er e s e a r c ho nt h es p o o l t h r e a d 1 h m u g ht h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t o b s e r v e dt h ec o n c a v ec o m p o u n dp r a c t i c a l p r o f i l er e s e r v o i rf l u i ds t a t ec h a r a c t e r i s t i c t h eb a t a r d e a uw a t e rf a c i a is u t u r ec h a r a c t e f i s t i c ； a e c o r d i n gt ot l l ea c t u a lm a t e r i a l ，t h ea n a l y s i sh a ss t u d i e dt h i sb a t a r d e a n ，t h es i d eo fd a m f a c i n gw a t e rs p e c do ff l o wd i s t r i b u t i o n 。t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c ，o v e r f l o wa b i l i t ya n dt h e i n f l u e n c ef a c t o r , h a si n f e f r e dt h ec o n c a v ec o m p o u n dp r a c t i c a lp r o f i l er e s e r v o i rc u r r e n t c a p a c i t yf o r m u l a a n dd r a w su pw i t ht h es y n t h e s i sd i s c h a r g ec o e f f i c i e n tf o r m u l a a tt h es a m e t i m e ，t h i sa r t i c l ea l s oi nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sf o u n d a t i o n ，p r o p o s e dt h em o r ep r a c t i c a l c o m p u t a t i o nc u r r e n tc a p a c i t ys p e e do ff l o wm e t h o do fc o r r e l a t e s ，m a ys u p p l yt h er e f e r e n c ei n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d ：c o m p o u n dw e i r , c o n c a v ec o m p o u n dw e i r , f l o wc a p a c i t y , d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t , h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s 2 沈阳农业大学硕士论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，水利部进行了多次全国范围的病险水库除险加固，包括第一 批、第二批和第三批约1 0 0 座全国重点病险库的立项和除险加固。从1 9 9 9 年全国病 险水库除险加固专项规划调查显示，全国共有3 万多座病险水库，而被列入近期除险 加固的1 3 6 4 座主要是大中型水库，还有2 万多座小型水库需要除险加固。因此，水库 大坝的安全形势依然十分严峻，病险水库除险加固任重道远。小型水库大多建于2 0 世 纪5 0 7 0 年代，工程标准普遍偏低、质量较差，加之工程管理与运行维修养护经费无正 常渠道投入，安全问题更加突出。因此每到汛期，小型水库出险、溃坝事故时有发生。 水库溃决事故中，小型水库占9 6 以上，其特点是： ( 1 ) 面广量大 据统计，全国病险小型水库数量巨大。各地从2 0 世纪8 0 、9 0 年代以来，陆续进行 了各种形式的小型水库除险加固，特别是当出现明显险情时采取的一些应急式的加固。 由于受管理体制和资金的制约，对险情缺乏深入了解或限于局部抢险，往往只是治标而 不治本，难以彻底清除隐患。1 9 9 7 年后，部分经济发达地区展开了有计划、有组织的除 险加固工作，按轻重缓急和险情严重程度安排经费，逐个予以落实，效果较好。目前， 全国等待除险的小型水库总数还有数万座，数量巨大，说明小型水库的除险任务仍非常 艰巨。 佗) 在同一水库多种病险同时存在 根据调研，小型水库中危及工程安全的主要病险症状有以下几种：一是防洪能力不 足；二是大坝渗( 漏) 水严重，渗流不安全；三是大坝形体单薄，坝坡过陡，结构安全不 满足规范要求；四是输( 引) 、泄水建筑物存在严重隐患；五是大坝或建筑物的抗震稳定 性不满足要求；六是白蚁危害；七是其他问题，如上游坝坡风浪淘蚀严重、金属结构不 能可靠和安全运行、防汛交通与通信设施不具备等。 小型水库暴露出来的危及大坝安全的工程问题比大中型水库严重得多，绝大多数小 型水库大坝同时存在多种病患。因此小型水库的安全形势比大中型水库更加严峻。 ( 3 ) 技术力量薄弱，安全管理水平低 小( i ) 型水库一般虽然设置专门管理机构，有专人管理，但几乎无专业技术人员。 小( 1 i ) 型水库大部分未设专门管理机构，一般仅有简易管理房和一个兼职管理人员，且 为当地村民，只能起到看护水库的作用，还有部分水库竞无入管理。 ( 4 ) 经济基础差，难以进入良性循环 在有关文献中对单一的溢洪道的泄流的计算方法都有详尽的介绍，并且其计算方法 也相对简单。而对复合型溢洪道的介绍较少，关键是不同堰型之间的水流衔接的部位， 这段水流特性复杂，计算分析也比较烦琐。溢洪道的上游水位不同，流量系数也不同， 都会影响水流的流态，使产生不同的水流连接型式。因此，需要全面地分析溢洪道泄槽 的水流特性，以便指导泄槽的水力计算和结构布置设计。 胜利水库的溢洪道采用凹型复合实用堰，在不同位置将产生不同的堰上水头。由于 堰顶高程的差异，在大流量的情况下，需要各个高程的堰顶曲面同时泄流，使水流流态 3 第一章绪论 和各个水力要素与正常情况下有所变化，而此种形式并未有现成的实测资料、经验公式 和相关的水利工程。 因而，为掌握水流衔接的原理，确保洪水安全下泄，为此类堰型的工程设计提供经 验和理论指导，本课题的研究具有重要的理论意义。 堰的水力特性主要包括过流能力、过流效率、过堰水流流态以及水流过堰后对下游 的影响等方面。长期以来，人们一直都在致力于开发和研究各种不同的堰型，使设计出 的堰具有更好的过流能力、过流效率，平稳的过堰流态以满足各种泄水建筑物的泄流要 求。 本文研究的是一种较新的复合堰，它在平面上是由堰高不同的w e s 堰与w e s 堰组 合得到的一种直线型复合堰，堰在轴线上排列为直线，只是堰的各组成部分在轴线上高 度不同呈凹型，本文将这种两侧高中间低的堰型定义为凹型复合实用堰。如图1 6 所示， 由于在轴线上采用不同的堰型( 高度或堰型的改变) ，使得复合堰较单一堰型在水力特 性上有所不同。在工程实践中已经有复合堰的具体实例应用，以提高泄流能力，增加兴 利库容等需要。因此，在工程应用中，对于泄水前沿受限，但又需要提高泄流能力的无 闸控制泄水建筑物来说，凹型复合实用堰无疑是一种很好的选择。将复合堰的思想应用 于溢洪道工程，那么对于泄流能力不足的溢洪道，就不必对其进行扩宽，甚至不用拆除 原有过流建筑物，只需在原有建筑物基础上进行改造，例如提高堰顶高程，或是将原有 泄流能力差的建筑物部分拆除，改建成泄流能力大的堰型。此外，据现有的工程经验， 在溢洪道上修建凹型复合实用堰，达到与有闸控制工程类似的防洪和兴利效果，凹型复 合实用堰的工程投资较有闸控制方案要有所降低，且维修、管理更为经济方便。 目前，国内中小型老水库扩容改造中，普遍存在着如何在抬高堰顶高程的情况下， 减小溢流水头，增加泄洪流量的问题，在一些新建溢洪道中，也存在着宽度受地形约束 和洪水超高库容受限的情况，凹型复合实用堰都能较好地解决这些难题，所以凹型复合 实用堰是一种值得工程界接受重视并将其推广应用的良好堰型。从理论上研究凹型复合 实用堰的水流形态、过流能力等基本水力特性，搞清其内在规律，将有助于凹型复合实 用堰的选型、平面布置方式以及水力设计和结构设计，为凹型复合实用堰的实际推广应 用提供必要的理论基础。因此，深入研究凹型复合实用堰水力特性是十分必要和有价值 的。 单一堰型的过流问题一直是人们的关注的焦点，但凹型复合实用堰的过流问题很少 有人研究，怎样确定凹型复合实用堰的流量系数、流量公式，尚无现成的经验可以借鉴。 该问题是生产实践中遇到的。现在研究的深度和广度离工程实践的要求尚有不小的距 离，还有大量的研究工作要做。 本课题将根据现在水利工程施工中常会遇到的几种堰型进行组合，通过物理模型试 验的方法对凹型复合实用堰的水力特性进行研究。通过水力学模型试验的研究，探究计 算凹型复合实用堰过流能力的方法，为具体工程设计及施工提供理论依据。 1 2 溢流堰的应用与研究进展 在水利工程中，为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠 道的水位及流量。当这类建筑物顶部闸门部分开启时，其水流状态为闸孔出流。当闸门 完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄， 4 沈阳农业大学硕士论文 这种水流状态称为堰流。 工程上，常根据不同的建筑条件及使用要求，将堰作成不同的类型。例如，溢流坝 常用混凝土或石料砌筑成厚度较大的曲线型或折线型的实用堰；而实验室内使用的量水 堰，一般用钢板或木板作成很薄的堰壁；有时，为了施工方便也常采用宽顶堰型。更有 很多从工程实践中总结出来的堰型，例如，驼峰堰、机翼型堰、迷宫堰等。显然，堰坎 外形及厚度不同，其能量损失以及过水能力也会不同。 实用堰是水利工程中最常见的堰型之。作为挡水及泄水建筑物的溢流坝，就是实 用堰的典型例子。低溢流坝常用石料砌筑成折线形；较高的溢流坝为了增大过流能力， 一般作成曲线形；即所谓折线型实用堰和曲线型实用堰。 薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此，常作为水力模型试验或野外测量 中的一种有效的量水工具。有些临时性的挡水建筑物，如叠梁闸门也可近似作薄壁堰流 计算。另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌下缘 曲线设计。所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。 宽顶堰流是实际工程中一种极为常见的水流现象；我们知道，它不仅具有由于设置 底坎引起的水流在垂直方向产生收缩，会形成宽顶堰水流：而且当水流流经桥墩之问、 隧洞或涵洞进口，以及流经有施工围堰束窄了的河床时，水流由于侧向收缩的影响，也 会形成进口水面跌落，产生宽项堰的水流状态，称作无坎宽项堰流。 水利工程中的河岸式溢洪道或开敞式进水闸，由于地形、地质等多方面因素的影响， 常将底坎作成高度较小的宽顶堰或实用堰。当作成高度较小的曲线形实用堰时，常能得 到比宽顶堰大的流量系数。这种高度较小的曲线型实用堰其水力特性及流量系数均与高 堰有一定区别。 驼峰堰是我国科研人员从工程实践中总结出来的一种由复合圆或复合弧组成的新 型低堰。禹华谦( 1 9 9 2 ) 认为该种剖面型式简单，便与施工，可用作堰高p 3 m 的低堰 剖面。其外型顺应水流流线，有不淤沙、壅水小、泄量大、设计施工简便、对地基承载 力条件要求低等诸多优点，特别适用于中小型水利水电工程。 美国国家航空咨询委员会( n a c a ) 提出机翼形堰，根据其体形特色，可用作河岸明 流泄水道或灌区取水建筑物，它是以低堰状态工作的较优堰型，既能有较大的流量系数， 又不致产生危害性堰面负压，机翼形堰的堰型曲线由一连续多项式给出，对干不同的运 行条件，易由体形参数e c ( 尸一上游堰高；c 一沿工轴的堰宽) 调整适应( 闻建龙， 1 9 9 4 ) 。 迷宫堰可视为折线堰，在实际工程中多为薄壁堰或实用堰。平面布置时，轴线为直 线的直线型迷宫堰，轴线为曲线的迷宫堰称为曲线形迷宫堰。根据其平面布置时是否对 称，分为对称型迷宫堰和非对称型迷宫堰。另外，按平面单宫形状可将迷宫堰分为三角 形迷宫堰、梯形迷宫堰等( 曾甄，2 0 0 4 ) 。 1 3 溢流堰水力特性现有研究成果 我国早在两千多年前就已经有很高的认识水平，如秦代修建的都江堰，历经两千多 年，至今仍然发挥着巨大的作用( 李建中，1 9 9 3 ) 。国外在1 6 0 年前就有人进行了相应 的研究。由于布置在低、中水头水利枢纽坝址中的按宽顶溢流堰设计的取水( 泄水) 建筑 物，在水工建设中获得广泛应用。为评估溢流堰的泄水能力，在研究中运用了最大流量 的原则( 别兰热，1 8 4 8 年) 、中断运动波浪法则( 布西涅斯克，1 8 8 7 年：b a 巴赫米 5 第一章绪论 捷夫，1 9 1 2 年) 、机械能量守恒定律( 别兰热等) 、动量定律( h h 巴甫洛夫斯基等) 、 边界层理论( t b 霍尔、1 9 6 2 年) ，最小比能假定、运动与平衡守恒律( 刀别尔鲁利 和m i i 切尔托乌索夫，1 9 3 8 年) 等，由于理论解法的复杂性，以及要考虑诸多因素， 俄国的e k 拉勃科娃( 1 9 9 9 ) 通过实验研究出了新的计算图表及关系式，用于计算宽顶 溢流堰泄水能力。 薄壁堰作为量水建筑物，它是最早出现的一种堰型。于1 8 5 5 年由威斯巴赫( w e i s b a c h ) 提出水位一流量公式( 李善征等2 0 0 3 ) 。1 8 8 8 - - 1 8 9 8 年巴赞( b a z i n ) 对无侧收缩自由出流 的矩形薄壁堰进行了大量的试验，根据实验资料得到的矩形薄壁堰溢流水舌表面轮廓。 矩形薄壁堰在无侧收缩自由出流情况下的流量公式用能量方程可推求出来。 一 c _ 一 q 。m 。扫、留h 流量系数m o 需要通过实验来确定。常用的有巴赞( b a z i n ) 经验公式和雷 伯克i f , r c h b o c k ) i 流量系数经验公式。1 9 2 9 年，雷伯克仃r e h b o c k ) 限据大量的实验提 出了自己的流量计算式。沙吉森( s a r g i l n s o n ) ：将雷伯克经验公式修改为含有韦伯数( w e ) 的 表达式。对于流量公式或流量系数公式还有几个，如石原一井田公式、板谷手岛公式、 凯茨瓦特一卡特( k i n d s v a t c r - - - c a r t e r ) 公式等( 彭儒武等2 0 0 4 ) 。1 9 5 6 年前苏联h h 阿 c z ：弋 格罗斯金提出判断是否为淹没堰应满足淹没条件才可用蜴2 括g 擞，、z g 蝉。一摊，) 计算 过流能力( 赖士才，1 9 9 8 ) 。 很多国外科学家又针对有利于泄流的堰型作了研究1 9 1 0 年建于美国的东帕克 ( e a s tp a r k ) t 程，可能是有文献记录的最早迷宫堰之一。对迷宫堰水力特性的研究 始于二十世纪四十年代，并逐步将迷宫堰应用于一些中低水头的工程中。到七十年代初， 在迷宫堰水力特性研究方面已经有了很大的突破，海依( n e s s i mh a y ) 、泰勒( g e o f r e y t a y l o r ) 和戴维斯_ ( l o u i s a d a v a s ) 等人在总结迷宫堰试验研究成果的基础上，相继提出了 一些可行的水力设计方法。之后，美国、葡萄牙、西班牙、法国等国家的水力试验室对 迷宫堰的水力运行情况及过流能力测定等方面傲了大量的研究。特别是美国垦务局 ( u s b r ) 和犹他州水工实验室( u w r l ) 在己建迷宫堰工程的基础上，结合物理模型试验， 对迷宫堰的水力特性做了比较深入的探讨，同时也提出了相应的一些水力设计方法和原 则。在此期间，陆续有国外的水利工程采用了迷宫堰，特别是在七十年代末以后，在美 国、英国、葡萄牙及阿尔及利亚等国家陆续建成不少迷宫堰形式的水工建筑物( 曾甄 2 0 0 4 ) 。 3 0 年代，前苏联奥费采洛夫，对美国工程师克里格( w p c r e g c c r ) 的堰面形 式作了局部修正，提出克一舆曲线形剖面堰。共有5 种型式。其中克一奥( i ) 型无真 空剖面堰，是采用最多的堰型。3 0 年代起，美国垦务局( u s b r ) 对矩形锐缘薄壁堰的 水舌曲线进行了系统的实验研究。4 0 年代以来，美国陆军工程兵团研究成功的w e s 剖 面堰，是美国和其它一些国家在建设高坝和低坝中常用的一种堰型。 中国近代从工程实践中积累了大量的经验，同时在物理模型、理论推导、数值分析 和原形观测四个方面进行了广泛的研究，取得很多成果。王涌泉1 9 5 8 年研究了坝上孔 流系数( 王涌泉，1 9 5 8 ) 。自1 9 6 2 年以来，波堰流交会法在国内推算溃坝最大流量时一 直广泛流行，1 9 7 2 年辽宁省水文总站等单位，在此法的基础上提出了水库溃坝流量的简 化计算法( 王国安，2 0 0 1 ) 。1 9 7 4 年韩立对溢洪道低堰和大孔口流量系数进行了分析( 韩 立，1 9 7 4 ) ，王学功等人在9 0 年代对水闸大孔口淹没堰流泄流能力进行了探讨，根据牛顿 阻力公式和能量方程，初步研究了胸墙流速系数和大孔口淹没堰流流量的计算方法，所 得结果得到水槽模型试验资料的检验，并与按孔流方法计算的结果做了比较，获得些 有益认识( 王学功，1 9 9 9 ) 。1 9 7 8 年水利电力部东北勘测设计院科研所对驼峰堰泄流能 6 沈阳农业大学硕士论文 力进行了阶段性的研究。 8 0 年代后期，随着计算技术的飞速发展，数值求解过堰溢流的自由表面曲线、流量 系数及坝面压强分布的各种计算模型相继产生，有限元法，边界拟合坐标变换法和复变 函数法等都在这方面取得了较大进展。许协庆研究了自由面重力流的有限元解法。同时 期，郑邦民对溢流体形进行了数值模拟，丁道扬研究了数值解过坝水流方法，齐里、阵 肇和研究了过堰溢流的边界拟合坐标变换数值解( 邱秀云与杨小英，1 9 9 4 ) 。 9 0 年代，刘韩生( 1 9 9 0 ) 结合试验资料作了符合试验的假设，直接推导了三角剖 面堰流量公式，分析了流量系数影响因素，并通过理论分析得到三角剖面堰流量系数可 能最大值。在1 9 8 6 年，国内首次采用了迷宫堰( 胡玉棠与徐庆华，1 9 9 1 ) 。迷宫堰在 实际工程应用中经济、高效的泄流能力，使其得到了水利界专家的认可和推崇。曾甄与 张志军( 2 0 0 5 ) 将迷宫堰与直线堰相比，在相同堰上水头条件下，可大幅度提高过流能 力。从因次分析的角度阐述了迷宫堰流量系数的影响因素，并在分析讨论了前人的几种 迷宫堰流量系数计算方法的基础上，拟合出迷宫堰流量系数计算公式，为实际工程应用 提供方便。尹幸愉( 1 9 9 0 ) 采用k 一占紊流模式求解完整的r e y n o l d s 方程，模拟了有坎 宽顶堰自由堰流。在求解中发展了一套用边界拟合坐标，控制体积法求解二维恒定有自 由表面紊流的数值方法，提出了分区光精变换、反馈迭代等概念。该数值方法，计算量 较小具有良好的稳定性和收敛性，能够满足工程实际需要。张志昌等人( 1 9 9 7 ) 认为采 用边界层理论和临界水深理论可以实现流线形宽顶堰流的水力计算，为宽顶堰流流量计 算开辟新途径。禹华谦( 1 9 9 0 ) 采用理想无旋流模型，用边界元法计算过宽顶堰的水 d 流流动，得到了流量系教、堰面压力分布、各种鲁的水面线以及内部流场等资料。华 矗 子平( 1 9 9 4 ) 针对因水闸布置型式，假定条件不同，计算出的流量或同孔宽度与实际出 厶 入较大，对淹没式宽顶堰流量进行研究，认为淹没式宽顶堰堰顶水深h 值是随 、占、 1 - 0 m 变化。并对淹没宽顶堰泄流量计算公式进行了分析探讨，研究发现淹没系数盯是随占， 册变化，得到新的淹没系数q ( 华子平，1 9 9 8 ) 。刘建新与程昌华( 1 9 9 5 ) 认为各种类 型的堰的坝型和堰高的选择直接影响到过水能力，通过宽顶堰的模型试验，再现越障水 流现象并对过堰水流流型进行探讨为水利工程设计提供可靠依据。赖士才( 1 9 9 8 ) 研究 了常用的两个淹没宽顶堰流量公式，说明采用具有淹没系数的公式计算流量的合理性， h 并据苏联a p ，别列金斯基试验测定的淹没系数盯与淹没度导关系表，建立了贴近的 爿0 表达式，利用该表达式可作淹没宽顶堰的流量计算。 随着计算机技术的迅速发展，王绮与徐杰文( 2 0 0 1 ) 开发的用面向对象的语言v b 计算水闸宽顶堰、曲线型低堰全开敞泄洪时上游水位的壅高值( 即上下游水位差田， 并且配有丰富、友好的用户界面，方便用户掌握、使用，大大地提高了工作效率。近年 7 第一章绪论 来，随着数值计算方法的同益成熟和计算机硬件技术的飞速发展，使利用数值方法分析 复杂的流动成为可能。已有少数研究者利用这一方法分析水利工程中一些典型的流动现 象，如丁坝、桥 闸) 墩绕流、堰流等。如李志勤等用v o f 方法模拟了溢流丁坝附近的流 场；s a v a g e 和u n a m i 分别用三维和二维的数值模型研究曲线堰上的水流流动。陈娓与 陈大宏( 2 0 0 5 ) 应用三维的流动数学模型，k s 模型封闭紊流，流体体积分数法( v 0 f 1 追踪自由表面，对过堰水流进行数值模拟探讨数值分析过堰水流的可行性。 1 4 复合堰的分类 堰，通常有以下两种分类标准： 1 、按堰顶厚度艿与堰上水头的相对大小，可将堰划分为薄壁堰、实用堰、宽顶堰等三 类；当堰顶厚度占艿 0 6 7 h ( 堰上水头) 时堰项厚度的变化不致影响过堰水流的形 状因而不影响堰的过流能力，这种堰称为薄壁堰。当堰顶厚度满足 0 6 7 h 8 2 5 h 时，堰顶水流表面虽然具有如薄壁堰水流类似的弯曲形状，但堰 顶厚度的变化已经影响堰的过流能力，这种堰称为实用堰。堰顶厚度满足 2 5 h 艿 1 0 h 时，不仅水流表面形状在堰的进口附近有显著下凹，而且在堰顶出 现流线近似平行堰顶的流段，这种堰称为宽顶堰。 2 、按堰顶的平面形状，可将堰划分为正堰、斜交堰、侧堰、折线堰、曲线堰、环型堰 等几种。( 如图1 1 ) 圈1 1 堰的平面几何分类图 f i g1 1w e rg e o m e t r yc l a s s i f i c a t i o ne h a l f f b 图1 2 顶部设置橡胶坝的复合型溢流堰示意固 f i 9 1 2 t h ec o m p o u n d w e l t w i t h c r o w f le s t a b l i s h m e n tr u b b e r d a m 槲季季享季季 沈阳农业大学硕士论文 圈1 3 三角堰港流堰复合堰图 f i g1 3 砸a a g e l a rw e i r o v e r f l o ww e i rc o m p o u n dw e i r 田1 4 宽顶堰驼峰堰组成的复合堰俯视图 f i 9 1 4 v e r t i c a lv i e w o f b r o a dc f e s l e d w e i r c a m e l b a c k w e i r c o m p o s i t i o n c o m p o u n d w e i r 流向 田1 5 宽顶堰驼峰堰组成的复合堰到面围 f j 9 1 5 s p o o ro f b r o a d c m l e d w e i r c a m e l b a c k c o m p o u n d w e i r 有些工程是在除险加固中，在原有的实用堰上使两侧部分加高呈凹型，这种情况是 平面对称复合。本文将这种堰型定义为凹型复合实用堰。有些小型水库，它的溢洪道溢 流形式为中部为曲线实用堰，两侧为高程高于中部的边墙，小流量情况下，通过中部闸 孔溢流，在大的洪峰到来时，中部的实用堰过流无法满足溢流要求时，实用堰和边墙联 合泄洪，当边墙的堰上水头在某一范围时，其相当于折线型实用堰，这种组合形式也为 凹型的复合堰，但是由实用堰与折线型实用堰复合成堰型( 见图1 7 ) 。当上游水深达到 一定高度，边墙上的堰上水头达到某一值之后，边墙相当于薄壁堰过流，这种组合形式 为实用堰与薄壁堰复合的堰型。还有将w e s 堰中间设置三角型薄壁堰，来测流的对称 布置的复合堰( 如图1 3 ) 。也有些实际工程中，在宽顶堰一侧修建驼峰堰，两者同时承 9 整嚣髅 第一章绪论 担泄水任务，这种在平面上是非对称式复合( 如图1 4 及图1 5 ) 。有些工程由于具体防 洪要求，在原有溢流堰上加设橡胶坝或其他过水建筑物。变为上下层复合堰( 如图1 2 ) 。 本章主要研究平面上是对称布置的凹型复合实用堰( 如图1 6 ) 。 豳1 6 凹型复合实用堰示意图 f g1 6c o n c a v ec o m p o u n dw e i r 1 5 复合堰的相关研究成果 田1 7 实用堰与折线型实用堰复台示意圈 f i g1 7p r a c t i c a lp r o f i l ew e i ra n db r o k e nl i n ew e i rc o m p o u n d 复合堰是根据工程特殊要求，采用不同于以往已知堰型的特殊型式的溢流堰，由于 其特殊性，其体型设计与过流能力必须通过专门的研究来确定。目前，一般采用试验研 究的方法进行。 目前，有关复合堰方面的研究成果有以下几个方面： ( 1 ) 复合堰堰面水流流态以及压强分布。 有人观测了顶部设置橡胶坝的复合堰的堰面流态以及堰面压力分布( 王二平， 2 0 0 6 ) 。通过放水试验观测到：橡胶坝塌坝泄洪时，随着水位的增高，堰顶水流从低水 位时的宽顶堰流逐渐向高水位的实用堰流转变过渡。单宽流量和堰顶水头较小时为宽顶 堰流，薄层急流贴附堰面流动。当流量再增大时，堰顶末端局部急流出现不稳定现象， 此时在堰面的转折处的微小干扰，便会使沿水平堰顶流过的水舌脱离边界，与下游堰面 之间形成气囊，随后气囊中的空气又逐渐被水舌卷吸流向下游，急流仍贴附在堰面上下 泄。流量增加，气囊范围相应增加，气囊区的负压也逐渐增加。过流能力较安装橡胶坝 之前时略有降低，特别是在低水位塌坝泄水时影响稍大些。溢流堰顶加橡胶坝，由于 坝袋的影响，使流经溢流面的水流紊动强度增大、水股厚度增加。同时，堰顶平台本身 对过堰水流也产生一定顶托作用，增加过堰水流阻力，二者共同作用使得溢流坝实际过 流能力低于设计值。 ( 2 ) 复合堰的体型优化。 通过各种工况下原设计通过对各种工况下原设计溢流堰的水流流动特性、堰面压力 分布的观测与分析，研究认为溢流堰修改方案应按照以下原则进行设计： 修改溢流堰的体型，消除堰面低压气囊，改善其不利的流动特性。 在优化溢漉堰体型的前提下，尽可能解决过流能力不足的问题。 采用有效措施减少橡胶坝塌坝对过水能力的影响，提高泄流能力。 1 0 沈阳农业大学硕士论文 试验观测表明：在各级水位运行时，水流沿溢流面平顺下泄没有出现不利于坝体 安全的低压气囊，流态恢复正常。但是泄流能力却下降。原因是随着堰面负压的减小， 降低了作用水头，使流堰的过流能力有所降低，所以在复合堰体型优化只能改善流态， 但是提高泄量得通过增加堰顶作用水头，加高挡水坝高度的措施来解决( 戴小琳等， 2 0 0 4 ) 。 ( 3 ) 复合堰过流能力。 高贡新等( 1 9 9 2 ) 研究过将过水建筑物堰型分段设计成由两种堰或两种以上堰组成 的的混合堰( 本研究中将该种形式的混合堰统称为复合堰) ，提出复合堰的流量主要与 过水建筑物的堰型有关，各种堰型的流量还与相应的堰宽成正比。据此分析提出了计算 复合堰流量的两种方法： 分段计算法 分段算出各段堰型的流量，相加得出总流量。 流量系数加权平均法 将各堰的流量系数按各堰所占的比例加权平均，得到复合堰的流量系数，然后计算 出复合堰的泄流量。 通过模型试验验证了复合堰在泄流计算中，以上两种方法都是可行的( 孙红光等， 2 0 0 3 ) 。 1 6 本文研究的内容 关于复合堰方面的研究虽有一些成果，但是至今在该领域没有人正式的提出这个堰 型并系统的研究该堰型。由于无论从设计体系到理论体系都还没有明确的研究成果，使 得这种堰型得不到普遍认识和推广。所以，为了使复合堰能够更加服务于生产实际，方 便使用，本文针对凹型复合实用堰这一堰型的不同组合形式的水力特性做系统的理论研 究很有意义。 本文主要针对凹型复合实用堰水力特性做了以下几个方面的研究： ( 1 ) 结合现有的资料将复合堰分类。本研究针对对称布置的复合实用堰进行研究 w e s 堰和w e s 堰组合的凹型复合实用堰。 ( 2 ) 用模型试验的方法研究凹型复合实用堰的基本水力特征。通过试验观测现象 和成果理论分析凹型复合实用堰过堰水流流态特征、水面线特征和流线特征。 ( 3 ) 讨论凹型复合实用堰水力特性的影响因素。以复合堰水力特性指标的观点， 讨论影响凹型复合实用堰水力特性的主、次要因素及其规律性。 ( 4 ) 推导复合堰的流量公式。用理论分析的方法推求复合堰流量公式的表达式， 其中根据不同的推导方法得到不同的综合流量系数表达式，拟合出凹型复合实用堰综合 流量系数计算公式，以方便使用。介绍用流速系数法通过实测水头计算流量。 ( 5 ) 凹型复合实用堰过流能力分析。结合试验成果分析影响凹型复合实用堰过流 能力。 ( 6 ) 复合式溢洪道水力设计实例。 1 1 第二章模型制作与试验方案 第二章模型制作与试验方案 2 1 凹型复合实用堰的主要几何参数 本次研究主要是理论研究，一些参数的选取受试验条件的限制，考虑的不是很完备。 例如，本次研究选取的w e s 堰的设计尺寸仅选用上游面铅直w e si 型，众所周知现在 的理论研究在高堰的范畴内很成熟，但是在低堰的范围内就不是很深入，只是将高堰的 理论套用在低堰中。因而，本研究中也只是将w e si 型的设计参数直接套用到w e si 型低堰中。 同时，为了简化凹型复合实用堰的平面几何参数，本试验研究均采用对称布置。设 凹型复合实用堰中间部分为b 部分，模型顺水流方向左侧部分称为a 部分，右侧部分为c 部分。则 8 一凹型复合实用堰总宽； 玩、玩、只分别是凹型复合实用堰a 、b 、c 区各组成部分的宽度； 兄、兄、兄一分别是凹型复合实用堰n 、6 、c 区各组成部分的上游堰高； _ 尸乞、f k 、1 2 。一分别是凹型复合实用堰口、b 、c 区各组成部分的下游堰高； h 。、曰。、h 。一分别是凹型复合实用堰4 、b 、c 区各组成部分的堰顶水头； h 。、h 。、h 。一分别是凹型复合实用堰4 、b 、c 区各组成部分的堰顶全水头； i l l 。、历。一分别是凹型复合实用堰口、b 、c 区各组成部分的流量系数： 所复。包含行近流速影响在内的凹型复合实用堰综合流量系数； m 复一凹型复合实用堰的综合流量