基于模型試驗(yàn)的氣盾壩流量測算分析

楚萬強(qiáng) 王勤香 李歡

摘 要：氣盾壩在泄流過程中隨開度變化而堰型改變，導(dǎo)致泄流時(shí)按單一堰型計(jì)算流量的結(jié)果與實(shí)際差異較大。采用水工模型試驗(yàn)方法對氣盾壩泄流進(jìn)行模擬，并分析其流量系數(shù)的相關(guān)因素及堰型變化，得到氣盾壩不同開度泄流時(shí)無側(cè)向收縮自由出流的流量計(jì)算公式及流量系數(shù)范圍，并提出氣盾壩不同運(yùn)行情況下的流量計(jì)算方法。根據(jù)研究結(jié)果，針對典型工程案例開展流量計(jì)算分析，結(jié)果表明：在工程運(yùn)行階段，可方便地測算氣盾壩流量;在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，根據(jù)氣盾壩不同開度對應(yīng)的堰型，可精準(zhǔn)計(jì)算氣盾壩流量。

關(guān)鍵詞：氣盾壩;流量;流量系數(shù);模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV649

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.013

引用格式：楚萬強(qiáng)，王勤香，李歡.基于模型試驗(yàn)的氣盾壩流量測算分析[J].人民黃河，2021，43（9）：70-72.

Analysis of the Calculation of Gas Shield Dams Discharge Capacity Based on Model Tests

CHU Wanqiang， WANG Qingxiang， LI Huan

（Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China）

Abstract： The weir type of gas shield dam changes with the opening transition during the discharge process， which leads to a great difference between the calculated results and the actual results if calculating as per a single weir type. The hydraulic model test was used to simulate the discharge of gas shield dam， and the factors related to flow coefficient and weir type change were analyzed as well. On that basis， the flow calculation formula and the flow coefficient range of free discharge without lateral shrinkage at different openings of gas shield dam were obtained and the flow calculation method under different operating conditions of gas shield dam was put forward. According to the research results， flow calculation and analysis were carried out for typical engineering cases. The results show that it is convenient and practical to calculate the flow rate of gas shield dam during the operation stage of the project; in the stage of engineering planning and design， the flow of gas shield dam can be accurately calculated according to the weir types corresponding to different openings of the gas shield dam.

Key words： gas shield dam; discharge; discharge coefficient; model test

氣盾壩是一種新型的擋水建筑物，它利用氣囊充氣或排氣控制閘門開度，實(shí)現(xiàn)閘門頂部溢流的靈活變化。該壩型既有傳統(tǒng)水利工程泄流擋水特點(diǎn)，又有生態(tài)水利景觀環(huán)保優(yōu)勢，近些年在打造美麗鄉(xiāng)村、建設(shè)智慧城市的河道上修建了很多氣盾壩群[1]。

準(zhǔn)確計(jì)算不同開度氣盾壩過流能力，是科學(xué)決策聯(lián)合調(diào)度氣盾壩運(yùn)行方式的基礎(chǔ)工作。在氣盾壩結(jié)構(gòu)、施工及壩型選擇等方面的研究成果、專利很多，但是關(guān)于氣盾壩水力設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)寥寥無幾，且僅限于消能計(jì)算和臥倒泄流按寬頂堰流的流量計(jì)算研究[2-4]。在氣盾壩可行性研究設(shè)計(jì)中，往往只對氣盾壩臥門和立門兩種運(yùn)行情況的泄流量進(jìn)行計(jì)算，臥門泄流時(shí)按寬頂堰流計(jì)算流量，立門泄流時(shí)按薄壁堰流計(jì)算流量。這兩種工況的流量計(jì)算是否與實(shí)際相符？不同開度氣盾壩的流量如何計(jì)算？針對這些問題的研究目前還是空白。實(shí)際應(yīng)用中，氣盾壩以不同開度泄流時(shí)，其堰型在變化，無論按哪種單一堰型計(jì)算，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算流量不準(zhǔn)確，甚至造成計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。本研究通過水工模型試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際工程分析確定不同開度氣盾壩流量計(jì)算方法，以期填補(bǔ)氣盾壩運(yùn)行中流量計(jì)算的研究空白。

1 氣盾壩流量公式水力分析

如圖1所示，H為氣盾壩壩前水頭，h為氣盾壩壩前水深，L為氣盾壩弦長，C為氣盾壩壩高，θ為氣盾壩開啟角度。以氣盾壩壩頂水平面0—0為基準(zhǔn)面，壩前1—1過水?dāng)嗝婧蛪雾?—2過水?dāng)嗝媪心芰糠匠?，令kHn為壩頂2—2過水?dāng)嗝娴乃嗪穸龋?得到2—2過水?dāng)嗝娴膯螌捔髁浚?/p>

q=kφ1-ξ2gH0.5+n

式中：q為單寬流量;ξ為測壓管水頭修正系數(shù);g為重力加速度;φ為流速系數(shù);k為系數(shù);n為指數(shù)。

令α=kφ1-ξ2g，β=0.5+n，則單寬流量表達(dá)式可寫為q=αHβ。不同開度θ對應(yīng)的系數(shù)α和指數(shù)β的取值，需要根據(jù)模型試驗(yàn)量測數(shù)據(jù)分析確定。

2 水工斷面模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

氣盾壩是由若干模塊化的鋼閘門組合而成的，每一模塊單元閘門寬度一般為5 m，立門泄流時(shí)開度一般為50°或55°，隨著開度變化，壩高從1.5 m到4.0 m不等[5]。氣盾壩模型試驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似要求，根據(jù)水流特點(diǎn)、運(yùn)行條件以及研究任務(wù)，依據(jù)滿足主導(dǎo)力相似的原則和弗勞德重力相似性的原理，進(jìn)行水工正態(tài)斷面模型設(shè)計(jì)[6-7]。取單元閘門寬度為5 m、開度為50°時(shí)的壩高，按1∶5比尺，滿足糙率相似，采用有機(jī)玻璃制作水工斷面模型， 模型主要比尺見表1。

氣盾壩上游布設(shè)進(jìn)水管道、電池流量計(jì)、集水箱、前池、引水渠（長度10 m）及量測水位、流速的測流斷面，氣盾壩下游布設(shè)泄水渠（長度3 m）、水池、量水堰及退水池。開度從臥門泄流的0°開始，間隔5°逐步遞增到立門泄流時(shí)的55°，共設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況12種，量測無側(cè)向收縮氣盾壩不同工況下壩前水位、流速和流量，計(jì)算壩前水頭H及單寬流量q。

3 不同開度單寬流量試驗(yàn)公式及流量系數(shù)確定

3.1 繪制水頭H與單寬流量q關(guān)系曲線

根據(jù)不同試驗(yàn)工況量測數(shù)據(jù)的點(diǎn)群趨勢線分析，確定單寬流量與水頭關(guān)系式及式中系數(shù)α和指數(shù)β。圖2為典型試驗(yàn)工況的水頭H與單寬流量q關(guān)系曲線，圖中曲線1～8分別對應(yīng)氣盾壩開度5°、0°、10°、15°、25°、55°、50°、45°。

3.2 確定不同開度流量公式

根據(jù)圖2中曲線變化趨勢，確定單寬流量與水頭關(guān)系式q=αHβ及不同開度下的系數(shù)α和指數(shù)β。表2為典型試驗(yàn)工況對應(yīng)關(guān)系式。

3.3 氣盾壩流量系數(shù)確定及堰型分析

根據(jù)無側(cè)向收縮自由出流堰流單寬流量公式q=m2gH3/2和單寬流量與壩前水頭關(guān)系式q=αHβ，得出流量系數(shù)m的表達(dá)式，確定氣盾壩不同開度、水頭（0.10～1.25 m）時(shí)流量系數(shù)的變化，不同開度對應(yīng)的流量系數(shù)的最大值、最小值和均值見表3。

由表3可以看出：

（1）氣盾壩流量系數(shù)與開度、水頭、流量相關(guān)，尤其開度對流量系數(shù)影響較大。整體來說，開度越大流量系數(shù)越大，開度為45°時(shí)流量系數(shù)最大，大于45°則壩迎水面坡度陡，阻水作用加大，不利于重力作用泄流，使流量系數(shù)減小。

（2）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及不同堰型對應(yīng)流量系數(shù)公式比較分析，氣盾壩開度小于10°時(shí)堰型接近寬頂堰，開度為10°～15°時(shí)為寬頂堰型向接近薄壁堰型轉(zhuǎn)化，開度為15°～25°時(shí)堰型接近克奧實(shí)用堰，開度大于25°時(shí)流量系數(shù)與WES實(shí)用堰流量系數(shù)接近（可按WES實(shí)用堰進(jìn)行水力計(jì)算）[8]。

4 工程實(shí)例流量計(jì)算

4.1 無側(cè)向收縮情況

某市景觀河氣盾壩[9]壩頂過水寬度12 m，自由出流，無側(cè)向收縮，立門泄流開度為50°時(shí)壩高2.5 m。利用表2中的流量公式，根據(jù)水頭即可計(jì)算氣盾壩立門泄流量。當(dāng)水頭為0.1、0.2 m時(shí)，計(jì)算流量分別為0.88、2.45 m3/s。在該景觀河上利用一點(diǎn)法測流速計(jì)算的流量分別為0.95、2.5 m3/s，計(jì)算值與實(shí)測值相差不超過10%，說明利用試驗(yàn)公式計(jì)算流量便捷、準(zhǔn)確。

4.2 有側(cè)向收縮情況

堆龍河規(guī)劃修建氣動(dòng)盾形閘壩，閘壩上游河寬156 m，3孔過水，單孔凈寬49 m，立門泄流時(shí)（開度50°）為自由出流，閘墩厚度3 m，墩頭迎水面為圓弧形，底板高程3 638.1 m，正常蓄水位3 641.6 m，最大蓄水位3 642.0 m，臥門泄水上游水位3 641.2 m，下游水位3 641.2 m。

根據(jù)堰流公式Q=σsεmB2gH2/30計(jì)算流量，式中σs為淹沒系數(shù)，ε為側(cè)收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)（取表3中不同開度對應(yīng)流量系數(shù)平均值），B為過水凈寬，H0為計(jì)入行近流速水頭的壩前總水頭。氣盾壩立門泄流時(shí)按照實(shí)用堰公式確定側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)并計(jì)算流量，其計(jì)算結(jié)果與根據(jù)水文資料同條件下推算的堆龍河控制大斷面的流量結(jié)果比較見表4。氣盾壩臥門泄流時(shí)，按照寬頂堰公式確定側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)并計(jì)算流量，計(jì)算結(jié)果為563.64 m3/s;閘門全開臥倒泄流時(shí)，河道流量為618 m3/s。

計(jì)算結(jié)果表明，按照項(xiàng)目研究的流量系數(shù)及堰型計(jì)算流量與水文推算結(jié)果相差小于10%。模型試驗(yàn)得出結(jié)果可靠，可在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段計(jì)算氣盾壩的流量。

5 結(jié) 論

（1）模型試驗(yàn)結(jié)果表明，氣盾壩不同開度泄流時(shí)堰型發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，臥門泄流時(shí)接近寬頂堰型，立門泄流時(shí)接近WES實(shí)用堰型。目前立門泄流時(shí)按薄壁堰進(jìn)行水力計(jì)算是不準(zhǔn)確的。

（2）氣盾壩無側(cè)向收縮時(shí)，模型試驗(yàn)分析得出的不同開度單寬流量計(jì)算公式考慮了堰型動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算方便快捷、結(jié)果可靠，可為工程運(yùn)行階段計(jì)算流量;有側(cè)向收縮時(shí)，按不同開度確定流量系數(shù)，并根據(jù)對應(yīng)堰型確定的側(cè)收縮系數(shù)及淹沒系數(shù)計(jì)算流量，結(jié)果準(zhǔn)確，可為工程規(guī)劃階段設(shè)計(jì)流量提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳茂.氣動(dòng)盾形閘壩錨固體系研究[J].珠江水運(yùn)，2020（19）：31-32.

[2] 徐君冉，趙海濤，張樂為.簡論氣盾壩的設(shè)計(jì)[J].河北水利，2016（8）：42-43.

[3] 霍香麗，田金鋼，王家會(huì).洛河?xùn)|湖攔河壩工程選型及設(shè)計(jì)[J].人民黃河，2018，40（1）：85-87.

[4] 郭攀攀，焦?jié)?，裴珺.氣盾壩在得勝河綜合治理工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2021（2）：17-21.

[5] 吳一紅，洪志強(qiáng)，陸吾華.橡膠壩與氣盾壩技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2019：58-146.

[6] 中華人民共和國水利部.水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程：SL 155—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012：48-200.

[7] 陳東清.不同擋水建筑物方案的應(yīng)用比選[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（1）：56-59.

[8] 李祎.水力計(jì)算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2007：3-98.

[9] 范杰利，盧明，鋒王瓏.大跨度高擋水氣動(dòng)盾形閘在河流景觀工程中的應(yīng)用[J].中國水利，2017（8）：45-47.

【責(zé)任編輯 許立新】