水电站WES实用溢流堰泄流能力曲线推导

李 琨

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 实用溢流堰泄流能力推导相关理论

1.1 堰流工况

在水工闸门完全开启的工况下，水流泄流并不受闸门控制，此种出流状态即为堰流，考虑到WES实用堰是水利水电工程中较为常见的一种堰体型式，故通过能量方程进行WES实用堰堰流公式的推导[1]，具体分析模型见图1，图中以WES实用堰堰顶水平面为N-N基准面，过水断面0-0为上游与堰壁(3-5)H之间的渐变断面，过N-N基准面和水舌中线交点的断面为1-1断面。

图1 WES实用堰堰流模型

模型中0-0断面及1-1断面能量方程可表示如下：

(1)

(2)

其中，流速系数φ<1。

(3)

(4)

式中：n为闸孔孔数；σs为淹没系数，其取值主要体现WES实用堰下游水流衔接程度；ε为侧收缩系数，取值体现水流对WES实用堰翼墙和闸墩的影响程度。

1.2 闸孔出流工况

在水工闸门部分开启的情况下，水流主要从闸底板和闸门底缘所形成的孔中流出，此种出流状态即为闸孔出流，其模型见图2。应用能量方程可得到WES实用堰C-C断面流速公式：

(5)

(6)

图2 WES实用堰闸孔出流模型

2 实用堰泄流能力曲线绘制

初始行近流速计算断面选择堰前无明显下降的断面，并按照下式进行初始行近流速计算：

v0=Q/(BH0)

(7)

式中：B为溢流坝段与非溢流坝段总长度，m；Q为上游与堰壁(3-5)H处断面流量值(m3/s)；其余参数含义同前。

结合实践经验，初始行近流速取值对低堰泄流能力存在较大影响，但对于高堰而言，其泄流能力受行近流速水头的影响较小，可忽略不计。

WES实用堰闸孔出流及堰流的转换主要受闸门开度e/H的影响较大，在堰顶水头既定情况下闸门开度从0增大至0.65H，闸后水面在这一过程中保持平静状态；当闸门开度从0.65H增大至0.75H，这一期间开始出现水面坡降，泄流状态位于闸孔出流和堰流之间；而当闸门开度达到并超出0.75H后形成堰流。从以上变化可以看出，闸门开度e/H和垂直收缩系数之间并非简单的正相关关系[3]，垂直收缩系数剧烈变动时，WES实用堰便表现出从闸孔出流向堰流变化的泄流状态。

结合上述对WES实用堰在有闸控制下泄流状态的分析，其泄流状态包括闸孔出流和堰流两种状态，故闸门开度e/H<0.65H时用闸孔出流公式；闸门开度e/H在0.65H-0.75H之间时用堰流公式；在闸门开度e/H=0.65H和0.75H两点上通过缓增及近似直线连接。通过这一方式得出WES实用堰有闸控制下水位-流量曲线后，还应结合多次调洪演算结果，进行该曲线的校核与修正。

3 工程应用

3.1 工程概况

某二级水电站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，距上游已建的X水电站1km、距下游在建的开都河小山口水电站10km、距下游哈尔莫墩水电站24km、距和静县88km、距库尔勒市130km。该二级水电站枢纽布置采用中闸址方案，工程为Ⅳ等小(1)型工程，溢流堰位于河道左岸河槽内，溢流堰全长67m，堰顶高程为1351.3m，溢流堰采用WES实用堰，溢流堰采用内部浆砌石，外包0.5m厚C30钢筋混凝土面板结构，溢流堰每10m设一闸墩，闸墩顶高程为1353.50m。校核洪水位下泄流量为266.36m3/s，设计洪水位下泄流量为49.94m3/s。

3.2 行近流速检验

通过正态水工模型和实测资料的对比进行该水电站WES实用溢流堰行近流速公式检验，该水工模型按照重力相似准则及1:40比例尺进行设计，并通过矩形薄壁堰控制、测量来水流量，检测结果详见表1所示。

将已经得到的堰前断面形状、流量及流量系数、水位等取值代入堰顶总水头公式及式(7)进行行近流速计算，再根据WES实用溢流堰堰流公式进行流速影响堰流程度的验证。计算结果详见表2。

通过分析以上计算结果可以看出，在忽略行近水头情况下，流量计算结果与实测结果相差甚微，行近流速对流量计算结果的影响可以忽略不计；而在考虑行近水头的情况下，流量计算结果比实测结果略高，且差值也比忽略行近水头情况下差值大，但值仍符合相关规范许可范围。由此可以推断，应用文章方法所得到的行近流速推算结果与实测结果吻合度较高。

3.3 堰流能力曲线绘制

从该水电站WES实用溢流堰堰顶水头起调，可以得到闸门开度e/H=0.65H及0.75H时对应水位分别为249.51m和251.24m，也就是说249.51m-251.24m区间为该实用堰出流状态过渡阶段，将计算所得数据描绘在水位-流量图中，便可得到该WES实用溢流堰泄流能力曲线，具体见图3。

图3 实用溢流堰泄流能力曲线

图中各点所对应的下泄流量分别为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 结 论

综上所述，对于水工WES实用溢流堰而言，其泄流状态由闸孔出流和堰流两种状态构成，在闸门开度e/H<0.65H时表现为闸孔出流，闸门开度e/H0.65H-0.75H之间时表现为堰流，故在以上两个阶段分别采用闸孔出流公式和堰流公式，并通过缓增及近似直线连接闸门开度为0.65H和0.75H两点处的曲线，便可得到WES实用堰有闸控制下水位-流量曲线。为保证理论曲线的适用性，还必须结合多次调洪演算结果，进行该曲线的校核和修正。