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摘 要：气盾坝在泄流过程中随开度变化而堰型改变，导致泄流时按单一堰型计算流量的结果与實际差异较大。采用水工模型试验方法对气盾坝泄流进行模拟，并分析其流量系数的相关因素及堰型变化，得到气盾坝不同开度泄流时无侧向收缩自由出流的流量计算公式及流量系数范围，并提出气盾坝不同运行情况下的流量计算方法。根据研究结果，针对典型工程案例开展流量计算分析，结果表明：在工程运行阶段，可方便地测算气盾坝流量;在工程规划设计阶段，根据气盾坝不同开度对应的堰型，可精准计算气盾坝流量。
关键词：气盾坝;流量;流量系数;模型试验
中图分类号：TV649
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.013
引用格式：楚万强，王勤香，李欢.基于模型试验的气盾坝流量测算分析[J].人民黄河，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
气盾坝是一种新型的挡水建筑物，它利用气囊充气或排气控制闸门开度，实现闸门顶部溢流的灵活变化。该坝型既有传统水利工程泄流挡水特点，又有生态水利景观环保优势，近些年在打造美丽乡村、建设智慧城市的河道上修建了很多气盾坝群[1]。
准确计算不同开度气盾坝过流能力，是科学决策联合调度气盾坝运行方式的基础工作。在气盾坝结构、施工及坝型选择等方面的研究成果、专利很多，但是关于气盾坝水力设计的文献寥寥无几，且仅限于消能计算和卧倒泄流按宽顶堰流的流量计算研究[2-4]。在气盾坝可行性研究设计中，往往只对气盾坝卧门和立门两种运行情况的泄流量进行计算，卧门泄流时按宽顶堰流计算流量，立门泄流时按薄壁堰流计算流量。这两种工况的流量计算是否与实际相符？不同开度气盾坝的流量如何计算？针对这些问题的研究目前还是空白。实际应用中，气盾坝以不同开度泄流时，其堰型在变化，无论按哪种单一堰型计算，都会导致计算流量不准确，甚至造成计算结果错误。本研究通过水工模型试验，结合实际工程分析确定不同开度气盾坝流量计算方法，以期填补气盾坝运行中流量计算的研究空白。
1 气盾坝流量公式水力分析
如图1所示，H为气盾坝坝前水头，h为气盾坝坝前水深，L为气盾坝弦长，C为气盾坝坝高，θ为气盾坝开启角度。以气盾坝坝顶水平面0—0为基准面，坝前1—1过水断面和坝顶2—2过水断面列能量方程，令kHn为坝顶2—2过水断面的水舌厚度， 得到2—2过水断面的单宽流量：
q=kφ1-ξ2gH0.5+n 式中：q为单宽流量;ξ为测压管水头修正系数;g为重力加速度;φ为流速系数;k为系数;n为指数。
令α=kφ1-ξ2g，β=0.5+n，則单宽流量表达式可写为q=αHβ。不同开度θ对应的系数α和指数β的取值，需要根据模型试验量测数据分析确定。
2 水工断面模型试验设计
气盾坝是由若干模块化的钢闸门组合而成的，每一模块单元闸门宽度一般为5 m，立门泄流时开度一般为50°或55°，随着开度变化，坝高从1.5 m到4.0 m不等[5]。气盾坝模型试验满足几何相似、运动相似、动力相似要求，根据水流特点、运行条件以及研究任务，依据满足主导力相似的原则和弗劳德重力相似性的原理，进行水工正态断面模型设计[6-7]。取单元闸门宽度为5 m、开度为50°时的坝高，按1∶5比尺，满足糙率相似，采用有机玻璃制作水工断面模型， 模型主要比尺见表1。
气盾坝上游布设进水管道、电池流量计、集水箱、前池、引水渠（长度10 m）及量测水位、流速的测流断面，气盾坝下游布设泄水渠（长度3 m）、水池、量水堰及退水池。开度从卧门泄流的0°开始，间隔5°逐步递增到立门泄流时的55°，共设计试验工况12种，量测无侧向收缩气盾坝不同工况下坝前水位、流速和流量，计算坝前水头H及单宽流量q。
3 不同开度单宽流量试验公式及流量系数确定
3.1 绘制水头H与单宽流量q关系曲线
根据不同试验工况量测数据的点群趋势线分析，确定单宽流量与水头关系式及式中系数α和指数β。图2为典型试验工况的水头H与单宽流量q关系曲线，图中曲线1～8分别对应气盾坝开度5°、0°、10°、15°、25°、55°、50°、45°。
3.2 确定不同开度流量公式
根据图2中曲线变化趋势，确定单宽流量与水头关系式q=αHβ及不同开度下的系数α和指数β。表2为典型试验工况对应关系式。
3.3 气盾坝流量系数确定及堰型分析
根据无侧向收缩自由出流堰流单宽流量公式q=m2gH3/2和单宽流量与坝前水头关系式q=αHβ，得出流量系数m的表达式，确定气盾坝不同开度、水头（0.10～1.25 m）时流量系数的变化，不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值见表3。
由表3可以看出：
（1）气盾坝流量系数与开度、水头、流量相关，尤其开度对流量系数影响较大。整体来说，开度越大流量系数越大，开度为45°时流量系数最大，大于45°则坝迎水面坡度陡，阻水作用加大，不利于重力作用泄流，使流量系数减小。
（2）根据试验数据分析及不同堰型对应流量系数公式比较分析，气盾坝开度小于10°时堰型接近宽顶堰，开度为10°～15°时为宽顶堰型向接近薄壁堰型转化，开度为15°～25°时堰型接近克奥实用堰，开度大于25°时流量系数与WES实用堰流量系数接近（可按WES实用堰进行水力计算）[8]。
4 工程实例流量计算
4.1 无侧向收缩情况
某市景观河气盾坝[9]坝顶过水宽度12 m，自由出流，无侧向收缩，立门泄流开度为50°时坝高2.5 m。利用表2中的流量公式，根据水头即可计算气盾坝立门泄流量。当水头为0.1、0.2 m时，计算流量分别为0.88、2.45 m3/s。在该景观河上利用一点法测流速计算的流量分别为0.95、2.5 m3/s，计算值与实测值相差不超过10%，说明利用试验公式计算流量便捷、准确。
4.2 有侧向收缩情况
堆龙河规划修建气动盾形闸坝，闸坝上游河宽156 m，3孔过水，单孔净宽49 m，立门泄流时（开度50°）为自由出流，闸墩厚度3 m，墩头迎水面为圆弧形，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，卧门泄水上游水位3 641.2 m，下游水位3 641.2 m。
根据堰流公式Q=σsεmB2gH2/30计算流量，式中σs为淹没系数，ε为侧收缩系数，m为流量系数（取表3中不同开度对应流量系数平均值），B为过水净宽，H0为计入行近流速水头的坝前总水头。气盾坝立门泄流时按照实用堰公式确定侧收缩系数、淹没系数并计算流量，其计算结果与根据水文资料同条件下推算的堆龙河控制大断面的流量结果比较见表4。气盾坝卧门泄流时，按照宽顶堰公式确定侧收缩系数、淹没系数并计算流量，计算结果为563.64 m3/s;闸门全开卧倒泄流时，河道流量为618 m3/s。
计算结果表明，按照项目研究的流量系数及堰型计算流量与水文推算结果相差小于10%。模型试验得出结果可靠，可在规划设计阶段计算气盾坝的流量。
5 结 论
（1）模型试验结果表明，气盾坝不同开度泄流时堰型发生动态变化，卧门泄流时接近宽顶堰型，立门泄流时接近WES实用堰型。目前立门泄流时按薄壁堰进行水力计算是不准确的。
（2）气盾坝无侧向收缩时，模型试验分析得出的不同开度单宽流量计算公式考虑了堰型动态变化，计算方便快捷、结果可靠，可为工程运行阶段计算流量;有侧向收缩时，按不同开度确定流量系数，并根据对应堰型确定的侧收缩系数及淹没系数计算流量，结果准确，可为工程规划阶段设计流量提供技术参考。
参考文献：
[1] 陈茂.气动盾形闸坝锚固体系研究[J].珠江水运，2020（19）：31-32.
[2] 徐君冉，赵海涛，张乐为.简论气盾坝的设计[J].河北水利，2016（8）：42-43.
[3] 霍香丽，田金钢，王家会.洛河东湖拦河坝工程选型及设计[J].人民黄河，2018，40（1）：85-87.
[4] 郭攀攀，焦洁，裴珺.气盾坝在得胜河综合治理工程设计中的应用[J].水利建设与管理，2021（2）：17-21.
[5] 吴一红，洪志强，陆吾华.橡胶坝与气盾坝技术与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2019：58-146.
[6] 中华人民共和国水利部.水工（常规）模型试验规程：SL 155—2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012：48-200.
[7] 陈东清.不同挡水建筑物方案的应用比选[J].水利规划与设计，2014（1）：56-59.
[8] 李祎.水力计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2007：3-98.
[9] 范杰利，卢明，锋王珑.大跨度高挡水气动盾形闸在河流景观工程中的应用[J].中国水利，2017（8）：45-47.
【责任编辑 许立新】
关键词：气盾坝;流量;流量系数;模型试验
中图分类号：TV649
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.013
引用格式：楚万强，王勤香，李欢.基于模型试验的气盾坝流量测算分析[J].人民黄河，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
气盾坝是一种新型的挡水建筑物，它利用气囊充气或排气控制闸门开度，实现闸门顶部溢流的灵活变化。该坝型既有传统水利工程泄流挡水特点，又有生态水利景观环保优势，近些年在打造美丽乡村、建设智慧城市的河道上修建了很多气盾坝群[1]。
准确计算不同开度气盾坝过流能力，是科学决策联合调度气盾坝运行方式的基础工作。在气盾坝结构、施工及坝型选择等方面的研究成果、专利很多，但是关于气盾坝水力设计的文献寥寥无几，且仅限于消能计算和卧倒泄流按宽顶堰流的流量计算研究[2-4]。在气盾坝可行性研究设计中，往往只对气盾坝卧门和立门两种运行情况的泄流量进行计算，卧门泄流时按宽顶堰流计算流量，立门泄流时按薄壁堰流计算流量。这两种工况的流量计算是否与实际相符？不同开度气盾坝的流量如何计算？针对这些问题的研究目前还是空白。实际应用中，气盾坝以不同开度泄流时，其堰型在变化，无论按哪种单一堰型计算，都会导致计算流量不准确，甚至造成计算结果错误。本研究通过水工模型试验，结合实际工程分析确定不同开度气盾坝流量计算方法，以期填补气盾坝运行中流量计算的研究空白。
1 气盾坝流量公式水力分析
如图1所示，H为气盾坝坝前水头，h为气盾坝坝前水深，L为气盾坝弦长，C为气盾坝坝高，θ为气盾坝开启角度。以气盾坝坝顶水平面0—0为基准面，坝前1—1过水断面和坝顶2—2过水断面列能量方程，令kHn为坝顶2—2过水断面的水舌厚度， 得到2—2过水断面的单宽流量：
q=kφ1-ξ2gH0.5+n 式中：q为单宽流量;ξ为测压管水头修正系数;g为重力加速度;φ为流速系数;k为系数;n为指数。
令α=kφ1-ξ2g，β=0.5+n，則单宽流量表达式可写为q=αHβ。不同开度θ对应的系数α和指数β的取值，需要根据模型试验量测数据分析确定。
2 水工断面模型试验设计
气盾坝是由若干模块化的钢闸门组合而成的，每一模块单元闸门宽度一般为5 m，立门泄流时开度一般为50°或55°，随着开度变化，坝高从1.5 m到4.0 m不等[5]。气盾坝模型试验满足几何相似、运动相似、动力相似要求，根据水流特点、运行条件以及研究任务，依据满足主导力相似的原则和弗劳德重力相似性的原理，进行水工正态断面模型设计[6-7]。取单元闸门宽度为5 m、开度为50°时的坝高，按1∶5比尺，满足糙率相似，采用有机玻璃制作水工断面模型， 模型主要比尺见表1。
气盾坝上游布设进水管道、电池流量计、集水箱、前池、引水渠（长度10 m）及量测水位、流速的测流断面，气盾坝下游布设泄水渠（长度3 m）、水池、量水堰及退水池。开度从卧门泄流的0°开始，间隔5°逐步递增到立门泄流时的55°，共设计试验工况12种，量测无侧向收缩气盾坝不同工况下坝前水位、流速和流量，计算坝前水头H及单宽流量q。
3 不同开度单宽流量试验公式及流量系数确定
3.1 绘制水头H与单宽流量q关系曲线
根据不同试验工况量测数据的点群趋势线分析，确定单宽流量与水头关系式及式中系数α和指数β。图2为典型试验工况的水头H与单宽流量q关系曲线，图中曲线1～8分别对应气盾坝开度5°、0°、10°、15°、25°、55°、50°、45°。
3.2 确定不同开度流量公式
根据图2中曲线变化趋势，确定单宽流量与水头关系式q=αHβ及不同开度下的系数α和指数β。表2为典型试验工况对应关系式。
3.3 气盾坝流量系数确定及堰型分析
根据无侧向收缩自由出流堰流单宽流量公式q=m2gH3/2和单宽流量与坝前水头关系式q=αHβ，得出流量系数m的表达式，确定气盾坝不同开度、水头（0.10～1.25 m）时流量系数的变化，不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值见表3。
由表3可以看出：
（1）气盾坝流量系数与开度、水头、流量相关，尤其开度对流量系数影响较大。整体来说，开度越大流量系数越大，开度为45°时流量系数最大，大于45°则坝迎水面坡度陡，阻水作用加大，不利于重力作用泄流，使流量系数减小。
（2）根据试验数据分析及不同堰型对应流量系数公式比较分析，气盾坝开度小于10°时堰型接近宽顶堰，开度为10°～15°时为宽顶堰型向接近薄壁堰型转化，开度为15°～25°时堰型接近克奥实用堰，开度大于25°时流量系数与WES实用堰流量系数接近（可按WES实用堰进行水力计算）[8]。
4 工程实例流量计算
4.1 无侧向收缩情况
某市景观河气盾坝[9]坝顶过水宽度12 m，自由出流，无侧向收缩，立门泄流开度为50°时坝高2.5 m。利用表2中的流量公式，根据水头即可计算气盾坝立门泄流量。当水头为0.1、0.2 m时，计算流量分别为0.88、2.45 m3/s。在该景观河上利用一点法测流速计算的流量分别为0.95、2.5 m3/s，计算值与实测值相差不超过10%，说明利用试验公式计算流量便捷、准确。
4.2 有侧向收缩情况
堆龙河规划修建气动盾形闸坝，闸坝上游河宽156 m，3孔过水，单孔净宽49 m，立门泄流时（开度50°）为自由出流，闸墩厚度3 m，墩头迎水面为圆弧形，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，卧门泄水上游水位3 641.2 m，下游水位3 641.2 m。
根据堰流公式Q=σsεmB2gH2/30计算流量，式中σs为淹没系数，ε为侧收缩系数，m为流量系数（取表3中不同开度对应流量系数平均值），B为过水净宽，H0为计入行近流速水头的坝前总水头。气盾坝立门泄流时按照实用堰公式确定侧收缩系数、淹没系数并计算流量，其计算结果与根据水文资料同条件下推算的堆龙河控制大断面的流量结果比较见表4。气盾坝卧门泄流时，按照宽顶堰公式确定侧收缩系数、淹没系数并计算流量，计算结果为563.64 m3/s;闸门全开卧倒泄流时，河道流量为618 m3/s。
计算结果表明，按照项目研究的流量系数及堰型计算流量与水文推算结果相差小于10%。模型试验得出结果可靠，可在规划设计阶段计算气盾坝的流量。
5 结 论
（1）模型试验结果表明，气盾坝不同开度泄流时堰型发生动态变化，卧门泄流时接近宽顶堰型，立门泄流时接近WES实用堰型。目前立门泄流时按薄壁堰进行水力计算是不准确的。
（2）气盾坝无侧向收缩时，模型试验分析得出的不同开度单宽流量计算公式考虑了堰型动态变化，计算方便快捷、结果可靠，可为工程运行阶段计算流量;有侧向收缩时，按不同开度确定流量系数，并根据对应堰型确定的侧收缩系数及淹没系数计算流量，结果准确，可为工程规划阶段设计流量提供技术参考。
参考文献：
[1] 陈茂.气动盾形闸坝锚固体系研究[J].珠江水运，2020（19）：31-32.
[2] 徐君冉，赵海涛，张乐为.简论气盾坝的设计[J].河北水利，2016（8）：42-43.
[3] 霍香丽，田金钢，王家会.洛河东湖拦河坝工程选型及设计[J].人民黄河，2018，40（1）：85-87.
[4] 郭攀攀，焦洁，裴珺.气盾坝在得胜河综合治理工程设计中的应用[J].水利建设与管理，2021（2）：17-21.
[5] 吴一红，洪志强，陆吾华.橡胶坝与气盾坝技术与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2019：58-146.
[6] 中华人民共和国水利部.水工（常规）模型试验规程：SL 155—2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012：48-200.
[7] 陈东清.不同挡水建筑物方案的应用比选[J].水利规划与设计，2014（1）：56-59.
[8] 李祎.水力计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2007：3-98.
[9] 范杰利，卢明，锋王珑.大跨度高挡水气动盾形闸在河流景观工程中的应用[J].中国水利，2017（8）：45-47.
【责任编辑 许立新】