Page 54 - 2023年第54卷第6期

本文重点讨论梯形闸门自由出流时的流态，以边坡系数 ｍ＝ １．５的渠道为例，在图 ６中给出了自由
出流时相同开度不同流量时典型断面的水面横向分布。
由图可以看出，Ｘ ＝ ０．０２７ 断面上（图 ６（ａ））边墙处水深随上游来流流量增加而增加，因为流量增
大时，闸前水深增大，上游重力势能增大，左、右侧孔出流量增大，闸后渠道边墙上水深增加；受闸
门门底约束和惯性作用，经闸门底部出流的水深值随流量增加变化不大，与闸门开度大小相近。
各典型流量下闸后水流收缩段长度不同。收缩段长度随流量增大而增大，“驼峰” 发生位置（收缩
段末端，图 ６（ｂ））愈远离闸门，峰值越大，不同流量下峰值两侧水深接近，水深沿宽度方向变幅增
大，收缩段末端水面宽度接近。如流量由 ６．５Ｌ?ｓ变为 １３．５Ｌ?ｓ时，流量增加 １０７．７％，驼峰距离闸门
的距离增加了 ６５．５％，驼峰高度增加了 ６３．３％。这是因为闸门开度不变，流量增大时，闸前水深增大，
闸后边墙处水流重力势能转化为动能，横向速度变大，自两侧流向中间的水流增多，因此，左、中、
右三股水流相撞形成的驼峰高度增高。流量越大，驼峰高度越高，在扩散段转化为动能就越多，扩散
段长度（自驼峰断面至扩散段末）越长，由图 ６（ｃ）可以看出，水面宽度随流量增加而增加，水面横向
波动越剧烈，边墙处水面与中轴线处水面高差越大。如 流 量 由 ６．５Ｌ?ｓ变 为 １３．５Ｌ?ｓ时，流 量 增 加
１０７．７％，扩散段长度增加了 ５７．０％，水面宽增加 ２９．３％，水面高差增加了 ２８０％。扩散段末端水面横
向高差越大，边墙处水流势能转化为横向动能越多，水流向下游流动的同时沿横向向中间流动，重复
收缩和扩散过程，水流收缩、扩散的次数越多，水流趋近于均匀分布所需要的距离越长，如图 ６（ｄ）
可知，如流量由 ６．５Ｌ?ｓ变为 １３．５Ｌ?ｓ时，流量增加 １０７．７％，水流趋于均匀分布所需要的距离增加
了 １２９％。

图 ６ 相同开度不同流量时典型横断面水面分布

图 ７中给出了相同流量不同闸门开度时各典型断面的水面变化情况。由图 ７（ａ）可以看出，Ｘ＝
０．０２７断面上边墙处水深随闸门相对开度 ｅ?Ｈ 增大而减少，因为当上游来流流量不变，闸门相对开度
０
增大时，闸前水深减少，上游重力势能减少，左、右侧孔出流量降低，闸后边墙上水深减少；受闸门
门底约束和惯性作用，经闸门底部出流的水深值随闸门开度增加而增加。
从图 ７（ｂ）可以看出，随 ｅ?Ｈ 的增大收缩段长度减少，“驼峰” 发生的位置愈接近闸门，峰值越
０
小，峰值两侧水深随开度增加而增加，水深沿宽度方向变幅减小，水面宽度增加，如 ｅ?Ｈ由 ０．２６变为
０
０．５４时，ｅ?Ｈ增加 １１５．４％，驼峰至闸门距离减小了 ３０．６％，驼峰高度减小了 １９．６％，水面宽度增加了
０
２０．５％。这是因为流量不变，闸门相对开度增大时，闸前水深减少，重力势能转化为动能变少，横向
速度变小，自两侧流向中间的水流减少，因此左、中、右三股水流相撞形成的 “驼峰” 高度降低，两
侧水深增加，水面宽增加。相对开度越大，“驼峰” 高度越低，势能转化为动能就越少，扩散段长度
越短，水面波动越小，由图 ７（ｃ）可以看出，在扩散段末水面横向分布越均匀，边墙上水面与中轴线处
水面高差越小。如 ｅ?Ｈ 由 ０．２６和 ０．５４时，ｅ?Ｈ 增加 １１５．４％，扩散段长度减小了 ２１．６％，水面高差减
０
０
小了 ５７．９％。扩散段末端水面横向高差越小，边墙处水流势能转化为动能越少，水流收缩、扩散的次
数越少，水流趋近于均匀分布所需要的距离越短，如图 ７（ｄ）可知，如 ｅ?Ｈ 由 ０．２６变为 ０．５４时，ｅ?Ｈ ０
０
增加为 １１５．４％，水流趋于均匀分布所需要的距离减小了 ４８．５％。

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