淺析水工建筑物中沖擊波對(duì)正槽溢洪道泄槽的影響

摘 要：溢洪道是用以調(diào)節(jié)庫(kù)容的水工建筑物，泄槽是溢洪道中重要的組成部分，由于在泄槽中水流高速流動(dòng)，并且流速在不斷改變，會(huì)產(chǎn)生一系列的沖擊波，這些水流沖擊波會(huì)對(duì)泄槽正常工作和溢洪道出口的消能造成非常不利的影響，甚至?xí)a(chǎn)生局部潰壩，所以水流產(chǎn)生的沖擊波對(duì)正槽溢洪道泄槽的不利影響要引起足夠重視。

關(guān)鍵詞：高速水流；沖擊波；溢洪道；泄槽

中圖分類號(hào)：TV651.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）11-0201-01

1 沖擊波對(duì)正槽溢洪道泄槽的影響研究意義

溢洪道是水利樞紐中一項(xiàng)十分重要的水工建筑物，由于水庫(kù)需要調(diào)節(jié)庫(kù)容，所以需要布置泄水建筑物。泄水建筑最常見(jiàn)的形式是溢洪道，其主要作用是宣泄水庫(kù)不能容納的洪水，避免洪水漫頂，保障大壩的安全運(yùn)行。水利工程樞紐中，溢洪道型式主要有溢流壩、泄洪隧洞及壩下涵洞、岸邊溢洪道。溢洪道通常由引水段、泄水槽、控制段、消能設(shè)施和尾水渠組成。其中泄槽是溢洪道中一項(xiàng)重要的組成部分，多使用于連接出口消能段和泄水陡槽，一般布置在挖方段，泄槽分為收縮段、擴(kuò)散段和彎曲段。由于泄槽中水流很急，邊墻方向在不斷改變，水流受到了強(qiáng)烈的擾動(dòng)，非常容易產(chǎn)生沖擊波。同時(shí)產(chǎn)生的沖擊波影響的范圍可能延伸非常遠(yuǎn)，給泄槽正常工作和溢洪道出口的消能造成非常不利的影響，如果泄槽不能正常工作，就會(huì)造成溢洪道無(wú)法正常宣泄水庫(kù)所不能容納的洪水，結(jié)果可能會(huì)造成大壩局部垮塌，甚至導(dǎo)致潰壩。故此，我們要對(duì)水流產(chǎn)生的沖擊波對(duì)泄槽的影響要著重了解和研究，對(duì)于泄槽的設(shè)計(jì)要基于地質(zhì)、水流條件、地形等綜合因素考慮。

2 沖擊波理論及影響機(jī)理

沖擊波是一種不連續(xù)峰在媒介中的傳播，沖擊波峰造成介質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)等性質(zhì)的不連續(xù)性改變。如核爆炸時(shí)的爆炸中心壓力急劇升高上升，令周圍氣體強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)[1]。沖擊波波速以超音速?gòu)谋ㄖ行耐車鷶U(kuò)散，有非常大的破壞性。在溢洪道泄槽中是由于高速水流的不均勻流動(dòng)、流速在不連續(xù)性變化、方向在不斷改變而產(chǎn)生的水流沖擊波，對(duì)泄槽的邊墻和下游出口有很大的破壞性。

高速水流沖擊波是水流邊界變化和急流作用下產(chǎn)生的復(fù)雜水流。因?yàn)樗饔休^大的慣性，在彎道流動(dòng)時(shí)由于邊墻的作用，會(huì)使水流的方向改變，高速水流會(huì)對(duì)邊墻產(chǎn)生沖擊波，由于牛頓定律力的作用是相互的，同時(shí)邊墻也會(huì)使水流動(dòng)量改變，形成水流的局部雍高。水流產(chǎn)生的沖擊波在泄槽內(nèi)傳播，當(dāng)沖擊波到達(dá)的時(shí)候，水流已經(jīng)先前流過(guò)一段距離，所以，沖擊波在開始產(chǎn)生的地方下游形成一段較大的影響范圍。同時(shí)，和邊墻的距離逐漸變遠(yuǎn)，越靠近下游，就會(huì)在這個(gè)影響區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一條擾動(dòng)線，這條線與原來(lái)水流所形成的角度就是波角。水流內(nèi)部由于邊墻的偏轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)水面雍高，水流產(chǎn)生擾動(dòng)，形成許多菱形的波。泄槽中正交于水流方向取微元，令微元隨水流移動(dòng)，流速為v。在泄槽平邊墻靜止不動(dòng)，微元內(nèi)水流沒(méi)有橫向移動(dòng)。到了收縮段，固壁擋墻在微元中向里運(yùn)動(dòng)迫使水體運(yùn)動(dòng)。和明渠類似，微元內(nèi)會(huì)形成斷波。泄槽平面內(nèi)，斷波不能傳播到上游，其波峰的橫向移動(dòng)和水流移動(dòng)綜合作用形成了急流沖擊波。些沖擊波會(huì)沖擊泄槽內(nèi)的邊墻和出口，這又由于高速水流產(chǎn)生的沖擊波攜帶大量的能量，所以也會(huì)對(duì)消能設(shè)施的布置要較高要求[2]。

3 減少?zèng)_擊波對(duì)泄槽段影響措施

高速水流產(chǎn)生的沖擊波在泄槽內(nèi)的不利影響是不可避免的，為此要采取一些方法減少其不利影響。收縮段在工程中常見(jiàn)的是對(duì)稱收縮，基于沖擊波理論，最大沖擊波波高取決于側(cè)墻偏轉(zhuǎn)角θ，θ越大，沖擊波的波高也就越大，但和邊墻的偏轉(zhuǎn)曲率沒(méi)有關(guān)系[3]。其中，可見(jiàn)適當(dāng)減小側(cè)邊墻偏轉(zhuǎn)角可以減小波高。對(duì)于縱波來(lái)說(shuō)，可以避免產(chǎn)生因水流過(guò)急而產(chǎn)生水流溢出，根據(jù)具體的地形條件參照諾謨圖計(jì)算出θ，收縮段的長(zhǎng)度。速水流產(chǎn)生的沖擊波是一種機(jī)械波，機(jī)械波的能量與頻率的平方、振幅的平方成正比，和介質(zhì)的密度成正比。

高在泄槽擴(kuò)散段，高速水流與邊墻有密切關(guān)系，水流和邊墻容易分離，會(huì)形成正沖擊波與負(fù)沖擊波?？梢允褂脭嗖ɡ碚撽U述負(fù)擾動(dòng)波的產(chǎn)生機(jī)理，把向外偏轉(zhuǎn)的擴(kuò)散段邊墻看作與水體相背的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的斷波是逆行落水波，然后在高速流水中形成負(fù)擾動(dòng)波。負(fù)擾動(dòng)波不同于正擾動(dòng)波，負(fù)擾動(dòng)波的逆行落水是發(fā)散的，波形平緩，與斷波波峰假設(shè)相差懸殊。自然擴(kuò)散角，等同于檔板背離水體運(yùn)動(dòng)速度高于擋板被瞬間撤去時(shí)水流的速度。邊墻不能約束水流，波高和擾動(dòng)波波角與θ沒(méi)有關(guān)系。

對(duì)于設(shè)置彎曲段，是不能避免的，所以，由于邊墻迫使水流變向，這樣更容易產(chǎn)生沖擊波。故此要盡量控制彎曲半徑R≥10b（b為泄槽截面寬度），盡量使水流流量分布均勻，這樣可以減少?zèng)_擊波的不利影響。

因此，對(duì)于減小沖擊波的不利影響，要盡量使泄槽底板平整減小水流的不均勻擾動(dòng)，根據(jù)地形合理設(shè)計(jì)側(cè)墻偏轉(zhuǎn)角θ，在彎曲段控制轉(zhuǎn)彎半徑等。由于關(guān)于泄槽擴(kuò)散沖擊波理論尚待深入研究，在建設(shè)大型工程時(shí)，要在設(shè)計(jì)后通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于下游的消能設(shè)施，可以采用摻氣消能，在出口處可以采用消力墩，消力墩將水流分成很多小水流，使水流偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)出口后互相撞擊，并且消力墩表面的摩阻力會(huì)消耗一部分水流能量，減小水產(chǎn)生的強(qiáng)烈紊動(dòng)。這些可以增加消能效果，使躍后水深減小，減小消力池開挖深度，縮短消力池長(zhǎng)度，降低工程造價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊有鋒，劉韓生，姬春利.對(duì)稱直線收縮段急流沖擊波的水力計(jì)算[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009（10）.

[2] 田士豪.方彥軍泄槽沖擊波的水力特性[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，6（03）：28.

[3] 林繼鏞，王光綸.水工建筑物[J].5版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.