浅析水工建筑物中冲击波对正槽溢洪道泄槽的影响

摘 要：溢洪道是用以调节库容的水工建筑物，泄槽是溢洪道中重要的组成部分，由于在泄槽中水流高速流动，并且流速在不断改变，会产生一系列的冲击波，这些水流冲击波会对泄槽正常工作和溢洪道出口的消能造成非常不利的影响，甚至会产生局部溃坝，所以水流产生的冲击波对正槽溢洪道泄槽的不利影响要引起足够重视。

关键词：高速水流；冲击波；溢洪道；泄槽

中图分类号：TV651.1 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）11-0201-01

1 冲击波对正槽溢洪道泄槽的影响研究意义

溢洪道是水利枢纽中一项十分重要的水工建筑物，由于水库需要调节库容，所以需要布置泄水建筑物。泄水建筑最常见的形式是溢洪道，其主要作用是宣泄水库不能容纳的洪水，避免洪水漫顶，保障大坝的安全运行。水利工程枢纽中，溢洪道型式主要有溢流坝、泄洪隧洞及坝下涵洞、岸边溢洪道。溢洪道通常由引水段、泄水槽、控制段、消能设施和尾水渠组成。其中泄槽是溢洪道中一项重要的组成部分，多使用于连接出口消能段和泄水陡槽，一般布置在挖方段，泄槽分为收缩段、扩散段和弯曲段。由于泄槽中水流很急，边墙方向在不断改变，水流受到了强烈的扰动，非常容易产生冲击波。同时产生的冲击波影响的范围可能延伸非常远，给泄槽正常工作和溢洪道出口的消能造成非常不利的影响，如果泄槽不能正常工作，就会造成溢洪道无法正常宣泄水库所不能容纳的洪水，结果可能会造成大坝局部垮塌，甚至导致溃坝。故此，我们要对水流产生的冲击波对泄槽的影响要着重了解和研究，对于泄槽的设计要基于地质、水流条件、地形等综合因素考虑。

2 冲击波理论及影响机理

冲击波是一种不连续峰在媒介中的传播，冲击波峰造成介质的温度、压强等性质的不连续性改变。如核爆炸时的爆炸中心压力急剧升高上升，令周围气体强烈振动产生的波动[1]。冲击波波速以超音速从爆炸中心往周围扩散，有非常大的破坏性。在溢洪道泄槽中是由于高速水流的不均匀流动、流速在不连续性变化、方向在不断改变而产生的水流冲击波，对泄槽的边墙和下游出口有很大的破坏性。

高速水流冲击波是水流边界变化和急流作用下产生的复杂水流。因为水流有较大的惯性，在弯道流动时由于边墙的作用，会使水流的方向改变，高速水流会对边墙产生冲击波，由于牛顿定律力的作用是相互的，同时边墙也会使水流动量改变，形成水流的局部雍高。水流产生的冲击波在泄槽内传播，当冲击波到达的时候，水流已经先前流过一段距离，所以，冲击波在开始产生的地方下游形成一段较大的影响范围。同时，和边墙的距离逐渐变远，越靠近下游，就会在这个影响区域内产生一条扰动线，这条线与原来水流所形成的角度就是波角。水流内部由于边墙的偏转，会出现水面雍高，水流产生扰动，形成许多菱形的波。泄槽中正交于水流方向取微元，令微元随水流移动，流速为v。在泄槽平边墙静止不动，微元内水流没有横向移动。到了收缩段，固壁挡墙在微元中向里运动迫使水体运动。和明渠类似，微元内会形成断波。泄槽平面内，断波不能传播到上游，其波峰的横向移动和水流移动综合作用形成了急流冲击波。些冲击波会冲击泄槽内的边墙和出口，这又由于高速水流产生的冲击波携带大量的能量，所以也会对消能设施的布置要较高要求[2]。

3 减少冲击波对泄槽段影响措施

高速水流产生的冲击波在泄槽内的不利影响是不可避免的，为此要采取一些方法减少其不利影响。收缩段在工程中常见的是对称收缩，基于冲击波理论，最大冲击波波高取决于侧墙偏转角θ，θ越大，冲击波的波高也就越大，但和边墙的偏转曲率没有关系[3]。其中，可见适当减小侧边墙偏转角可以减小波高。对于纵波来说，可以避免产生因水流过急而产生水流溢出，根据具体的地形条件参照诺谟图计算出θ，收缩段的长度。速水流产生的冲击波是一种机械波，机械波的能量与频率的平方、振幅的平方成正比，和介质的密度成正比。

高在泄槽扩散段，高速水流与边墙有密切关系，水流和边墙容易分离，会形成正冲击波与负冲击波。可以使用断波理论阐述负扰动波的产生机理，把向外偏转的扩散段边墙看作与水体相背的运动，产生的断波是逆行落水波，然后在高速流水中形成负扰动波。负扰动波不同于正扰动波，负扰动波的逆行落水是发散的，波形平缓，与断波波峰假设相差悬殊。自然扩散角，等同于档板背离水体运动速度高于挡板被瞬间撤去时水流的速度。边墙不能约束水流，波高和扰动波波角与θ没有关系。

对于设置弯曲段，是不能避免的，所以，由于边墙迫使水流变向，这样更容易产生冲击波。故此要尽量控制弯曲半径R≥10b（b为泄槽截面宽度），尽量使水流流量分布均匀，这样可以减少冲击波的不利影响。

因此，对于减小冲击波的不利影响，要尽量使泄槽底板平整减小水流的不均匀扰动，根据地形合理设计侧墙偏转角θ，在弯曲段控制转弯半径等。由于关于泄槽扩散冲击波理论尚待深入研究，在建设大型工程时，要在设计后通过模型试验进行验证。对于下游的消能设施，可以采用掺气消能，在出口处可以采用消力墩，消力墩将水流分成很多小水流，使水流偏转，经过出口后互相撞击，并且消力墩表面的摩阻力会消耗一部分水流能量，减小水产生的强烈紊动。这些可以增加消能效果，使跃后水深减小，减小消力池开挖深度，缩短消力池长度，降低工程造价。

参考文献

[1] 樊有锋，刘韩生，姬春利.对称直线收缩段急流冲击波的水力计算[J].中国农村水利水电，2009（10）.

[2] 田士豪.方彦军泄槽冲击波的水力特性[J].武汉水利电力大学学报，1995，6（03）：28.

[3] 林继镛，王光纶.水工建筑物[J].5版.北京：中国水利水电出版社，2009.

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