挑流水舌特性及其影響

寧景昊, 寧利中，*,寧碧波, 田偉利,吳 昊

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048; 2.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001; 3.上海大學(xué) 美術(shù)學(xué)院,上海 200444)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和水利建設(shè)的迅速發(fā)展，高壩的增多，高速水力學(xué)的問(wèn)題日益突出。特別是高水頭泄水建筑物的消能防沖問(wèn)題成為水利工程界十分關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)高速水流理論，對(duì)挑流水舌在空中的擴(kuò)散、摻氣的正確認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是減少?zèng)_刷和霧化的關(guān)鍵之一。通過(guò)改變水舌特性有效地解決高速水流帶來(lái)的沖刷問(wèn)題，在理論分析和原型觀測(cè)獲得了大量的研究成果[1-5]。

對(duì)挑流水舌特性的研究十分重要。劉宣烈等先后對(duì)空中水舌運(yùn)動(dòng)特性[6]和三元空中水舌摻氣擴(kuò)散特性進(jìn)行研究[2]，取得一些初步成果。謝曌等[7]對(duì)空中水舌水力特性的數(shù)值模擬研究得出空中水舌形態(tài)、水舌擴(kuò)散特性；劉宣烈等[8]在分析影響挑流水舌運(yùn)動(dòng)因素的基礎(chǔ)上，對(duì)挑流水舌在重力及空氣阻力作用下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了探討，提出了考慮空氣阻力影響的水舌挑距計(jì)算式；劉斌等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，提出加角的斜切式挑坎的挑流水舌在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)紊動(dòng)劇烈，砸落水墊時(shí)紊動(dòng)能耗散迅速，有利于下游防沖的觀點(diǎn)。他們的研究對(duì)影響水舌特性做了許多有益的嘗試。

影響挑流水舌特性的因素很多。本文討論水舌挑距的計(jì)算方法和空氣阻力、挑坎體型，摻氣對(duì)水舌特性的影響及挑流對(duì)霧化和沖刷的影響，并提出進(jìn)一步的研究建議。

1 挑流水舌挑距計(jì)算

挑流運(yùn)動(dòng)示意圖見(jiàn)圖1。

1)等寬挑坎挑距按拋射體理論計(jì)算挑流水舌挑距，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的拋射體理論，有：

(1)

式中u1和h分別為挑坎出口斷面流速和水深;g為重力加速度;θ為挑坎挑角。

圖1 挑流示意圖Fig.1 Schematic diagram of deflecting flow

等寬挑坎外緣挑距計(jì)算公式：

(2)

式中a為挑坎末端距下游水面的高度；u0和h0分別為挑坎出口斷面流速和水深;g為重力加速度;θ為挑坎挑角。

2)劉宣烈等[8]根據(jù)空氣阻力、重力作用下的水舌微元體的平衡，得到水平挑距的計(jì)算式為：

(3)

式中摻氣水舌影響系數(shù)k=0.765+0.005Fr1，F(xiàn)r1為挑坎出口佛氏數(shù)；φ為壩面流速系數(shù)；Zc為上游水位至鼻坎的高差；θ為挑坎挑角。

3)窄縫挑坎挑距計(jì)算

戴振霖等[10]根據(jù)深孔平底窄縫挑坎的試驗(yàn)給出窄縫外緣挑距計(jì)算式：

(4)

關(guān)于窄縫挑坎內(nèi)緣挑距計(jì)算，戴振霖等建議水舌內(nèi)緣挑距為：

(5)

式中α為水舌內(nèi)緣出射角；φ為流速系數(shù)；E0為坎末以上水頭。

關(guān)于挑流水舌挑距間題, 通常用拋射體理論公式計(jì)算,并在水工模型試驗(yàn)中驗(yàn)證。挑距的計(jì)算應(yīng)考慮多方面的因素, 特別是阻力、水舌擴(kuò)散對(duì)挑距的影響。

2 影響挑流水舌的因素

2.1 空氣阻力對(duì)挑流水舌的影響

劉宣烈等[8]在分析影響挑流水舌運(yùn)動(dòng)因素的基礎(chǔ)上，對(duì)挑流水舌在重力及空氣阻力作用下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了探討，得出了考慮空氣阻力時(shí)挑流水舌基本方程和運(yùn)動(dòng)軌跡；總結(jié)出挑流水舌的運(yùn)動(dòng)與不計(jì)空氣阻力相比有如下的特性：①水舌運(yùn)動(dòng)軌跡是不對(duì)稱(chēng)的，其降弧比升弧陡，水平分速度沿程減小;②水舌斷面平均流速的最小值不在運(yùn)動(dòng)軌跡的頂點(diǎn)，而在降弧上;③位于運(yùn)動(dòng)軌跡同一高程升弧和降弧的兩個(gè)斷面上的平均流速是不同的，升弧上的比降弧上的大;④水平挑距比不計(jì)空氣阻力時(shí)小。

隨著對(duì)影響挑流水舌的因素的研究越來(lái)越深入，在不考慮空氣阻力計(jì)算挑流水舌水平挑距和挑流軌跡與觀測(cè)資料相比其誤差可達(dá)30%以上。

2.2 挑坎體型對(duì)挑流水舌的影響

1) 莫海春等[11]通過(guò)對(duì)斜切挑坎水舌入水寬度隨切角變化，以威遠(yuǎn)江水電站工程資料為依據(jù)，采用傳統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算方法得出了隨著斜切角度增大，水舌橫向入水寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且兩者的相關(guān)關(guān)系滿(mǎn)足曲線(xiàn)方程。 高、低挑坎水舌的挑距差隨切角增大而逐漸增大，水舌的實(shí)際入水寬度逐漸延長(zhǎng)，增加了水與空氣的接觸面積，有利于能量耗散。

2) 劉斌等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，將常規(guī)的斜切式挑坎與加貼角的斜切式挑坎的水舌形態(tài)、水舌挑距、挑高、水舌及下游紊動(dòng)能和紊動(dòng)能耗散率進(jìn)行比較分析，得出了加貼角后斜挑體型的新特征。對(duì)于狹窄河道大交角溢洪道，加貼角斜切式挑坎能夠使挑流翻轉(zhuǎn)偏向一側(cè)，有利于挑流的歸槽，減小了入水寬度和對(duì)單側(cè)岸坡的沖刷，且挑流在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)紊動(dòng)劇烈，砸落水墊時(shí)紊動(dòng)能耗散迅速，有利于下游消能防沖。

3)寧利中[12]對(duì)窄縫挑流的水舌流態(tài)進(jìn)行研究，將窄縫挑流水舌分為4種流態(tài)。并且將窄縫流在空中分為3個(gè)區(qū)域:①為沖擊波在出口附近交匯產(chǎn)生的“水冠”部分,這部分水體由于“水冠”寬度小于水舌主體寬度,3面摻氣并受空氣阻力影響較大,因而流速小于水舌主體部分流速;②在水舌出坎以后,水流的中、下部密度較大,水舌呈整體擴(kuò)散狀水股,此區(qū)長(zhǎng)約為挑坎末端水深的1.5～3.0倍;③擴(kuò)散、摻氣區(qū),水舌外緣挑角在45°左右(小于“水冠”部分出射角),當(dāng)距出口距離大于1.5～3.0倍坎末水深時(shí),水舌在空中不再呈整體水股,而是分散成許多細(xì)股狀。

4)吳文平等[13]對(duì)窄縫挑流水舌的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律與傳統(tǒng)的挑流鼻坎相比,窄縫挑流水舌有兩個(gè)顯著特點(diǎn):①受挑坎收縮段的收縮作用,射流水舌沿橫向收縮,水流集中；②在收縮段縱向平面內(nèi)產(chǎn)生流線(xiàn)彎曲,出坎水流各質(zhì)點(diǎn)具有不同的運(yùn)動(dòng)方向,在縱向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散。

5)朱雅琴等[14]對(duì)舌形挑流鼻坎水力特性進(jìn)行研究得出了舌形挑坎與常規(guī)挑坎相比，挑射水舌的橫向擴(kuò)散寬度明顯增加，且下泄流量越大，橫向擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)越明顯，舌形挑坎分散了下泄水流，減小水墊塘入射水流的單寬流量，有效地減輕了水舌對(duì)水墊塘底板的沖擊動(dòng)壓。

一般說(shuō)來(lái),水舌縱向流速分量遠(yuǎn)大于橫向分量,且沿河床縱向空間擴(kuò)散不受限制,對(duì)比幾種挑坎體型，窄縫挑流水舌在縱向空間能夠得到充分?jǐn)U散。水舌在縱向空間的充分?jǐn)U散是窄縫挑流水舌的最明顯特征。因此在挑坎選擇中也要運(yùn)用適當(dāng)，如果選擇的挑坎不能讓水舌良好的擴(kuò)散，對(duì)沖刷就會(huì)有很大的影響。

2.3 摻氣對(duì)水舌的影響

1)劉宣烈等[15]研究了空中水舌在重力和空氣阻力作用下的拋射運(yùn)動(dòng)，得到了摻氣水舌運(yùn)動(dòng)軌跡方程、水平射距公式以及摻氣水舌的入水角、入水速度和曲線(xiàn)長(zhǎng)度表達(dá)式，并通過(guò)工程實(shí)測(cè)資料與計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值十分相近。說(shuō)明此計(jì)算方法在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2)梁在潮[16]分析了水舌沿程摻氣對(duì)水舌擴(kuò)散的影響，建立了斷面平均摻氣濃度與斷面實(shí)際厚度間的關(guān)系式，根據(jù)水槽試驗(yàn)成果，建立了斷面摻氣濃度與斷面弗勞德數(shù)間的關(guān)系。得出水舌運(yùn)動(dòng)方程：

(6)

式中ρa(bǔ)，ρw分別為空氣和水的密度;b,h為水舌未摻氣時(shí)的斷面寬度和厚度。

3)孫建[17]通過(guò)對(duì)前人研究的總結(jié)，應(yīng)用動(dòng)量方程分析了原型摻氣水舌厚度擴(kuò)散角，同時(shí)給出了摻氣濃度的預(yù)報(bào)方法，提出了空氣阻力系數(shù)計(jì)算公式:

(7)

式中ρw為水的密度；Cm為水舌摻氣濃度；φa為水舌空中流速系數(shù)；g為重力加速度。

4)吳持恭等[18]對(duì)挑坎射流所受擴(kuò)散摻氣的影響進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究。得出水流摻氣可使出射水流初速vc增加，從而加大射距，但這以挑射角θ≤35°為前提。當(dāng)挑角θ≤35°時(shí)有如下公式：

(8)

5)鄧軍等[19]研究了摻氣對(duì)基巖沖刷的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:摻氣對(duì)射流沖刷的影響非常顯著，而且摻氣使沖坑減小。摻氣濃度Ca對(duì)沖坑深度的影響，可表達(dá)為摻氣濃度與沖坑無(wú)量綱深度的冪函數(shù)關(guān)系。

挑流水舌在空中的摻氣擴(kuò)散特性與挑流消能效率密切相關(guān)，摻氣擴(kuò)散越充分，消能效果越好，對(duì)下游河床沖刷則越輕。水舌擴(kuò)散摻氣也是挑流消能產(chǎn)生霧化的來(lái)源之一。對(duì)霧化的深人研究,還必須對(duì)空中水舌的摻氣及其擴(kuò)散作全面的、詳細(xì)的分析。

3 挑流水舌對(duì)沖刷的影響

挑流水舌對(duì)下游河床的巨大沖擊力,則有可能危及大壩和岸坡安全。故挑流的沖刷作用一直是人們關(guān)心的重要問(wèn)題.

1)吳文平[20]根據(jù)窄縫挑流水舌的橫向收縮及縱向擴(kuò)散特征,從能量觀點(diǎn)出發(fā),得到了窄縫挑流水舌沖坑平衡水深的估算公式,并對(duì)窄縫挑流沖刷特性進(jìn)行分析，得出單位面積的入水能量與平衡水深之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)>1，窄縫挑流水舌產(chǎn)生的沖刷比等寬挑坎嚴(yán)重;戴振霖等[21]對(duì)比窄縫和等寬的水舌特性，初步對(duì)窄縫流水舌促進(jìn)消能、減輕沖刷的機(jī)理進(jìn)行了研究。得出窄縫式消能工局部沖刷深度估算公式。

2)尹韜等[22]對(duì)斜鼻坎挑流進(jìn)行試驗(yàn)，將連續(xù)式鼻坎優(yōu)化為斜鼻坎，水舌發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能夠使水流順利歸河，避免淘刷右岸山體；同時(shí)水舌呈斜向大幅拉開(kāi)，增加了水體和空氣的接觸面積，有效減輕了出射水流所具有的動(dòng)能，有效減輕下游河床的沖刷。

3)黃智敏等[23]研究差動(dòng)式挑流鼻坎沖深特性，差動(dòng)式高、低坎挑射水舌的下游入水位置沿下游河床縱向拉開(kāi)擴(kuò)散，減小了下游入水的單位面積能量。對(duì)差動(dòng)式挑坎消能增大系數(shù)β的影響因素進(jìn)行了初步探討，從而對(duì)差動(dòng)式挑流鼻坎沖刷深度計(jì)算有了進(jìn)一步的研究。

對(duì)比窄縫挑坎與等寬挑坎水舌對(duì)沖刷的影響，等寬挑流是下泄水流能平順地拋射出去,雖然經(jīng)空中自然摻氣、紊動(dòng)和空氣阻力消耗一部分能量,但大部分射流能量進(jìn)入下游河床,故沖刷嚴(yán)重。而窄縫挑流水舌充分?jǐn)U散與空氣接觸面積增大，摻氣促進(jìn)水舌擴(kuò)散碎裂,使水流表面的粗糙增大,從而提高空中消能率。

4 挑流水舌對(duì)霧化的影響

研究表明水舌空中擴(kuò)散摻氣、水舌空中碰撞和水舌入水噴濺是挑流消能產(chǎn)生霧化的3種來(lái)源。其中水舌入水噴濺是主要的霧化源,挑流水舌對(duì)霧化的影響很大，但對(duì)霧化的研究相對(duì)較難，許多學(xué)者通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)此進(jìn)行了研究。

1)李渭新等[24]根據(jù)所搜集到的泄洪霧化原型觀測(cè)資料以及部分模型試驗(yàn)資料，探討了挑流消能霧化降雨區(qū)范圍的粗估方法，鼻坎水頭與霧流降雨區(qū)范圍之間存在近似線(xiàn)性關(guān)系。

2)胡敏良[25]運(yùn)用原型觀察結(jié)合圖像處理研究霧化強(qiáng)度分布得出了采用高低坎、舌形坎等水流碰撞消能，對(duì)工程霧化不利，但霧化加劇程度很有限，這種消能防沖方式還是可行的。

3)劉士和等[26]在已有霧化研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)挑流霧化問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，建立了挑流霧化計(jì)算新的數(shù)學(xué)模型。重點(diǎn)考慮了水舌段摻氣散裂射流的特性，霧化流的霧流源量及霧流的側(cè)向擴(kuò)散等關(guān)鍵問(wèn)題。從霧化角度出發(fā)，對(duì)工程防護(hù)提出了建議。

4)彭新民等[27]以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),建立了挑流泄洪霧化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性處理能力較強(qiáng),對(duì)于泄洪霧化這樣多因素相互作用的復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系是可行的。與霧化的力學(xué)分析模型相比,此方法不需要繁瑣的求解和大量的計(jì)算,求解速度快,操作簡(jiǎn)單方便。

5)劉昉等[28]以水利水電工程中出現(xiàn)的挑流泄洪霧化為研究對(duì)象，通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)濺水模型試驗(yàn)研究，得到了泄洪霧化范圍的雨強(qiáng)等值線(xiàn)圖。研究了泄洪霧化范圍與流速水頭3.165次方成正比、與水舌入水角度也有關(guān)。入水角小，霧化范圍大；入水角大，霧化范圍小。

當(dāng)使用一些新型消能方式，如高低坎水流碰撞消能;窄縫式挑坎、寬尾墩、扭鼻坎等使挑流水舌縱向、橫向拉開(kāi)消能，但對(duì)挑流水舌摻氣和水舌入水時(shí)濺水形成的霧化現(xiàn)象必須考慮，這對(duì)環(huán)境的影響又是非常嚴(yán)重的。

5 結(jié) 論

1)許多學(xué)者對(duì)挑流水舌挑距進(jìn)行了研究，得出了摻氣和未摻氣情況下的挑距公式。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得出了一些影響水舌的因素，應(yīng)該進(jìn)一步考慮風(fēng)力等的影響。

2)窄縫式挑坎、寬尾墩、扭鼻坎等使挑流水舌縱向、橫向拉開(kāi)消能，但也要考慮對(duì)挑流水舌摻氣和水舌入水時(shí)濺水形成的霧化現(xiàn)象。

3)采用數(shù)值模擬方法對(duì)水舌進(jìn)行模擬，得到與實(shí)驗(yàn)較吻合的結(jié)果，可簡(jiǎn)化工作量，對(duì)以后的工程建設(shè)可采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相對(duì)比進(jìn)行研究。

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