傾斜式消浪板在輸水工程中的穩(wěn)水特性研究

姚履坦，詹 航，王 眺，萬(wàn)五一

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

隨著缺水地區(qū)供需矛盾的增長(zhǎng)，輸水工程作為解決水資源分布不均衡的有效措施得到廣泛關(guān)注。在大規(guī)模、長(zhǎng)距離、跨流域的復(fù)雜輸水工程中，由于調(diào)控水頭、輸水流量等實(shí)際需要，往往采用分段低壓輸水系統(tǒng)[1]。作為一種新型輸水方式，分段低壓輸水融合了無(wú)壓輸水和有壓輸水的優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)和結(jié)冰期輸水效率方面比無(wú)壓輸水更優(yōu)，在復(fù)雜水力問(wèn)題控制方面比有壓輸水更優(yōu)。為實(shí)現(xiàn)分級(jí)低壓輸水，工程中要設(shè)置多個(gè)銜接建筑物，因而在輸水系統(tǒng)全線產(chǎn)生多處有壓、無(wú)壓銜接段。工程中無(wú)壓段常采用局部明渠或箱涵來(lái)銜接水流，由于有壓接無(wú)壓段水流流態(tài)復(fù)雜，往往伴隨強(qiáng)烈紊動(dòng)和混摻，進(jìn)而在無(wú)壓段產(chǎn)生的波浪需向下游傳遞較長(zhǎng)距離才能衰減[2-3]。倘若波浪波動(dòng)幅度較大，可能導(dǎo)致下游渠道水面持續(xù)波動(dòng)甚至觸頂，輸水狀態(tài)不斷從無(wú)壓到有壓，再?gòu)挠袎旱綗o(wú)壓轉(zhuǎn)變，不僅無(wú)法讓系統(tǒng)按最初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，還可能導(dǎo)致大幅度的壓力交變及脈動(dòng)現(xiàn)象，使得輸水過(guò)程中伴隨氣泡或者氣墊的產(chǎn)生和消失，引起空蝕空化、振動(dòng)和沖擊等水力危害現(xiàn)象[4]。

為避免波浪向下游傳播，保證輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單有效的板式消浪結(jié)構(gòu)受到研究者關(guān)注。板式消浪結(jié)構(gòu)是一類下部透空、上部連續(xù)，不影響水體交換而能消減大部分波浪能量的消浪結(jié)構(gòu)。最早在1986年，邱大洪等[5]提出的單一薄板式消浪結(jié)構(gòu)在海洋工程中得以應(yīng)用。Rao等[6]研究了淹沒(méi)傾斜平板在規(guī)則波作用下，波陡、相對(duì)水深、浸水深度和傾角等因素對(duì)消浪性能的影響；研究發(fā)現(xiàn)60°傾角的消浪板在試驗(yàn)中能削減至少40%的波高。王國(guó)玉等[7]研究了開孔傾斜平板在二維規(guī)則波作用下，傾斜角度和開孔率對(duì)消浪效果的影響。王科等[8]通過(guò)完全非線性數(shù)值波浪水槽技術(shù)研究了近自由水面剛性水平薄板的消波特性和消波機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水平板的淺水效應(yīng)、透射波浪回流和板后波數(shù)分解成一系列高頻短波是其消波的3個(gè)重要原因。

在輸水工程中，路澤生等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究提出在消力池內(nèi)設(shè)置水平消浪板以減小波高，并被甘肅引洮供水工程采用，圓滿地解決了原設(shè)計(jì)方案中水流銜接的問(wèn)題。楊志祥等[10]為解決閑林水庫(kù)輸水系統(tǒng)水流銜接問(wèn)題，提出了垂直消波格柵板和水平消波格柵板，發(fā)現(xiàn)在消力池存在尾坎的情況下，不宜設(shè)置垂直消波格柵板，而水平格柵板位置離水面越近，消波效果越明顯。陳曉東[11]通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隧洞加設(shè)消波梁時(shí)，波高僅有微小的降低，而加設(shè)消波板且水面高過(guò)消波板時(shí)，波高有明顯降低。戴熙武等[12]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了分段低壓輸水系統(tǒng)中堰后水深對(duì)水面波動(dòng)規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加擾動(dòng)頻率與水面波動(dòng)固有頻率一致時(shí)，即使外加擾動(dòng)強(qiáng)度很小也會(huì)引起水力共振，水面波動(dòng)幅度大大增加。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)分段低壓輸水系統(tǒng)中長(zhǎng)明流段對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行更有利[13]，而以往關(guān)于傾斜式消浪板在此情況下的穩(wěn)水特性研究仍比較少，不同參數(shù)對(duì)于穩(wěn)水效果的影響仍不明確。故本文將通過(guò)物理模型試驗(yàn)探究浸水面積、浸水深度和傾斜角度等因素對(duì)分段低壓輸水系統(tǒng)長(zhǎng)明流段中傾斜式消浪板穩(wěn)水特性的影響規(guī)律，為其實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化研究提供參考。

1 基本原理分析

傾斜式消浪板與波浪發(fā)生相互作用，導(dǎo)致波浪形態(tài)發(fā)生改變甚至破碎，進(jìn)而削減波高，如圖1所示。當(dāng)波浪傳播至傾斜式消浪板處，首先發(fā)生淺水變形，即由于水深的減小，波長(zhǎng)和波速逐漸減小，波高逐漸增大，且波浪的波峰尖起，波谷變坦而寬，當(dāng)水深減小到一定程度時(shí)波浪在消浪板上發(fā)生破碎，繼而水體沿斜面上涌、爬升，同時(shí)在消浪板前隨波浪周期產(chǎn)生間歇性的吸氣漩渦。布置傾斜式消浪板前后波浪對(duì)比如圖2和圖3所示，未布置消浪板時(shí)波面起伏變化較大，布置消浪板后透過(guò)消浪板的波浪幅值明顯降低。

圖1 傾斜式消浪板與波浪相互作用試驗(yàn)照片

圖2 未布置消浪板時(shí)波浪示意

圖3 布置傾斜式消浪板后波浪示意

傾斜式消浪板的穩(wěn)水特性是復(fù)雜的多參數(shù)問(wèn)題，諸如入射波的周期、波幅，消浪板浸水面積、浸水深度和傾斜角度等參數(shù)都可能對(duì)穩(wěn)水效果產(chǎn)生影響。為比較不同布置方式下消浪板的穩(wěn)水性能，本文定義穩(wěn)水系數(shù)作為無(wú)量綱量來(lái)衡量消浪板穩(wěn)水效果。穩(wěn)水系數(shù)是指布置傾斜式消浪板后的波高與未布置傾斜式消浪板的波高比值，即

(1)

式中，Ht為布置傾斜式消浪板后的波高；Hi為未布置傾斜式消浪板的波高。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 明渠水槽模型

物理模型試驗(yàn)采用的明渠水槽由有機(jī)玻璃制成[14]，糙率n=0.008 0，尺寸為11.0 m×0.3 m×0.9 m(長(zhǎng)×寬×高)，斜坡段坡度，幾何比尺λL=30∶1。明渠水槽布置如圖4所示。水槽末端安裝有消能柵欄，用以吸收波浪能量，減少波浪在末端的反射。

2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)在傾斜式消浪板前后各布置2個(gè)電容式數(shù)字浪高儀動(dòng)態(tài)采集波面歷時(shí)數(shù)據(jù)，板前布置的兩個(gè)浪高儀間距Δl1=0.30 m，其中，2號(hào)浪高儀與消浪板的距離為0.5 m；板后布置的兩個(gè)浪高儀間距Δl2=0.2 m，其中，3號(hào)浪高儀與離消浪板的距離為0.5 m。浪高儀量程為0.5 m，采樣時(shí)間間隔為0.01 s，測(cè)量精度為±0.1%FS，分辨率為0.01 mm，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)各工況在波浪穩(wěn)定后進(jìn)行采集，每個(gè)工況重復(fù)3次，每次試驗(yàn)中各浪高儀采樣數(shù)為10 000個(gè)，采樣時(shí)間為100 s，取3次試驗(yàn)波高特征值的平均值作為結(jié)果。

圖4 明渠水槽與傾斜式消浪板布置示意

表1 物理模型試驗(yàn)主要變量及范圍

2.3 傾斜式消浪板布置

傾斜式消浪板通過(guò)頂部支撐固定以達(dá)到試驗(yàn)所需的剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)以達(dá)到所需的浸水深度和傾斜角度。消浪板模型采用光滑有機(jī)玻璃板制成，尺寸為43.0 cm×30.0 cm×0.5 cm(長(zhǎng)×寬×厚)。消浪板的布置如圖5所示，本試驗(yàn)中浸水深度為2～16 cm，消浪板與靜水面的夾角為0°、±15°、±30°、±45°、±60°、±75°、90°。圖6給出了變量定義的示意，表1給出了試驗(yàn)的主要變量及其范圍。

圖5 傾斜式消浪板布置角度示意

圖6 模型試驗(yàn)的變量定義示意

3 穩(wěn)水特性分析與討論

試驗(yàn)通過(guò)上跨零點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)浪高儀測(cè)得的波面歷時(shí)數(shù)據(jù)，獲得其波高特征值并取平均值作為結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算得到穩(wěn)水系數(shù)St。本文繪制了穩(wěn)水系數(shù)St與無(wú)量綱浸水面積As/A、無(wú)量綱浸水深度ds/d和消浪板傾斜角度θ等參數(shù)的關(guān)系曲線，并對(duì)波浪作了頻譜分析。

3.1 無(wú)量綱浸水面積對(duì)穩(wěn)水特性的影響

由于本試驗(yàn)中消浪板的長(zhǎng)度均大于各工況的浸深，相同浸深工況隨傾斜角度的變化，消浪板的浸水面積會(huì)發(fā)生變化。本試驗(yàn)中浸水面積變化范圍為0.006～0.129 m2，無(wú)量綱浸水面積變化范圍為0.046 5～1.000 0，如圖7所示。

圖7 無(wú)量綱浸水面積隨消浪板傾斜角度的變化關(guān)系

在本試驗(yàn)工況中，對(duì)消浪板穩(wěn)水系數(shù)St與無(wú)量綱浸水面積As/A的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知：①當(dāng)無(wú)量綱浸水面積As/A≠1，即消浪板不完全浸沒(méi)水中時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水面積的增大而逐漸減小并趨近于0.4。這可能是由于當(dāng)消浪板貫穿水面布置時(shí)，無(wú)量綱浸水面積越大，消浪板與水面形成的“楔形”消浪區(qū)域就越大，波浪受阻礙作用和淺水效應(yīng)所需消耗的能量就越大。②當(dāng)消浪板完全浸沒(méi)水中時(shí)，結(jié)構(gòu)不直接阻礙表面波浪傳播，消浪主要依賴淺水效應(yīng)，效果受浸水深度影響。

圖8 穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水面積的變化關(guān)系

3.2 無(wú)量綱浸水深度對(duì)穩(wěn)水特性的影響

試驗(yàn)對(duì)穩(wěn)水系數(shù)St與無(wú)量綱浸水深度ds/d的關(guān)系進(jìn)行了分析。不同浸水深度下穩(wěn)水系數(shù)平均值如表2所示，發(fā)現(xiàn)傾斜式消浪板穩(wěn)水效果隨浸水深度的增大，呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律。

表2 不同浸水深度工況下穩(wěn)水系數(shù)平均值

3.2.1 消浪板水平布置

消浪板水平布置時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水深度的變化關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出，比較消浪板水平布置和穩(wěn)水系數(shù)平均值發(fā)現(xiàn)，傾斜式消浪板在貫穿水面布置、無(wú)量綱浸水深度大于0.11時(shí)，穩(wěn)水效果普遍優(yōu)于水平式消浪板。本試驗(yàn)中，水平式消浪板穩(wěn)水系數(shù)St在無(wú)量綱浸水深度ds/d=0.06時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)最小穩(wěn)水系數(shù)為0.445；當(dāng)0.06≤ds/d<0.28時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水深度的增大而逐漸增大；當(dāng)ds/d≥0.28時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)增加至1.0，表明此時(shí)水平消浪板幾乎沒(méi)有消浪作用。究其原因是水平式消浪板的消浪機(jī)理主要為波浪的淺水效應(yīng)，主要受浸水深度影響，當(dāng)浸水深度增大時(shí)，板的淺水效應(yīng)迅速變?nèi)?，穩(wěn)水系數(shù)增大，穩(wěn)水效果變差。

圖9 消浪板水平布置時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水深度的變化關(guān)系

3.2.2 消浪板傾斜布置

消浪板傾斜布置，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水深度的變化關(guān)系如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)消浪板以±15°的角度傾斜布置時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)St隨無(wú)量綱浸水深度ds/d的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，其中+15°和-15°的最小穩(wěn)水系數(shù)分別為0.353和0.351，對(duì)應(yīng)無(wú)量綱浸水深度分別為0.33和0.28。這是由于當(dāng)消浪板以±15°的角度傾斜布置、無(wú)量綱浸水深度ds/d≥0.33時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全浸沒(méi)在水中，此時(shí)消浪結(jié)構(gòu)不直接阻礙表面波浪傳播，主要依賴淺水效應(yīng)發(fā)揮作用，受浸水深度影響較大，穩(wěn)水系數(shù)隨浸水深度的增大而增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，+15°和-15°傾斜布置的消浪板分別在0.11≤ds/d≤0.39和0.11≤ds/d≤0.28時(shí)，可有效消減50%以上的波浪高度，即兩者的最優(yōu)穩(wěn)水效果沒(méi)有差異，但+15°布置比-15°布置的消浪板有更大的浸水深度適用范圍。

當(dāng)消浪板以±30°、±45°、±60°、±75°和90°傾斜布置時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)St隨無(wú)量綱浸水深度ds/d的增大呈現(xiàn)逐漸減小并趨近于0.4的變化趨勢(shì)，最小穩(wěn)水系數(shù)出現(xiàn)在無(wú)量綱浸水深度ds/d=0.44，消浪板以-30°傾斜布置時(shí)，極小值為0.278。根據(jù)消浪板以±15°布置的變化規(guī)律可以預(yù)見(jiàn)，隨無(wú)量綱浸水深度進(jìn)一步增大，穩(wěn)水系數(shù)達(dá)到最小值后將逐漸增大。

圖10 消浪板傾斜布置，穩(wěn)水系數(shù)隨無(wú)量綱浸水深度的變化關(guān)系

3.3 傾斜角度對(duì)穩(wěn)水特性的影響

試驗(yàn)對(duì)穩(wěn)水系數(shù)St與傾角θ的關(guān)系進(jìn)行了分析。不同傾斜角度下穩(wěn)水系數(shù)平均值見(jiàn)表3。從表3可知，傾斜式消浪板穩(wěn)水效果整體隨傾斜角度絕對(duì)值的增大，呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律。

表3 不同傾斜角度工況下穩(wěn)水系數(shù)平均值

3.3.1 正負(fù)傾角對(duì)穩(wěn)水特性的影響

穩(wěn)水系數(shù)隨消浪板傾斜角度的變化關(guān)系如圖11所示。從圖11可知：①當(dāng)消浪板以±15°、±30°和±45°的角度布置，無(wú)量綱浸水深度ds/d≤0.17時(shí)，正傾斜角度比負(fù)傾斜角度工況有略小的穩(wěn)水系數(shù)，原因是負(fù)角度傾斜式消浪板會(huì)引導(dǎo)部分水流向下傳播，在與中等水深的顆粒相互作用后一部分能量傳播到消浪板后，使得板后波浪的擾動(dòng)加劇，穩(wěn)水系數(shù)偏大。②當(dāng)無(wú)量綱浸水深度ds/d>0.17，消浪板未完全浸沒(méi)工況，負(fù)傾斜角度相比正傾斜角度工況有略小的穩(wěn)水系數(shù)，這是由于隨浸深增大，經(jīng)負(fù)角度傾斜式消浪板引導(dǎo)向下傳播的水流與水底層低能量顆?；旌喜⑴c明渠水槽底部發(fā)生碰撞，從而削減了向下游傳播的波浪。③當(dāng)消浪板以±60°、±75°和90°的角度傾斜布置時(shí)，正、負(fù)傾斜角度工況穩(wěn)水系數(shù)沒(méi)有差異。這是由于隨傾斜角度的增大，結(jié)構(gòu)趨向于垂直布置，波浪的垂直反射作用增大，負(fù)角度傾斜式消浪板引導(dǎo)水流向下傳播的作用逐漸減弱。

圖11 穩(wěn)水系數(shù)隨消浪板傾斜角度的變化關(guān)系

從穩(wěn)水效果看，在不同的浸水深度、傾斜角度等條件下，消浪板正、負(fù)傾斜角度布置最大可能產(chǎn)生10%的效果差異，但整體而言穩(wěn)水效果不存在區(qū)別。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)消浪板正傾斜角度布置時(shí)，板前水位雍高；負(fù)傾斜角度布置時(shí)，消浪板不易固定，且將引導(dǎo)水流持續(xù)沖刷明渠水槽底部。

3.3.2 傾角大小對(duì)穩(wěn)水特性的影響

在無(wú)量綱浸水深度ds/d=0.06時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)St隨消浪板傾斜角度絕對(duì)值|θ|增大而逐漸增大。在0.11≤ds/d≤0.28工況，當(dāng)|θ|≤15°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而快速減??；當(dāng)|θ|>15°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而逐漸增大，此時(shí)最小穩(wěn)水系數(shù)位于θ=±15°處。在0.33≤ds/d≤0.39工況，當(dāng)0°≤θ≤15°和-30°≤θ≤0°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而快速減??；當(dāng)θ>15°和θ<-30°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而逐漸增大。在ds/d=0.44工況，當(dāng)0°≤|θ|≤30°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而快速減小；當(dāng)|θ|>30°時(shí)，穩(wěn)水系數(shù)隨傾角絕對(duì)值的增大而逐漸增大，此時(shí)最小穩(wěn)水系數(shù)位于θ=±30°處。

3.4 傾斜式消浪板波浪頻譜特征分析

為探究?jī)A斜式消浪板的消浪機(jī)理、波浪特征，試驗(yàn)對(duì)布置傾斜式消浪板前后的波浪進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，在無(wú)量綱浸水深度ds/d=0.22工況，當(dāng)傾斜角度為±30°、±60°和90°時(shí)，消浪板可以明顯削減入射的波浪能量，尤其是頻率大于2 Hz的波浪能量均得到了較大幅度的消減，這說(shuō)明消浪板與明渠水槽波浪的相互作用能極大耗散波浪中頻率大于2 Hz部分能量。此外，從圖12b還可知，當(dāng)消浪板以60°傾斜布置時(shí)，相比于-60°工況，其在低頻區(qū)域產(chǎn)生了擾動(dòng)波浪成分。

圖12 無(wú)量綱浸水深度為0.22時(shí)，不同傾斜角度消浪板的波浪譜

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究分段低壓輸水系統(tǒng)長(zhǎng)明流段中傾斜式消浪板的穩(wěn)水特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波浪傳播至傾斜式消浪板前，首先受淺水效應(yīng)影響波浪形態(tài)發(fā)生改變，然后波浪在消浪板上發(fā)生破碎，繼而水體沿斜面上涌、爬升，同時(shí)在消浪板前隨波浪周期產(chǎn)生間歇性的吸氣漩渦。

(2)本試驗(yàn)中，傾斜式消浪板的穩(wěn)水效果隨無(wú)量綱浸水面積的增大而增強(qiáng)，而隨浸水深度和傾角絕對(duì)值的增大均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律。當(dāng)消浪板貫穿水面傾斜布置、無(wú)量綱浸水深度大于0.11時(shí)，穩(wěn)水效果優(yōu)于水平式消浪板，特別對(duì)波浪中頻率大于2 Hz的波浪成分有比較好的削減效果，消浪機(jī)理主要為板的淺水效應(yīng)、直接阻礙效應(yīng)和引導(dǎo)高、低能量水體混合效應(yīng)。

(3)從穩(wěn)水效果看，在不同的浸水深度、傾斜角度等條件下，消浪板正、負(fù)傾斜角度布置最大可能產(chǎn)生10%的效果差異，但整體而言穩(wěn)水效果不存在區(qū)別。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)消浪板正傾斜角度布置時(shí)，板前水位雍高；負(fù)傾斜角度布置時(shí)，消浪板不易固定，且將引導(dǎo)水流持續(xù)沖刷明渠水槽底部。