淺析水工建筑物中沖擊波對正槽溢洪道泄槽的影響

宋丹青

（蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000）

1 沖擊波對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十分重要的水工建筑物，由于水庫需要調節庫容，所以需要布置泄水建筑物。泄水建筑最常見的形式是溢洪道，其主要作用是宣泄水庫不能容納的洪水，避免洪水漫頂，保障大壩的安全運行。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、消能設施和尾水渠組成。其中泄槽是溢洪道中一項重要的組成部分，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，水流受到了強烈的擾動，非常容易產生沖擊波。同時產生的沖擊波影響的范圍可能延伸非常遠，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，就會造成溢洪道無法正常宣泄水庫所不能容納的洪水，結果可能會造成大壩局部垮塌，甚至導致潰壩。故此，我們要對水流產生的沖擊波對泄槽的影響要著重了解和研究，對于泄槽的設計要基于地質、水流條件、地形等綜合因素考慮。

2 沖擊波理論及影響機理

沖擊波是一種不連續峰在媒介中的傳播，沖擊波峰造成介質的溫度、壓強等性質的不連續性改變。如核爆炸時的爆炸中心壓力急劇升高上升，令周圍氣體強烈振動產生的波動[1]。沖擊波波速以超音速從爆炸中心往周圍擴散，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、流速在不連續性變化、方向在不斷改變而產生的水流沖擊波，對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生的復雜水流。因為水流有較大的慣性，在彎道流動時由于邊墻的作用，會使水流的方向改變，高速水流會對邊墻產生沖擊波，由于牛頓定律力的作用是相互的，同時邊墻也會使水流動量改變，形成水流的局部雍高。水流產生的沖擊波在泄槽內傳播，當沖擊波到達的時候，水流已經先前流過一段距離，所以，沖擊波在開始產生的地方下游形成一段較大的影響范圍。同時，和邊墻的距離逐漸變遠，越靠近下游，就會在這個影響區域內產生一條擾動線，這條線與原來水流所形成的角度就是波角。水流內部由于邊墻的偏轉，會出現水面雍高，水流產生擾動，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，流速為v。在泄槽平邊墻靜止不動，微元內水流沒有橫向移動。到了收縮段，固壁擋墻在微元中向里運動迫使水體運動。和明渠類似，微元內會形成斷波。泄槽平面內，斷波不能傳播到上游，其波峰的橫向移動和水流移動綜合作用形成了急流沖擊波。些沖擊波會沖擊泄槽內的邊墻和出口，這又由于高速水流產生的沖擊波攜帶大量的能量，所以也會對消能設施的布置要較高要求[2]。

3 減少沖擊波對泄槽段影響措施

高速水流產生的沖擊波在泄槽內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的是對稱收縮，基于沖擊波理論，最大沖擊波波高取決于側墻偏轉角θ，θ越大，沖擊波的波高也就越大，但和邊墻的偏轉曲率沒有關系[3]。其中，可見適當減小側邊墻偏轉角可以減小波高。對于縱波來說，可以避免產生因水流過急而產生水流溢出，根據具體的地形條件參照諾謨圖計算出θ，收縮段的長度。速水流產生的沖擊波是一種機械波，機械波的能量與頻率的平方、振幅的平方成正比，和介質的密度成正比。

高在泄槽擴散段，高速水流與邊墻有密切關系，水流和邊墻容易分離，會形成正沖擊波與負沖擊波。可以使用斷波理論闡述負擾動波的產生機理，把向外偏轉的擴散段邊墻看作與水體相背的運動，產生的斷波是逆行落水波，然后在高速流水中形成負擾動波。負擾動波不同于正擾動波，負擾動波的逆行落水是發散的，波形平緩，與斷波波峰假設相差懸殊。自然擴散角，等同于檔板背離水體運動速度高于擋板被瞬間撤去時水流的速度。邊墻不能約束水流，波高和擾動波波角與θ沒有關系。

對于設置彎曲段，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，這樣可以減少沖擊波的不利影響。

因此，對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，根據地形合理設計側墻偏轉角θ，在彎曲段控制轉彎半徑等。由于關于泄槽擴散沖擊波理論尚待深入研究，在建設大型工程時，要在設計后通過模型試驗進行驗證。對于下游的消能設施，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，經過出口后互相撞擊，并且消力墩表面的摩阻力會消耗一部分水流能量，減小水產生的強烈紊動。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，縮短消力池長度，降低工程造價。

[1] 樊有鋒，劉韓生，姬春利.對稱直線收縮段急流沖擊波的水力計算[J].中國農村水利水電，2009（10）.

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

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