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)水利工程國家重點實驗室培育基地，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)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和水利建設(shè)的迅速發(fā)展，高壩的增多，高速水力學(xué)的問題日益突出。特別是高水頭泄水建筑物的消能防沖問題成為水利工程界十分關(guān)注的問題。根據(jù)高速水流理論，對挑流水舌在空中的擴散、摻氣的正確認識和準確預(yù)測是減少沖刷和霧化的關(guān)鍵之一。通過改變水舌特性有效地解決高速水流帶來的沖刷問題，在理論分析和原型觀測獲得了大量的研究成果[1-5]。

對挑流水舌特性的研究十分重要。劉宣烈等先后對空中水舌運動特性[6]和三元空中水舌摻氣擴散特性進行研究[2]，取得一些初步成果。謝曌等[7]對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)、水舌擴散特性；劉宣烈等[8]在分析影響挑流水舌運動因素的基礎(chǔ)上，對挑流水舌在重力及空氣阻力作用下的運動特性進行了探討，提出了考慮空氣阻力影響的水舌挑距計算式；劉斌等[9]通過模型試驗和數(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動時紊動劇烈，砸落水墊時紊動能耗散迅速，有利于下游防沖的觀點。他們的研究對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算方法和空氣阻力、挑坎體型，摻氣對水舌特性的影響及挑流對霧化和沖刷的影響，并提出進一步的研究建議。

1 挑流水舌挑距計算

挑流運動示意圖見圖1。

1)等寬挑坎挑距按拋射體理論計算挑流水舌挑距，根據(jù)質(zhì)點運動的拋射體理論，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)窄縫挑坎挑距計算

戴振霖等[10]根據(jù)深孔平底窄縫挑坎的試驗給出窄縫外緣挑距計算式：

(4)

關(guān)于窄縫挑坎內(nèi)緣挑距計算，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算,并在水工模型試驗中驗證。挑距的計算應(yīng)考慮多方面的因素, 特別是阻力、水舌擴散對挑距的影響。

2 影響挑流水舌的因素

2.1 空氣阻力對挑流水舌的影響

劉宣烈等[8]在分析影響挑流水舌運動因素的基礎(chǔ)上，對挑流水舌在重力及空氣阻力作用下的運動特性進行了探討，得出了考慮空氣阻力時挑流水舌基本方程和運動軌跡；總結(jié)出挑流水舌的運動與不計空氣阻力相比有如下的特性：①水舌運動軌跡是不對稱的，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動軌跡的頂點，而在降弧上;③位于運動軌跡同一高程升弧和降弧的兩個斷面上的平均流速是不同的，升弧上的比降弧上的大;④水平挑距比不計空氣阻力時小。

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

2.2 挑坎體型對挑流水舌的影響

1) 莫海春等[11]通過對斜切挑坎水舌入水寬度隨切角變化，以威遠江水電站工程資料為依據(jù)，采用傳統(tǒng)水力學(xué)計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，且兩者的相關(guān)關(guān)系滿足曲線方程。 高、低挑坎水舌的挑距差隨切角增大而逐漸增大，水舌的實際入水寬度逐漸延長，增加了水與空氣的接觸面積，有利于能量耗散。

2) 劉斌等[9]通過模型試驗和數(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、水舌及下游紊動能和紊動能耗散率進行比較分析，得出了加貼角后斜挑體型的新特征。對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單側(cè)岸坡的沖刷，且挑流在空中運動時紊動劇烈，砸落水墊時紊動能耗散迅速，有利于下游消能防沖。

3)寧利中[12]對窄縫挑流的水舌流態(tài)進行研究，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,水舌呈整體擴散狀水股,此區(qū)長約為挑坎末端水深的1.5～3.0倍;③擴散、摻氣區(qū),水舌外緣挑角在45°左右(小于“水冠”部分出射角),當距出口距離大于1.5～3.0倍坎末水深時,水舌在空中不再呈整體水股,而是分散成許多細股狀。

4)吳文平等[13]對窄縫挑流水舌的運動擴散規(guī)律與傳統(tǒng)的挑流鼻坎相比,窄縫挑流水舌有兩個顯著特點: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)生流線彎曲,出坎水流各質(zhì)點具有不同的運動方向,在縱向產(chǎn)生運動擴散。

5)朱雅琴等[14]對舌形挑流鼻坎水力特性進行研究得出了舌形挑坎與常規(guī)挑坎相比，挑射水舌的橫向擴散寬度明顯增加，且下泄流量越大，橫向擴散的優(yōu)勢越明顯，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水墊塘底板的沖擊動壓。

一般說來,水舌縱向流速分量遠大于橫向分量,且沿河床縱向空間擴散不受限制,對比幾種挑坎體型，窄縫挑流水舌在縱向空間能夠得到充分擴散。水舌在縱向空間的充分擴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用適當，如果選擇的挑坎不能讓水舌良好的擴散，對沖刷就會有很大的影響。

2.3 摻氣對水舌的影響

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動，得到了摻氣水舌運動軌跡方程、水平射距公式以及摻氣水舌的入水角、入水速度和曲線長度表達式，并通過工程實測資料與計算對比，發(fā)現(xiàn)計算值與實測值十分相近。說明此計算方法在實際工程中有一定的應(yīng)用價值。

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

(6)

式中ρa，ρw分別為空氣和水的密度;b,h為水舌未摻氣時的斷面寬度和厚度。

3)孫建[17]通過對前人研究的總結(jié)，應(yīng)用動量方程分析了原型摻氣水舌厚度擴散角，同時給出了摻氣濃度的預(yù)報方法，提出了空氣阻力系數(shù)計算公式:

(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]對挑坎射流所受擴散摻氣的影響進行了專門的研究。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。當挑角θ≤35°時有如下公式：

(8)

5)鄧軍等[19]研究了摻氣對基巖沖刷的影響，實驗結(jié)果表明:摻氣對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對沖坑深度的影響，可表達為摻氣濃度與沖坑無量綱深度的冪函數(shù)關(guān)系。

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

3 挑流水舌對沖刷的影響

挑流水舌對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)心的重要問題.

1)吳文平[20]根據(jù)窄縫挑流水舌的橫向收縮及縱向擴散特征,從能量觀點出發(fā),得到了窄縫挑流水舌沖坑平衡水深的估算公式,并對窄縫挑流沖刷特性進行分析，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重;戴振霖等[21]對比窄縫和等寬的水舌特性，初步對窄縫流水舌促進消能、減輕沖刷的機理進行了研究。得出窄縫式消能工局部沖刷深度估算公式。

2)尹韜等[22]對斜鼻坎挑流進行試驗，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；同時水舌呈斜向大幅拉開，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能，有效減輕下游河床的沖刷。

3)黃智敏等[23]研究差動式挑流鼻坎沖深特性，差動式高、低坎挑射水舌的下游入水位置沿下游河床縱向拉開擴散，減小了下游入水的單位面積能量。對差動式挑坎消能增大系數(shù)β的影響因素進行了初步探討，從而對差動式挑流鼻坎沖刷深度計算有了進一步的研究。

對比窄縫挑坎與等寬挑坎水舌對沖刷的影響，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、紊動和空氣阻力消耗一部分能量,但大部分射流能量進入下游河床,故沖刷嚴重。而窄縫挑流水舌充分擴散與空氣接觸面積增大，摻氣促進水舌擴散碎裂,使水流表面的粗糙增大,從而提高空中消能率。

4 挑流水舌對霧化的影響

研究表明水舌空中擴散摻氣、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種來源。其中水舌入水噴濺是主要的霧化源,挑流水舌對霧化的影響很大，但對霧化的研究相對較難，許多學(xué)者通過模型實驗和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對此進行了研究。

1)李渭新等[24]根據(jù)所搜集到的泄洪霧化原型觀測資料以及部分模型試驗資料，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性關(guān)系。

2)胡敏良[25]運用原型觀察結(jié)合圖像處理研究霧化強度分布得出了采用高低坎、舌形坎等水流碰撞消能，對工程霧化不利，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，對挑流霧化問題進行了深入研究，建立了挑流霧化計算新的數(shù)學(xué)模型。重點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)向擴散等關(guān)鍵問題。從霧化角度出發(fā)，對工程防護提出了建議。

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)的非線性處理能力較強,對于泄洪霧化這樣多因素相互作用的復(fù)雜的非線性關(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算,求解速度快,操作簡單方便。

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象，通過專項濺水模型試驗研究，得到了泄洪霧化范圍的雨強等值線圖。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、橫向拉開消能，但對挑流水舌摻氣和水舌入水時濺水形成的霧化現(xiàn)象必須考慮，這對環(huán)境的影響又是非常嚴重的。

5 結(jié) 論

1)許多學(xué)者對挑流水舌挑距進行了研究，得出了摻氣和未摻氣情況下的挑距公式。通過模型實驗和數(shù)值模擬得出了一些影響水舌的因素，應(yīng)該進一步考慮風(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、橫向拉開消能，但也要考慮對挑流水舌摻氣和水舌入水時濺水形成的霧化現(xiàn)象。

3)采用數(shù)值模擬方法對水舌進行模擬，得到與實驗較吻合的結(jié)果，可簡化工作量，對以后的工程建設(shè)可采用數(shù)值模擬和模型試驗相對比進行研究。

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