1、第八章第八章 急流急流冲击波冲击波与与滚波滚波8.1概述概述在急流中，由于边界条件的变化使在急流中，由于边界条件的变化使水流产生扰动水流产生扰动，下游，下游形成形成一系列呈菱形的扰动波，这种波称为一系列呈菱形的扰动波，这种波称为急流急流冲击波冲击波。在底坡在底坡坡度大于临界坡度大于临界底坡坡度数倍的平直陡槽中，若槽身较底坡坡度数倍的平直陡槽中，若槽身较宽，水深较浅宽，水深较浅，每，每隔隔一段距离一段距离后，出现一个又一个后，出现一个又一个波，其波前横贯波，其波前横贯渠渠槽，槽，波速大于水流波速大于水流流速，时常还会出现较大的波流速，时常还会出现较大的波追上较小追上较小的波及的波及较小较小的波的
2、波合并成较大的合并成较大的波，这种波动称为波，这种波动称为滚波，滚波，发生滚波的水流称发生滚波的水流称为为超急流超急流。冲击波对水利水电工程冲击波对水利水电工程有两方面有两方面不利影响不利影响：1、冲击波、冲击波使水流使水流局部壅，故边墙必须加高局部壅，故边墙必须加高，从而加大了工程，从而加大了工程造价造价；2、冲击、冲击波传播到下游出口处，使水流部分集中增加了消能波传播到下游出口处，使水流部分集中增加了消能的困难的困难。8.2急流冲击波的形成及数学描述急流冲击波的形成及数学描述8.2.1 急流急流冲击波的形成冲击波的形成急流具有很大的惯性，当急流具有很大的惯性，当遇到边墙偏转遇到边墙偏转的阻
3、碍，便使边墙受的阻碍，便使边墙受到冲击作用，到冲击作用，边墙也边墙也对水流施加反力，迫使水流沿边墙转向，产生对水流施加反力，迫使水流沿边墙转向，产生动量变化，造成水面的局部扰动动量变化，造成水面的局部扰动。这种。这种扰动以波的形式在明槽内传扰动以波的形式在明槽内传播播。由于急流受到边界扰动而形成的划分扰动区域的斜线称为由于急流受到边界扰动而形成的划分扰动区域的斜线称为扰扰动线动线。扰动扰动线和原水流运动方向的夹角线和原水流运动方向的夹角1称为称为扰动角扰动角。边界的变化是急流中产生冲击波的边界的变化是急流中产生冲击波的外因外因，而急流的巨大，而急流的巨大惯性惯性则则是产生冲击波是产生冲击波的的
4、内因内因。8.2.2 小波高急流小波高急流冲击波冲击波的计算的计算冲击波形成后，水流的水深、流速的变化及波角的大小显然冲击波形成后，水流的水深、流速的变化及波角的大小显然与水流原来的与水流原来的性质及性质及引起扰动的外在条件引起扰动的外在条件有关。有关。水流的水深、流速的水流的水深、流速的变化可用变化可用扰动前水流的扰动前水流的弗劳德数表示，弗劳德数表示，波波角的大小角的大小主要主要是边墙的偏转是边墙的偏转角。角。对于小波高急流冲击波，由于波高很小，近似考虑对于小波高急流冲击波，由于波高很小，近似考虑h1=h2，此此时的水力要素可通过下式得出时的水力要素可通过下式得出式中，式中，为边墙最终偏转
5、为边墙最终偏转角，角，Fr为总偏转角对应为总偏转角对应的值，的值， 1为积分常数，为积分常数，当当=0时，时，Fr为边墙发生为边墙发生偏转时的偏转时的Fr。122313arctanarctan11FrFr8.2.3 大大波高急流波高急流冲击波冲击波的计算的计算如果冲击波波峰如果冲击波波峰陡峻陡峻，扰动线两侧水深相差较大，扰动线两侧水深相差较大，波角就不波角就不能能用上式进行用上式进行简化简化计算计算，同时在波峰同时在波峰上也上也有能量损失。此时，通过有能量损失。此时，通过下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。12121211tantan1tanh hh h
6、22112221111 8sin3tan2tan11 8sinFrFr 2111tantanhh8.2.4 冲击波的反射与干扰冲击波的反射与干扰水流水流沿一侧偏转的边墙的流动，而末考虑沿一侧偏转的边墙的流动，而末考虑对岸边墙传来对岸边墙传来的扰的扰动的影响。实际上，在泄水建筑物中由两岸动的影响。实际上，在泄水建筑物中由两岸边墙产生边墙产生的的冲击波相互冲击波相互干扰，使波加强或减弱，从而在下游形成复杂的扰动波形图干扰，使波加强或减弱，从而在下游形成复杂的扰动波形图。根据冲击波之间反射与干扰的原理，可以设法消除扰动波根据冲击波之间反射与干扰的原理，可以设法消除扰动波。A点产生一个负波点产生一个负
7、波(水面跌落水面跌落)，以波，以波角横穿角横穿渠槽传渠槽传到到B点，点，B点点反射的反射的负波扰动线将与负波扰动线将与B点因边墙向内偏转所产生的正波点因边墙向内偏转所产生的正波(水面蛮高水面蛮高)扰动扰动线相重合，正、负波相互抵消，所以不再有扰动线相重合，正、负波相互抵消，所以不再有扰动产生。产生。8.3急流收缩段冲击波计算急流收缩段冲击波计算8.3.1 急流收缩段的合理曲线急流收缩段的合理曲线对于长度对于长度相同的同一收缩段相同的同一收缩段，缓流时收缩，缓流时收缩段采用渐变曲线连段采用渐变曲线连接时水流流态最好。在通过急流的直槽中接时水流流态最好。在通过急流的直槽中，一般采用两侧对称的，一般
8、采用两侧对称的逐逐渐收缩的边墙渐收缩的边墙，可以是直线，可以是直线收缩段和两个反圆弧渐变收缩收缩段和两个反圆弧渐变收缩段。段。急流急流中边墙中边墙收缩产生冲击波的收缩产生冲击波的最大波高是由总偏转角决定，最大波高是由总偏转角决定，和边墙的偏转过程和边墙的偏转过程无关。无关。对于对于长度相同的收缩段，直线收缩段的总长度相同的收缩段，直线收缩段的总偏角偏角 比单曲线渐比单曲线渐变变收缩段的总收缩段的总偏角偏角 及及反曲线渐变收缩段的总反曲线渐变收缩段的总偏角偏角 都都要小，要小，因此因此，直线收缩段的冲击波最低。，直线收缩段的冲击波最低。8.3.2 直线直线收缩段冲击波收缩段冲击波的计算的计算31
9、122tan2tanbbL132tanbbL3 23333131111h uhFrbbh uhFr一般已知一般已知确定确定 。11113hubb b、 、 和3Lh、 、8.4急流扩散段冲击波计算急流扩散段冲击波计算明渠急流扩散段的主要扩散形式有三类：明渠急流扩散段的主要扩散形式有三类：1、平底、平底明渠明渠扩散段；扩散段；2、陡坡、陡坡明渠明渠扩散段；扩散段；3、反、反弧弧(凹曲面凹曲面)段。段。8.4.1 平底明渠扩散段平底明渠扩散段1、平底明渠突扩段、平底明渠突扩段对于突扩在有限宽度的槽道内对于突扩在有限宽度的槽道内1cot2LBb10.30.54Fr2、平底明渠渐扩段、平底明渠渐扩段边
10、墙曲线的最佳形式为：边墙曲线的最佳形式为：3 21111122yxbb Fr2、平底明渠渐扩段、平底明渠渐扩段边墙曲线的最佳形式为：边墙曲线的最佳形式为： 对于不同对于不同b2/b1，边墙形式如图。边墙形式如图。3 21111122yxbb Fr3、圆形隧洞出口后的矩形扩散段、圆形隧洞出口后的矩形扩散段明渠扩散段边界计算方法：明渠扩散段边界计算方法： 扩散点位置：扩散点位置： 扩散角：扩散角：x为隧洞出口至边墙扩散点的距离，为隧洞出口至边墙扩散点的距离，d为隧洞直径，为隧洞直径，Fr1为隧洞出口为隧洞出口处水流弗劳德数。处水流弗劳德数。210.43.5xFrd0.521arctan10.4Fr
11、8.4.2 陡坡陡坡明渠扩散段明渠扩散段适用于适用于p=0.510m，tan=1/1.51/5。lgsinpBkC22.50.5tantan1.315qQpg8.5急流弯道冲击波计算急流弯道冲击波计算8.5.1 急流弯道冲击波形态急流弯道冲击波形态8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算较大半径情况下急流冲击波的计算1、试验结果、试验结果02arctan2tanbrb22sin2uhg8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算较大半径情况下急流冲击波的计算2、小扰动法理论成果、小扰动法理论成果水平弯道最大水深与上游来流水平弯道最大水深与上游来流水深之差水深之差扰动周期扰动周期2000.5ln
12、0.5mrbuhgrb20100.53601ln0.5rbFrrb8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算较大半径情况下急流冲击波的计算2、小扰动法理论成果、小扰动法理论成果纵向底坡为纵向底坡为的弯道最大水深的弯道最大水深与上游来流水深之差与上游来流水深之差扰动周期扰动周期2000.5lncos0.5mrbuhgrb20100.53601lncos0.5rbFrrb8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算较大半径情况下急流冲击波的计算2、小扰动法理论成果、小扰动法理论成果水平弯道最大水深与上游来流水平弯道最大水深与上游来流水深之差水深之差扰动周期扰动周期2000.5ln0.5mrbuhgr
13、b20100.53601ln0.5rbFrrb8.5.3 较小半径情况下急流冲击波的计算较小半径情况下急流冲击波的计算对于小半径的宽浅式弯道对于小半径的宽浅式弯道，当当弯道弯道半径与渠宽之比半径与渠宽之比于于r0/b10，急流水深与急流水深与渠宽之比较渠宽之比较小，且底小，且底坡较大坡较大，则流经弯道的水流在凹岸，则流经弯道的水流在凹岸因冲击而破裂，在凸岸因冲击而破裂，在凸岸则脱离则脱离边墙，甚至还会出边墙，甚至还会出现局露底现象，此现局露底现象，此时时最大水深可能最大水深可能位于弯道位于弯道末端，末端，严重者严重者甚至位于下游直槽中甚至位于下游直槽中。建议。建议估算最大水深估算最大水深hm的
14、的经验公式经验公式为为估算最大水深出现纵向位置的经验公式为：估算最大水深出现纵向位置的经验公式为：2 310002.10.84mhbFrbhrr0.50.4550.3002.5xmLrbhbh8.5.4 弯道上急流冲击波的控制弯道上急流冲击波的控制为了控制冲击波的形成而加高边墙是不经济的，因此设计急为了控制冲击波的形成而加高边墙是不经济的，因此设计急流陡槽宜尽量流陡槽宜尽量避免设置弯道段，以免造成冲击波超高。避免设置弯道段，以免造成冲击波超高。从冲击波的从冲击波的特性出发考虑特性出发考虑合理的消减冲击波的方法。合理的消减冲击波的方法。主要有两种方法：主要有两种方法： 复合曲线法、槽底横向超高法
15、复合曲线法、槽底横向超高法。8.5.4 弯道上急流冲击波的控制弯道上急流冲击波的控制1、复合曲线法、复合曲线法由于扰动波有正有负，因此可以考虑加入扰动波，使新加扰由于扰动波有正有负，因此可以考虑加入扰动波，使新加扰动波与原扰动波之间相互干涉达到消减的目的。复合曲线法即在此动波与原扰动波之间相互干涉达到消减的目的。复合曲线法即在此思路上引入两段曲线，分别位于曲线段的前后进行消减冲击波，引思路上引入两段曲线，分别位于曲线段的前后进行消减冲击波，引入曲线段的曲率半径为原曲线段半径的入曲线段的曲率半径为原曲线段半径的两倍，中心角应为：两倍，中心角应为：arctan0.5tanttbrb8.5.4 弯道
16、上急流冲击波的控制弯道上急流冲击波的控制2、槽底横向超高法、槽底横向超高法该法是该法是从消除边墙对水流造成的扰动来考虑。从消除边墙对水流造成的扰动来考虑。由由弯道曲线弯道曲线段段的起点逐渐降低槽底的内侧，的起点逐渐降低槽底的内侧，或抬高外或抬高外侧，或联合进行，以形成一侧，或联合进行，以形成一定的定的横向坡度，这样横向坡度，这样便有重力沿横向坡度方向的分力作用于水流的便有重力沿横向坡度方向的分力作用于水流的每个质点，使其有每个质点，使其有向心向心的加速度能够自由转弯。这时边墙对水流的的加速度能够自由转弯。这时边墙对水流的作用和在直段一样，不另外施加作用和在直段一样，不另外施加侧力侧力迫使水流转
17、向，因此就不会产迫使水流转向，因此就不会产生扰动生扰动。槽槽底横向坡度为：底横向坡度为：2sincuigr8.6滚波现象滚波现象滚波与滚波与冲击波是完全冲击波是完全不同不同的。冲击波是由于的。冲击波是由于边界改变而边界改变而产产生，其生，其波动形状及波动形状及位置都是位置都是固定固定的。而滚波则破坏了水流的。而滚波则破坏了水流的恒定的恒定状态。滚波的产生使陡槽水面突状态。滚波的产生使陡槽水面突然升高然升高，要求，要求边墙加高；边墙加高；同时，同时，增加增加了下游了下游消能的困难。消能的困难。在在一般陡槽一般陡槽中，水流中，水流在重力、在重力、惯性力惯性力及摩及摩阻力作用下维持平衡。阻力作用下维持平衡。当局部干扰引起当局部干扰引起波动后，由于波动后，由于摩阻摩阻力力的作用的作用，波高逐渐，波高逐渐衰减至消失。衰减至消失。在在底底坡较大坡较大的陡槽的陡槽中，重力中，重力的分力的分力及及惯性力大，摩惯性力大，摩阻力阻力相对减小，摩相对减小，摩阻力不阻力不足以衰减扰动波。足以衰减扰动波。波高反而波高反而不断沿流程增长不断沿流程增长，就，就形成形成了滚波。了滚波。因此，因此，陡槽摩阻力陡槽摩阻力相对太相对太小是形成小是形成滚波的根本原因滚波的根本原因。
