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1、第八章 急流冲击波与滚波 8.1概述 在急流中，由于边界条件的变化使水流产生扰动，下游形成一系列呈菱形的扰动波，这种波称为急流冲击波。 在底坡坡度大于临界底坡坡度数倍的平直陡槽中，若槽身较宽，水深较浅，每隔一段距离后，出现一个又一个波，其波前横贯渠槽，波速大于水流流速，时常还会出现较大的波追上较小的波及较小的波合并成较大的波，这种波动称为滚波，发生滚波的水流称为超急流。,冲击波对水利水电工程有两方面不利影响： 1、冲击波使水流局部壅，故边墙必须加高，从而加大了工程造价； 2、冲击波传播到下游出口处，使水流部分集中增加了消能的困难。,8.2急流冲击波的形成及数学描述 8.2.1 急流冲击波的形成
2、 急流具有很大的惯性，当遇到边墙偏转的阻碍，便使边墙受到冲击作用，边墙也对水流施加反力，迫使水流沿边墙转向，产生动量变化，造成水面的局部扰动。这种扰动以波的形式在明槽内传播。 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扰动线。 扰动线和原水流运动方向的夹角1称为扰动角。 边界的变化是急流中产生冲击波的外因，而急流的巨大惯性则是产生冲击波的内因。,8.2.2 小波高急流冲击波的计算 冲击波形成后，水流的水深、流速的变化及波角的大小显然与水流原来的性质及引起扰动的外在条件有关。 水流的水深、流速的变化可用扰动前水流的弗劳德数表示，波角的大小主要是边墙的偏转角。,对于小波高急流冲击波，由于波
3、高很小，近似考虑h1=h2，此时的水力要素可通过下式得出 式中，为边墙最终偏转 角，Fr为总偏转角对应 的值， 1为积分常数， 当=0时，Fr为边墙发生 偏转时的Fr。,8.2.3 大波高急流冲击波的计算 如果冲击波波峰陡峻，扰动线两侧水深相差较大，波角就不能用上式进行简化计算，同时在波峰上也有能量损失。此时，通过下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。,8.2.4 冲击波的反射与干扰 水流沿一侧偏转的边墙的流动，而末考虑对岸边墙传来的扰动的影响。实际上，在泄水建筑物中由两岸边墙产生的冲击波相互干扰，使波加强或减弱，从而在下游形成复杂的扰动波形图。 根据冲击波之间反射与干扰的原理，可以设法消除扰
4、动波。A点产生一个负波(水面跌落)，以波角横穿渠槽传到B点，B点反射的负波扰动线将与B点因边墙向内偏转所产生的正波(水面蛮高)扰动线相重合，正、负波相互抵消，所以不再有扰动产生。,8.3急流收缩段冲击波计算 8.3.1 急流收缩段的合理曲线 对于长度相同的同一收缩段，缓流时收缩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，一般采用两侧对称的逐渐收缩的边墙，可以是直线收缩段和两个反圆弧渐变收缩段。,急流中边墙收缩产生冲击波的最大波高是由总偏转角决定，和边墙的偏转过程无关。 对于长度相同的收缩段，直线收缩段的总偏角 比单曲线渐变收缩段的总偏角 及反曲线渐变收缩段的总偏角 都要小，因此，直线
5、收缩段的冲击波最低。,8.3.2 直线收缩段冲击波的计算,一般已知 确定 。,8.4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： 1、平底明渠扩散段； 2、陡坡明渠扩散段； 3、反弧(凹曲面)段。,8.4.1 平底明渠扩散段 1、平底明渠突扩段 对于突扩在有限宽度的槽道内,2、平底明渠渐扩段 边墙曲线的最佳形式为：,2、平底明渠渐扩段 边墙曲线的最佳形式为： 对于不同b2/b1，边墙形式如图。,3、圆形隧洞出口后的矩形扩散段 明渠扩散段边界计算方法： 扩散点位置： 扩散角： x为隧洞出口至边墙扩散点的距离，d为隧洞直径，Fr1为隧洞出口处水流弗劳德数。,8.4.2 陡坡明渠扩散段
6、 适用于p=0.510m，tan=1/1.51/5。,8.5急流弯道冲击波计算 8.5.1 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 1、试验结果,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算 2、小扰动法理论成果 水平弯道最大水深与上游来流 水深之差 扰动周期,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算 2、小扰动法理论成果 纵向底坡为的弯道最大水深 与上游来流水深之差 扰动周期,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算 2、小扰动法理论成果 水平弯道最大水深与上游来流 水深之差 扰动周期,8.5.3 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，当弯道半径与
7、渠宽之比于r0/b10，急流水深与渠宽之比较小，且底坡较大，则流经弯道的水流在凹岸因冲击而破裂，在凸岸则脱离边墙，甚至还会出现局露底现象，此时最大水深可能位于弯道末端，严重者甚至位于下游直槽中。建议估算最大水深hm的经验公式为 估算最大水深出现纵向位置的经验公式为：,8.5.4 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，因此设计急流陡槽宜尽量避免设置弯道段，以免造成冲击波超高。从冲击波的特性出发考虑合理的消减冲击波的方法。 主要有两种方法： 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 1、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
8、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 两倍，中心角应为：,8.5.4 弯道上急流冲击波的控制 2、槽底横向超高法 该法是从消除边墙对水流造成的扰动来考虑。由弯道曲线段的起点逐渐降低槽底的内侧，或抬高外侧，或联合进行，以形成一定的横向坡度，这样便有重力沿横向坡度方向的分力作用于水流的每个质点，使其有向心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，不另外施加侧力迫使水流转向，因此就不会产生扰动。 槽底横向坡度为：,8.6滚波现象 滚波与冲击波是完全不同 的。冲击波是由于边界改变而产生，其波动形状及位置都是固定的。而滚波则破坏了水流的恒定状态。滚波的产生使陡槽水面突然升高，要求边墙加高；同时，增加了下游消能的困难。,在一般陡槽中，水流在重力、惯性力及摩阻力作用下维持平衡。当局部干扰引起波动后，由于摩阻力的作用，波高逐渐衰减至消失。在底坡较大的陡槽中，重力的分力及惯性力大，摩阻力相对减小，摩阻力不足以衰减扰动波。波高反而不断沿流程增长，就形成了滚波。因此，陡槽摩阻力相对太小是形成滚波的根本原因。,
