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，萬五一

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)

隨著缺水地區(qū)供需矛盾的增長，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注。在大規(guī)模、長距離、跨流域的復雜輸水工程中，由于調(diào)控水頭、輸水流量等實際需要，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壓輸水和有壓輸水的優(yōu)點，在水質(zhì)和結冰期輸水效率方面比無壓輸水更優(yōu)，在復雜水力問題控制方面比有壓輸水更優(yōu)。為實現(xiàn)分級低壓輸水，工程中要設置多個銜接建筑物，因而在輸水系統(tǒng)全線產(chǎn)生多處有壓、無壓銜接段。工程中無壓段常采用局部明渠或箱涵來銜接水流，由于有壓接無壓段水流流態(tài)復雜，往往伴隨強烈紊動和混摻，進而在無壓段產(chǎn)生的波浪需向下游傳遞較長距離才能衰減[2-3]。倘若波浪波動幅度較大，可能導致下游渠道水面持續(xù)波動甚至觸頂，輸水狀態(tài)不斷從無壓到有壓，再從有壓到無壓轉變，不僅無法讓系統(tǒng)按最初的設計標準運行，還可能導致大幅度的壓力交變及脈動現(xiàn)象，使得輸水過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，簡單有效的板式消浪結構受到研究者關注。板式消浪結構是一類下部透空、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構。最早在1986年，邱大洪等[5]提出的單一薄板式消浪結構在海洋工程中得以應用。Rao等[6]研究了淹沒傾斜平板在規(guī)則波作用下，波陡、相對水深、浸水深度和傾角等因素對消浪性能的影響；研究發(fā)現(xiàn)60°傾角的消浪板在試驗中能削減至少40%的波高。王國玉等[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消浪效果的影響。王科等[8]通過完全非線性數(shù)值波浪水槽技術研究了近自由水面剛性水平薄板的消波特性和消波機理，發(fā)現(xiàn)水平板的淺水效應、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個重要原因。

在輸水工程中，路澤生等[9]通過試驗研究提出在消力池內(nèi)設置水平消浪板以減小波高，并被甘肅引洮供水工程采用，圓滿地解決了原設計方案中水流銜接的問題。楊志祥等[10]為解決閑林水庫輸水系統(tǒng)水流銜接問題，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]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)隧洞加設消波梁時，波高僅有微小的降低，而加設消波板且水面高過消波板時，波高有明顯降低。戴熙武等[12]通過數(shù)值模擬，分析了分段低壓輸水系統(tǒng)中堰后水深對水面波動規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)當外加擾動頻率與水面波動固有頻率一致時，即使外加擾動強度很小也會引起水力共振，水面波動幅度大大增加。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)分段低壓輸水系統(tǒng)中長明流段對系統(tǒng)運行更有利[13]，而以往關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)對于穩(wěn)水效果的影響仍不明確。故本文將通過物理模型試驗探究浸水面積、浸水深度和傾斜角度等因素對分段低壓輸水系統(tǒng)長明流段中傾斜式消浪板穩(wěn)水特性的影響規(guī)律，為其實際應用和優(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，導致波浪形態(tài)發(fā)生改變甚至破碎，進而削減波高，如圖1所示。當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，當水深減小到一定程度時波浪在消浪板上發(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比如圖2和圖3所示，未布置消浪板時波面起伏變化較大，布置消浪板后透過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照片

圖2 未布置消浪板時波浪示意

圖3 布置傾斜式消浪板后波浪示意

傾斜式消浪板的穩(wěn)水特性是復雜的多參數(shù)問題，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)作為無量綱量來衡量消浪板穩(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

2.1 明渠水槽模型

物理模型試驗采用的明渠水槽由有機玻璃制成[14]，糙率n=0.008 0，尺寸為11.0 m×0.3 m×0.9 m(長×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

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

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

傾斜式消浪板通過頂部支撐固定以達到試驗所需的剛度和穩(wěn)定性，同時可通過調(diào)節(jié)支撐結構以達到所需的浸水深度和傾斜角度。消浪板模型采用光滑有機玻璃板制成，尺寸為43.0 cm×30.0 cm×0.5 cm(長×寬×厚)。消浪板的布置如圖5所示，本試驗中浸水深度為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 模型試驗的變量定義示意

3 穩(wěn)水特性分析與討論

試驗通過上跨零點法統(tǒng)計浪高儀測得的波面歷時數(shù)據(jù)，獲得其波高特征值并取平均值作為結果，進而計算得到穩(wěn)水系數(shù)St。本文繪制了穩(wěn)水系數(shù)St與無量綱浸水面積As/A、無量綱浸水深度ds/d和消浪板傾斜角度θ等參數(shù)的關系曲線，并對波浪作了頻譜分析。

3.1 無量綱浸水面積對穩(wěn)水特性的影響

由于本試驗中消浪板的長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發(fā)生變化。本試驗中浸水面積變化范圍為0.006～0.129 m2，無量綱浸水面積變化范圍為0.046 5～1.000 0，如圖7所示。

圖7 無量綱浸水面積隨消浪板傾斜角度的變化關系

在本試驗工況中，對消浪板穩(wěn)水系數(shù)St與無量綱浸水面積As/A的關系進行分析，結果如圖8所示。從圖8可知：①當無量綱浸水面積As/A≠1，即消浪板不完全浸沒水中時，穩(wěn)水系數(shù)隨無量綱浸水面積的增大而逐漸減小并趨近于0.4。這可能是由于當消浪板貫穿水面布置時，無量綱浸水面積越大，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所需消耗的能量就越大。②當消浪板完全浸沒水中時，結構不直接阻礙表面波浪傳播，消浪主要依賴淺水效應，效果受浸水深度影響。

圖8 穩(wěn)水系數(shù)隨無量綱浸水面積的變化關系

3.2 無量綱浸水深度對穩(wěn)水特性的影響

試驗對穩(wěn)水系數(shù)St與無量綱浸水深度ds/d的關系進行了分析。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，穩(wěn)水系數(shù)隨無量綱浸水深度的變化關系如圖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、無量綱浸水深度大于0.11時，穩(wěn)水效果普遍優(yōu)于水平式消浪板。本試驗中，水平式消浪板穩(wěn)水系數(shù)St在無量綱浸水深度ds/d=0.06時達到最小值，此時最小穩(wěn)水系數(shù)為0.445；當0.06≤ds/d<0.28時，穩(wěn)水系數(shù)隨無量綱浸水深度的增大而逐漸增大；當ds/d≥0.28時，穩(wěn)水系數(shù)增加至1.0，表明此時水平消浪板幾乎沒有消浪作用。究其原因是水平式消浪板的消浪機理主要為波浪的淺水效應，主要受浸水深度影響，當浸水深度增大時，板的淺水效應迅速變?nèi)酰€(wěn)水系數(shù)增大，穩(wěn)水效果變差。

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

3.2.2 消浪板傾斜布置

消浪板傾斜布置，穩(wěn)水系數(shù)隨無量綱浸水深度的變化關系如圖10所示。從圖10可以看出，當消浪板以±15°的角度傾斜布置時，穩(wěn)水系數(shù)St隨無量綱浸水深度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，對應無量綱浸水深度分別為0.33和0.28。這是由于當消浪板以±15°的角度傾斜布置、無量綱浸水深度ds/d≥0.33時，結構已經(jīng)完全浸沒在水中，此時消浪結構不直接阻礙表面波浪傳播，主要依賴淺水效應發(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。試驗結果表明，+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，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。

當消浪板以±30°、±45°、±60°、±75°和90°傾斜布置時，穩(wěn)水系數(shù)St隨無量綱浸水深度ds/d的增大呈現(xiàn)逐漸減小并趨近于0.4的變化趨勢，最小穩(wěn)水系數(shù)出現(xiàn)在無量綱浸水深度ds/d=0.44，消浪板以-30°傾斜布置時，極小值為0.278。根據(jù)消浪板以±15°布置的變化規(guī)律可以預見，隨無量綱浸水深度進一步增大，穩(wěn)水系數(shù)達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)隨無量綱浸水深度的變化關系

3.3 傾斜角度對穩(wěn)水特性的影響

試驗對穩(wěn)水系數(shù)St與傾角θ的關系進行了分析。不同傾斜角度下穩(wěn)水系數(shù)平均值見表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值的增大，呈現(xiàn)先增強后減弱的變化規(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 正負傾角對穩(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系如圖11所示。從圖11可知：①當消浪板以±15°、±30°和±45°的角度布置，無量綱浸水深度ds/d≤0.17時，正傾斜角度比負傾斜角度工況有略小的穩(wěn)水系數(shù)，原因是負角度傾斜式消浪板會引導部分水流向下傳播，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加劇，穩(wěn)水系數(shù)偏大。②當無量綱浸水深度ds/d>0.17，消浪板未完全浸沒工況，負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)負角度傾斜式消浪板引導向下傳播的水流與水底層低能量顆粒混合并與明渠水槽底部發(fā)生碰撞，從而削減了向下游傳播的波浪。③當消浪板以±60°、±75°和90°的角度傾斜布置時，正、負傾斜角度工況穩(wěn)水系數(shù)沒有差異。這是由于隨傾斜角度的增大，結構趨向于垂直布置，波浪的垂直反射作用增大，負角度傾斜式消浪板引導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，試驗發(fā)現(xiàn)消浪板正傾斜角度布置時，板前水位雍高；負傾斜角度布置時，消浪板不易固定，且將引導水流持續(xù)沖刷明渠水槽底部。

3.3.2 傾角大小對穩(wěn)水特性的影響

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

為探究傾斜式消浪板的消浪機理、波浪特征，試驗對布置傾斜式消浪板前后的波浪進行頻譜分析，結果如圖12所示。

從圖12可以看出，在無量綱浸水深度ds/d=0.22工況，當傾斜角度為±30°、±60°和90°時，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，當消浪板以60°傾斜布置時，相比于-60°工況，其在低頻區(qū)域產(chǎn)生了擾動波浪成分。

圖12 無量綱浸水深度為0.22時，不同傾斜角度消浪板的波浪譜

4 結 論

(1)通過物理模型試驗研究分段低壓輸水系統(tǒng)長明流段中傾斜式消浪板的穩(wěn)水特性，發(fā)現(xiàn)當波浪傳播至傾斜式消浪板前，首先受淺水效應影響波浪形態(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)本試驗中，傾斜式消浪板的穩(wěn)水效果隨無量綱浸水面積的增大而增強，而隨浸水深度和傾角絕對值的增大均呈現(xiàn)先增強后減弱的變化規(guī)律。當消浪板貫穿水面傾斜布置、無量綱浸水深度大于0.11時，穩(wěn)水效果優(yōu)于水平式消浪板，特別對波浪中頻率大于2 Hz的波浪成分有比較好的削減效果，消浪機理主要為板的淺水效應、直接阻礙效應和引導高、低能量水體混合效應。

(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，試驗發(fā)現(xiàn)消浪板正傾斜角度布置時，板前水位雍高；負傾斜角度布置時，消浪板不易固定，且將引導水流持續(xù)沖刷明渠水槽底部。