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水利工程中沖刷機(jī)制的綜述論文
本文從沖刷機(jī)制簡要綜述局部沖刷原理和跌水沖刷機(jī)制，并對水舌導(dǎo)流進(jìn)行研究，最后提出水利工程實(shí)施的建議。
目前，為防治洪水所造成的災(zāi)害及對于水資源的有效利用，常見的手段有：在河道中設(shè)置防砂壩、潛壩等，這類結(jié)構(gòu)具有控制流心、減緩河川坡度、攔阻或調(diào)解河床砂石及避免邊坡過度沖刷等功能。但伴隨而來的問題也須以重視。
關(guān)于跌水沖刷機(jī)制的研究，無論局部跌水沖刷或沖刷坑保護(hù)均有不錯的效果、總結(jié)前人對跌水沖刷現(xiàn)象的研究，因其水理特性復(fù)雜，各種理論及試驗(yàn)條件的差別與限制，一直無法獲得較為普遍的結(jié)論，所以本節(jié)以較為常用的機(jī)制做簡要綜述。
一、局部沖刷的研究
研究者以清水變量流均一粒徑卵石河渠對于水工結(jié)構(gòu)物下游局部沖刷問題的研究得到結(jié)論為：最大刷深不一定發(fā)生于最大流量作用時，當(dāng)最大流量作用下溢流口呈現(xiàn)部分淹沒時，則最大刷深可能出現(xiàn)于較小的流量作用下�？紤]沖刷坑射流的軌跡、擴(kuò)散和泥沙顆粒的穩(wěn)定性，建立平衡沖刷深度的關(guān)系式，并完成大規(guī)模實(shí)驗(yàn)和其他學(xué)者試驗(yàn)資料比較，其結(jié)果相當(dāng)一致，證明其適用范圍更大。
有人利用壩高、級配粒徑、坡度、流量基線及尾水高度為模型實(shí)驗(yàn)變量，得到結(jié)論有：1)級配粒徑卵石渠床對于沖刷的抵抗效果較均一粒徑為佳;2)渠床坡度與沖刷深度成正比;3)尾水水深能形成水壓作用，對于跌水能產(chǎn)生消能效果;4)變量流況最大刷深發(fā)生在退水段，而非發(fā)生在尖峰流量時。
1局部沖刷原理
由于水工結(jié)構(gòu)物對水流產(chǎn)生局部的干擾現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)物附近流場改變，使得底床剪應(yīng)力增加所形成的沖刷現(xiàn)象。在天然形成的隆起地形或水工結(jié)構(gòu)物的設(shè)置導(dǎo)致河床局部產(chǎn)生的高低落差地形，當(dāng)水流流經(jīng)此區(qū)域時即形成自由跌水現(xiàn)象，并對下游沖刷形成跌水沖刷坑。若此隆起的地形或於滿泥沙的攔砂壩其地形條件為上游河床與跌緣處屬于連續(xù)狀態(tài)，不若攔河堰的上游存在一較深的水深，水流流經(jīng)此區(qū)域其流速有減緩的效果，之后再產(chǎn)生跌水現(xiàn)象。由于動床下跌水流況屬于急變量變速流，流速會隨時間及距離且變化激烈。
根據(jù)文獻(xiàn)及多篇評估跌水沖刷現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)式，綜合這些影響沖刷現(xiàn)象的參數(shù)，可分為三大類：1)水流性質(zhì)：流量、流速尾水水深、水舌厚度、水舌入射角等;2)水工結(jié)構(gòu)物特性：跌水高度、出口斷面面積;3)底床泥沙特性：泥沙粒徑、級配分布。
2跌水沖刷機(jī)制
(1)自由式跌水沖刷機(jī)制
當(dāng)水流通過跌水平臺之后受到重力作用即呈自由落體射入下游水面，故自由水舌在Z方向的射流強(qiáng)勁，導(dǎo)致射流在沖刷底床后分別往上游及下游方向產(chǎn)生二次水流，向下游湍動的二次水流沿著逆向坡向下游沖刷并由于通水?dāng)嗝娣e逐漸縮小而有逐漸加速的現(xiàn)象發(fā)生，受跌水射流沖擊湍動的底床泥砂，一部分會落回到逆向坡面，另一部份則會往下游移動;向上游流動的二次湍動水流則會卷起底床砂后產(chǎn)生渦流再將卷起的泥砂落淤回順向坡。在沖刷情況較激烈的時候于跌水下游處的水面會出現(xiàn)夾帶泥砂的涌升水流。
(2)潛沒式跌水沖刷機(jī)制
潛沒式跌水射流所產(chǎn)生的潛沒水舌在Z方向上的速度分量較小，且在水面會產(chǎn)生水波，而在最大沖刷位置僅可見到水流間歇性的拍打底床，并沒有出現(xiàn)激烈沖刷的情形，受拍打位置處的泥砂呈環(huán)狀向四方散逸，最后于沖刷坑上下游邊緣產(chǎn)生淤積堆。而在接近底床部分，由于水深加大的關(guān)系，會產(chǎn)生一往上游的渦流。此一渦流會將泥砂向上游輸送，造成緊鄰跌水平臺處的淤積現(xiàn)象。
二、水舌導(dǎo)流的研究
在研究自由跌水情況下，探討水舌導(dǎo)流所形成三種流況間的條件關(guān)系、底床互動影響以及對于局部沖刷的保護(hù)效果，得到結(jié)論有：1)水舌導(dǎo)流根據(jù)不同的擺設(shè)高度以及與水舌不同的接觸條件，可將自由跌水改變成三種不同類型的流況機(jī)制，隨著流況的轉(zhuǎn)變達(dá)到減緩底床的沖刷程度;2)水舌導(dǎo)流無論導(dǎo)流為哪種情況，均可以有效的減緩底床的最大沖刷深度，達(dá)到自由跌水沖刷保護(hù)的目的。
1水舌導(dǎo)流的導(dǎo)流機(jī)制
在自由跌水運(yùn)動過程中由于放置水舌導(dǎo)流所產(chǎn)生的導(dǎo)流作用，可將具有高沖刷能力的跌水流況改變成其他沖刷能力較小的流況，以轉(zhuǎn)變流況的方式達(dá)到保護(hù)底床的目的。于自由跌水流況下經(jīng)由導(dǎo)流的導(dǎo)流作用所形成的流況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果依其導(dǎo)流機(jī)制共可分成三種不同類型：第一類型流況、第二類型流況和第三類型流況。其各流況的形式與特點(diǎn)如下：
第一類型流況：在保護(hù)導(dǎo)流效果有限時，平臺上落下的自由水舌經(jīng)過導(dǎo)流作用后仍以跌水射流形式進(jìn)入沖刷坑，其流況類似二次跌水形式。此類流況形成的特點(diǎn)在于雖然導(dǎo)流后流況仍為跌水形式，不過其再次跌流水舌由于受到導(dǎo)流支撐順導(dǎo)的影響，導(dǎo)致水舌入射角度有明顯的加大趨勢，大約相差15度左右。
第二類型流況：在導(dǎo)流工具有較佳的導(dǎo)流效果條件下，其所形成的流況在本文以第二類型流況稱之，此類流況的特點(diǎn)在于從跌水平臺落下的自由水舌在經(jīng)過導(dǎo)流的作用的后會形成上下兩支水流，在上支水流部分由于受到導(dǎo)流影響其水流會形成X方向速度分量較大且具有消能效果的流況;而在下支水流部分則由于受到導(dǎo)流與上支水舌擠壓的影響，導(dǎo)致導(dǎo)流前緣處會有一向下射流的產(chǎn)生。
第三類型流況：于第三類型流況中其流況的形成相當(dāng)特殊，在跌水平臺上跌落的自由水舌在通過導(dǎo)流后也會形成上下兩支水流。在上支水舌部分其水流通過導(dǎo)流表面之后會以二次跌水與水躍形式兩種流況交替發(fā)生，但以二次跌水發(fā)生的頻率較高;比較特殊的是下支水舌部分其水流在通過導(dǎo)流工前緣后并不會如預(yù)期的形成向下運(yùn)動的射流，而是在導(dǎo)流下方形成一類似拋物線由下往上的軌跡流動。
三、結(jié)論
當(dāng)水流流經(jīng)有水工結(jié)構(gòu)物時，由于“產(chǎn)砂區(qū)位轉(zhuǎn)移效應(yīng)”逐漸形成結(jié)構(gòu)上下游河床高程落差，進(jìn)而產(chǎn)生射流沖擊河床并形成沖刷坑，危害結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定與安全。其中以水流淘刷而使得結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)懸空所引發(fā)的毀損最為常見，所以，為了保護(hù)河川底床及水工構(gòu)造物，常會設(shè)置消能保護(hù)設(shè)施，例如跌水工、消能池以及鼎形塊等，這類保護(hù)工由于底部遭受水流回溯沖刷的影響以及長期受跌流沖擊之下，往往造成保護(hù)工下陷破壞而喪失保護(hù)底床目的。所以，水舌導(dǎo)流后會改變流況，可以有效的減緩底床最大沖刷深度，達(dá)到自由跌水沖刷保護(hù)的目的。
有以下建議：1.為使水舌導(dǎo)流更加堅(jiān)固，建議而后應(yīng)用在工程實(shí)物上，可以采用支架和鋼索合并固定水舌導(dǎo)流單元體。2.建議可以選擇在沖刷坑未形成之前施設(shè)好水舌導(dǎo)流，以方便測定水舌導(dǎo)流，減少沖刷率。
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