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管 最 大 风 速 应 控 制 在 ６０ ｍ／ｓ 以 下 。
２ 岩石抗冲能力估算问题
泄水建筑物采用挑流消能形式甚为普遍， 而挑流水舌十
分容易造成岩石冲刷。鉴于岩石特性千变万化， 构造十分复
杂， 到目前为止， 还不能由水工模型试验得到冲刷深度定量
值， 需要结合现有工程岩石冲刷原型观测资料的分析， 获得
与 基 岩 构 造 、断 层 破 碎 带 充 填 物 性 质 、产 状 等 密 切 相 关 。鉴 于
岩基地质条件因地而异， 千变万化， 客观上增加了研究该课
题 的 难 度 。 工 程 设 计 中 必 需 要 进 行 冲 刷 深 度 、水 舌 抛 距 等 方
面的水力计算， 而且还要藉助水工模型试验进行验证及优化
及冲击三种情况， 周期性与冲击性对结构的危害性更大。工
加了工程量； 流态紊乱使得消能防冲困难而威胁工程安全。 程关心的是泄流建筑边界固壁的压力脉动。
在泄水工程布置时， 急流弯道中水流的流态十分复杂， 若处
脉动压力的幅值 Ｐ 是随机变化的， 其统计特征包括最大
理不好， 将对下游泄槽流态及消能设施均产生很大的影响， 对 工 程 安 全 带 来 严 重 威 胁 。一 般 情 况 下 需 采 取 一 定 的 改 善 措 施。目前国内已建成的溢洪道改善弯道水流的措施见表 １。
底坡
０．０３０ － ０．０３８～０．０４０
０．０６３ ０．２５ ０．０００ ０．０００
设计流量 （／ ｍ３／ｓ）
１１７２ １５００ ３０２
８３ ４ ６６０ ４ ６６０
消能 型式 挑流 底流 底流 底流 底流 底流
改善弯道 水流的措施 抬高外侧槽底高程 抬高外侧槽底高程 外侧加导流墙 沿程加设三道隔墙 一级弯道设纵向斜坎 二级弯道设均流坎
泄水建筑物采用挑
表 １ 国内部分弯道溢洪道情况
转弯半径 转弯角度
工程名称
／ｍ
（／ °）
斋堂水库 １００．００ ３５．６９
黄 材 水 库 ７０．５０ ３８．００
屯仓水库 １５０．００ ９２．６３
里 塘 水 库 ２５．１０ ６１．４０
１５９．００ 富水水库
１１３．５０
１０．００ ３５．２０
底宽 ／ｍ
１８．１５ ２８．４０ １６．００ ６．４０ １１０．０ １１０．０
４ 水流压力脉动值估算问题
岸 ， 后 同） 方 向 的 离 心 力 ， 水 流 为 了 平 衡 这 个 力 而 使 得 外 侧 方
水 流 脉 动 是 指 水 流 运 动 参 数（ 压 力 及 流 速） 在 其 时 均 值
向 的 水 面 增 高 ， 内 侧（ 凸 岸 ， 后 同） 方 向 的 水 面 降 低 ， 形 成 横 向
冲刷深度的经验公式。
天然岩基由于地质构造运动， 存在着程度不同的断层破
碎 带 、节 理 裂 隙 、软 弱 夹 层 等 薄 弱 部 位 。大 量 水 利 水 电 工 程 原
型观测表明， 挑流冲刷破坏总是从那些最薄弱部位开始， 冲
坑最深点也多发生在受冲范围内的最薄弱部位， 尤以节理的
产状对冲刷破坏关系最大。
５ Байду номын сангаас语
其本身的优缺点及其适用范围， 对于重要的工程其处理措施
５０ 余年来， 我国科技工作者 在 水 工 水 力 学 方 面 取 得 了 令
一般需要通过水工模型试验来论证。
世人瞩目的成就， 在国际上产生了很大的影响。但是目前就溢
目 前 ， 从 野 外 观 测 、试 验 研 究 、理 论 分 析 和 数 值 模 拟 等 方
第 ２ 期（ 总第 １６０ 期） ２００６ 年 ５ 月
１００６－ ８１３９（ ２００６） ０２－ ５０－ ０２
山西水利科技 ＳＨＡＮＸＩ ＨＹＤＲＯＴＥＣＨＮＩＣＳ
Ｎｏ．２ （ Ｔｏｔａｌ Ｎ０．１６０） Ｍａｙ．２００６
溢洪道水力学研究中存在的几个问题
白继中
（ 山 西 水 利 职 业 技 术 学 院 ， 运 城 ０４４０００）
摘 要：尽管国内外科技工作者在溢洪道水力学研究方面取得了令世人瞩目的成就，但溢
洪道水力学在实践中还存在一些问题。文中进一步分析了掺气浓度估算、岩石抗冲能力估
算、弯道水流流态改善、水流压力脉动值估算等问题。
关键词：溢洪道；空化空蚀；消能防冲；弯道水流；压力脉动
中图分类号：ＴＶ１３２
文献标识码：Ｂ
１ 掺气浓度估算问题
段 。对 于 大 中 型 水 利 工 程 弯 道 水 流 计 算 最 终 还 需 结 合 水 力 学
整 治 ， 取 、排 水 口 选 址 以 及 码 头 、港 口 建 设 等 领 域 得 到 了 广 泛
模型试验确定。
的应用。 当 水 流 在 弯 道 中 作 曲 线 运 动 时 ， 必 然 产 生 指 向 外 侧（ 凹
在 高 速 挑 流 水 舌 作 用 下 ， 加 速 了 节 理 裂 隙 的 张 开 、串 通 、
第 ２ 期（ 总第 １６０ 期） ２００６ 年 ５ 月
白继中：溢洪道水力学研究中存在的几个问题
Ｎｏ．２ （ Ｔｏｔａｌ Ｎ０．１６０） Ｍａｙ．２００６
交汇， 将天然岩基解体 为节理岩块， 随之， 水流 渗入节理块之间的缝 隙。由于水流在节理块 四周的作用力不平衡， 从而把节理块托离岩座 而被送出坑外。周而复 始， 直到冲坑达到平衡 为止。
从国内已建成的溢洪道分析， 改善弯道水流的措施大体可分
成 果 已 正 式 编 入《水 工 建 筑 物 荷 载 设 计 规 范》。但 对 重 要 的 泄
为 两 大 类 ， 即 改 变 泄 槽 断 面 几 何 形 状 和 槽 底 设 置 导（ 分） 流 墙
水建筑物， 尚需通过模型试验验证。
（ 墩） 。 根 据 工 程 实 际 情 况 ， 设 计 时 在 陡 坡 弯 道 段 选 定 了 几 种 类 型 的 组 合 形 式 作 为 改 善 弯 道 水 流 的 措 施 。但 这 些 方 法 均 有
掺气设施的位置， 常布置在反弧段上游和容易空蚀部位 的上游。根据国内外的经验， 保护长度约 ７０ ｍ， 反弧段因离心 力 作 用 ， 保 护 长 度 约 ７０ ｍ～１００ ｍ， 直 线 段 保 护 长 度 约 １００ ｍ～ １５０ ｍ。 掺 气 设 施 的 保 护 范 围 最 终 需 通 过 水 力 学 模 型 试 验 确 定。值得指出的是， 上述保护长度是指泄水建筑物底板的长 度 ， 并 非 边 墙 的 保 护 长 度 。在 有 通 气 设 施 的 情 况 下 ， 边 墙 顶 部 和底部水流可以掺进气体， 但中部水流没有掺气， 起不到对 边墙中部的保护作用， 这是今后掺气减蚀研究的重点。
３ 弯道水流流态改善问题
制， 现已存在的弯道三维模型均属于准三维模型。科研人员 进行了各种弯道水流的准三维数学模型的研究和计算， 虽取
弯道水流是渠道和河道常见的一种水流运动现象， 弯道
得了一些成果， 但远未达到进行天然河弯水流计算的应用阶
水 流 的 运 动 机 理 和 研 究 成 果 已 在 水 利 枢 纽 布 置 ， 河 道 、航 道
数 学 模 型 并 取 得 了 大 量 研 究 成 果 。弯 道 水 流 数 学 模 型 可 分 为
均需通过水工模型试验研究。因而， 岩基冲刷的模拟方法及
三大类： ①轴对称二维模型； ②平面二维模型； ③三维模型。
其缩尺效应， 就成为解决工程实际冲刷问题的关键。
由于天然河弯水流及边界的复杂性和计算方法、速度的限
洪道水力学而言， 还有不少问题尚未被人们认识， 需要继续深
面， 弯道水流的研究已取得了大量的成果和认识， 然而， 由于
入研究和探索。我们相信， 今后随着更大规模的水利水电建
描述弯道水流方程组的非线性和弯道水流运动的三维性， 现
设， 一定会带动溢洪道水力学问题研究的进一步发展。
在 还 不 能 得 到 弯 道 水 流 运 动 的 精 确 解 。１９１４ 年 ， 米 洛 维 奇 等 作者简介： 白 继 中 ， 男 ， １９７１ 年 生 ， １９９４ 年 毕 业 于 河 海 大 学 水
值 Ｐｍａｘ、最 小 值 Ｐｍｉｎ、平 均 值 Ｐ 及 均 方 根 值 "ｐ＝ !ｐ２ 。其 中 ， 最 为 关 注 的 是 "ｐ 值 。通 过 大 量 的 偏 差 系 数 与 峰 形 系 统 计 算 ， 脉 动 压 力 幅 值 特 性 接 近 于 服 从 高 斯 正 态 分 布 。脉 动 压 力 的 研 究
掺气减蚀的通气量与水流掺气浓度密切相关， 我国原型 观测资料表明， 要保证水流掺气的浓度， 通气量不得低于泄 流 流 量 的 １０％。 通 气 量 的 计 算 尚 不 成 熟 ， 一 般 通 过 模 型 试 验 测 定 ， 但 要 考 虑 模 型 缩 尺 的 影 响 。通 过 原 型 与 模 型 成 果 对 比 ， 一 般 认 为 ， 当 模 型 中 坎 上 流 速 大 于 ６ ｍ／ｓ～７ ｍ／ｓ 时 ， 通 气 量 的 缩尺影响可以忽略， 可按拂氏数相似准则引伸至原型。通气 管 的 面 积 决 定 于 通 气 管 的 最 大 允 许 风 速 。乌 江 渡 和 东 江 原 型 观 测 中 ， 实 测 风 速 最 大 达 ８３．０３ ｍ／ｓ， 除 通 气 管 噪 声 大 外 ， 吸 力也非常大， 安全难以保证， 为此， 我国有关规范规定， 通气
上 下 的 变 动 。它 与 消 能 、对 固 壁 的 作 用 力 、空 化 空 蚀 等 问 题 密
水面比降， 水力要素在同一横断面上的分布差异很大造成弯
切 相 关 。 根 据 水 流 的 时 变 特 性 ， 水 流 脉 动 可 分 为 随 机 、周 期
道 水 流 流 态 紊 乱 。这 种 水 力 现 象 使 得 弯 道 外 侧 边 墙 加 高 而 增
流 消 能 ， 必 须 要 进 行 岩 基 冲 刷 的 估 算 。目 前 ， 所 有 计 算 方 法 只