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Scour control and Hvdraulic jump structure over Energv dissipators

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摘要

设计者通常需要在可受侵蚀的河床上建设安全且经济的结构，由于会扰动天然水流，这些人造结构往往有可能引起冲刷的现象。
　　 很多水工结构和滞洪区出口的故障和损坏都能追溯到未受被检查到的冲刷。明渠河网中的冲刷力常常被公路建设或其他城市发展所加重。地面水流的拦截和收窄以及天然水道的收窄不可避免地引起更强的侵蚀潜能。为了保护水工结构及其附属区域，装备能量耗散装置往往是必要的。
　　 第一章介绍了基本概念，包括冲刷的定义，冲刷的分级。很多文献都反映了不同水力结构的冲刷。本文也讨论了用于消散水流能量以减小冲刷坑的效能装置。第二章论述了用于处理溢洪道局部冲刷的理论基础并且研究了处理以楔形和垂直半圆形作为床面粗糙度的河床上水跃特性的理论方法。在最新研究中，采用量纲分析和最优化方法，提出了无量纲最大冲刷深度和长度的半经验公式。基于Buckingham的π定理的量纲分析在文中被讨论，用于揭示出无量纲参数的特性和作用。
　　 因为高度紊动和不均匀的水流增加了提出理论解决方法的难度，所以，本文采用实验的方法确定冲刷坑及水跃的特性。第三章描述了物理模型，实验仪器及实验过程。实验采用可循环水平矩形水槽，长7.8m，宽0.35m，深0.5m。为方便观察，水槽两壁均由透明树脂玻璃组成。
　　 循环式水槽上游设置筛网以收集漂浮物，下游水位利用闸门控制。实验采用精度为±0.1 m3/1的数字流量计测量通过水槽的流量。进入水槽的流量通过进水阀门控制。鉴于需要测量水槽不同断面的受冲刷河床高程和水表剖面，试验中在水槽两壁面上设置x-y坐标仪。x-y坐标仪可沿水槽移动，精度为0.1mm，可以在水槽横向和纵向上测量冲刷坑的尺寸。BT-9300H激光粒度分析仪结合了激光、计算和光电技术，用以分析床面土料材料(沙)。BT-9300H将镭射技术、电脑技术和光电技术融合起来并加以运用。该仪器可以用于多种非金属粉末的分析，包括碳酸钙、粘土及多种土壤物质。Vectrino是高精度的声学多普勒测速仪(ADV)，用以计算3D流速，它的应用地域广泛，小至实验室，大至海洋。
　　 Vectrino声学多普勒测速仪通过发射装置发出短的声学脉冲波，当脉冲通过聚焦点，到达接收点时，回波就被记录在接收单元内。对回波进行处理后找到多普勒频移，缩放尺度根据液体中测量的声速进行调整(以及测得的水温)，并且能够很快的将速度矢量记录下来或传输到电脑上。实验仪器的架设地点为中国杭州浙江大学建筑工程学院的水力实验室。泄洪道动床冲刷量能够用于估计消力池内的消能效率。
　　 冲刷量在消力池的尺寸设计中具有重要作用，因为冲刷量不能通过简单的叠加溢洪道内各消能因子计算得到。目前的研究目的是探讨尽量减小冲刷坑的楔形消力墩的效果并与矩形消力墩进行比较。
　　 第四章用实验描述了利用溢洪道背坡面的楔形消力墩如何减小溢洪道的局部冲刷；通过120组实验测量了不同稳定水流条件下冲刷坑的几何特性；比较了楔形消力墩和矩形消力墩的消能效果。溢洪道处的水流特性为初始超临界条件下水跃的快速形成。Wu等科学家观察了接近水面的淹没射流和反向流(Wuand Rajaratnam，1998 and Fritz and Hager，1998)。当淹没射流流过初始的平整床面，由较大的射流速度产生的冲刷势能往往足以快速地从床面即刻推动沙粒并输运至下游。短时间内，冲刷坑的垂向尺度的增加速度大于横向，河床处泥沙输运主要为推移质。随着冲刷的持续，冲刷坑不断扩大，水深也持续加深。冲刷坑附近的床面流速随冲刷坑的加深而减小。因此，冲刷速率随着冲刷时间增长减小。在较长的时间后，床面流速减小至水流不能再搬运床面材料的临界值。当流速到达临界值后，我们可以认为冲刷坑几何尺寸达到“平衡”或“临近平衡”条件。因而，这表明床面流速与颗粒的启动速度的阈值直接相关。
　　 通常认为将床面剪切力作为关键的变量去表征给定坡度床面的颗粒启动是合理的。Rajaratnam(1981)，Farhoudi和Smith(1985)，和Adduce et al.(2004)都观察到了相同的冲刷现象。水跃的变化主要由跃后水深的变化以及冲刷过程中弗劳德数的变化所引起。可以发现水跃引起了较大次生流和顺时针涡流。次生流类似于水流循环，在水平向和垂直向都控制着水流形态。可以发现在靠近水槽边壁处的垂向平面内(XZ)形成一涡流系统。冲刷坑的成长使得水流在坑的边界处被分离，同时形成顺时针涡流。另外，在水跃区内形成小型的滚筒状水流。与通常的水跃相比，滚筒状水流组成水跃的一部分，而在静止水跃内不存在顺时针涡流。在实验结构和水槽间的岸脚上会形成滚动的垂向分离流涡。
　　 次生流系统在水平面内(XY)形成由多个水流循环构成的复杂水流形态。每次实验中都形成了具有两个循环水流的水流形态。本文观察了冲刷坑特性随时间的变化及其最终的临界平衡态，发现了冲刷坑剖面的几何相似性。冲刷过程一直持续到动态平衡达到最大冲刷深度，这个平衡相当于这样一个情况：冲刷坑处增加的水深阻碍了河床剪切力的发挥，这个剪切力足够引起进一步的河床侵蚀。或者，河床侵蚀的速率被回流带回到冲刷坑中的物质的沉积速率所平衡。每个变量与时间的关系，特别是实验(R25T)中的Zsmt，Lmt和Lsmt都被深入研究。最大冲刷深度Zsmt和最大冲刷深度所在位置Lmt被观察到随时间线性增长直到t=690分钟，在这之后，两值不会有很大改变。类似的，从固体边缘开始计算的最大冲刷长度随时间增长直到t=720分钟，而后不再改变。冲刷的维度随着时间的对数大小线性增长，并当到达一个阈值时间后停止，这个阈值时间己被Rajaratnam(1981)，Farhoudiand Smith(1985)，和Adduce等人(2004)观察得到。Zst/Zsm(Zst是冲刷深度随时间的变化)随ts/tsm(ts是冲刷深度达到Zst所需的时间，tsm是冲刷至最大深度的Zsm所需的时间)的变化说明了冲刷尺度与冲刷时间的关系。可以发现冲刷坑的深度在初始阶段能达到最大冲刷深度的40％，而这一初始阶段是整个实验过程持续时间的3%。Dargahi(2003)从所有他的实验中发现一个普遍现象，在实验进行到4%的时间时，冲刷将达到最大冲刷的40%。实验的第二阶段的特征是冲刷坑的缓慢发育。在这一阶段中，冲刷深度在实验进行到30%时达到最大冲刷的78%。在实验的最后阶段，冲刷的进展极其缓慢，并保持长达实验总时间的60%。在此之后，实验到达平衡状态，冲刷深度在最后阶段大约增长最大深度的12%。
　　 溢洪道固体前沿下游方向的河床形态等高线图如实验R1，R13，and R33所示。可以观察到由水跃引起的水平面二次流的所产生的拖拽腔。
　　 冲刷坑的几何形状通常对称于水槽的中心线。总的来说，最大冲刷深度发生在河道壁的一侧±16.5厘米的地方。这些结果均符合Dargahi(2003，Adduce和Sciortino(2006)的结论，但不符合Oliveto和Comuniello(2009)，他们的结论是，最大冲刷深度发生在水槽的中心线处。
　　 增加消力墩高度有利于耗散可观的更多动能。因此，随着消力墩高度增加，最大冲刷深度下降，其位置从侧壁附近移动到了渠道中心线。我们发现了影响冲刷坑的特征参数，并建立了最大的冲刷坑深度和长度的公式和从固体前沿尾部到最大冲刷深度位置的长度公式。可以观察到，冲刷坑的所有特征长度随着消力墩高度比率的增加而减少，并随着下游方向的弗罗德数和单宽流量的增加而增加。楔形消力墩影响下最大冲刷深度和长度的减少量百分比要比常见的矩形消力墩要分别高约1.2%-8.9%和2%-7.5%。
　　 使用楔形消力墩有助于水跃形成并保持在静水池的内部，尽管这时尾流水深有时候会比自由跃后水深要低一些。因此，楔形消力墩的使用有助于缩短水跃形态至静水池。
　　 第五章介绍了使用楔形消力墩的人工粗糙河床产生的水跃特性的研究。这些试验对应河床的光滑和粗糙用一个相对粗糙度的Froude数范围3.06≤ F1≤10.95和相对河床粗糙度范围为0.22≤KR≤1.4来定义。本文将本研究的结果与长方形消力墩得数据进行了比较。并建立了新的实验公式以计算跃后水深比和水跃长度与流入弗罗德数和相对粗糙率的关系。目前研究中光滑河床的数据很好的符合了Belanger的研究数据。水跃的次临界跃后水深的确定容易受到相当多的试验分散的影响，并且对纵向位置的改变很不敏感(Leutheusser和Kartha，1972).目前关于粗糙河床的绝大多数据和其他研究的数据都展现了相同的大致趋势，即数据降到了Belanger方程的结果以下。对这些数据的一些分析表明，使用楔形消力墩的跃后水深比率相比较那些使用矩形消力墩，减少了大约8.5%-16.7%。(Mohamed Ali，1991)。下游水深小的主要原因是由于楔形河床粗糙度增加的河床剪切力存在。Belanger针对矩形河道的水跃公式被延生运用到由于河床粗糙引起的河床剪切系数。与光滑河床相比，楔形河床粗糙度会减小水跃的跃后深度约16.5%到30%。水跃长度至今依然是一个有争议的问题，至今还没有得到一些分析性的结果。然而，很多水力学家已经由实验数据得出了很多经验公式。从已经研究过的最初弗罗德数范围和相对边界粗糙度来看，本研究和其他研究的实验结果，全部位于USBR水池(Ⅰ)的曲线以下，USBR水池(Ⅰ)的实验室与光滑河床相符合的。
　　 本实验的结果显示出过多的分散，这证实了在水跃测量方法中遇到的常见困难。数据显示，Lj/y2*的值随着最初弗罗德数的增加而减少。这个结果与Mohamed Ali(1991)的发现相矛盾。根据他的研究，Lj/y2*的值随着最初弗罗德数的增加而增加。这个矛盾的原因可能是由于Mohamed Ali(1991)的矩形消力墩突出到了水流中，然而，本研究中楔形河床粗糙度的的顶部与携带着超临界流上游河床在同一水平面。经典水跃次临界跃后水深对应的的水跃长度值大约是3.6到2.7y2*。我们发现，与光滑河床比起来，楔形河床粗糙度会减少水跃长度约30%到53%。对于水跃长度比率Lj/y1，我们发现当它随入流弗罗德数增加而增加的时候，符合一个线性趋势。同时还可以发现，当入流弗罗德数是一个固定值时，本研究的水跃长度比率要比矩形消力墩的要小一些。这个结果表明，楔形消力墩比矩形消力墩产生更高的河床剪切力，从而减少水跃长度。
　　 对于水跃翻滚长度，我们发现Lr/y1随着目的增大而增大。观察图标显示，相比较经典水跃，水跃翻滚长度减少了大约7%-42%。本研究和以前的研究者，都已经针对相对能量损失EL/E1和入流弗罗德数的关系进行了研究，并发现发生在楔形消力墩的水跃能量损失的百分比要比经典水跃的要高一些。为了研究粗糙楔形床面上的水表剖面和垂向流速分布的影响，我们总共进行了25个实验。关于水表剖面的知识对于经济地设计消力池边壁是有用的。我们得出的结论是水表剖面大致是相似的，而且可以通过一条主要的曲线表示。实验的数据都通过电子声学多普勒测速仪测定。所有的速度线测量都是在水槽的中心线测定的。这些曲线能清楚得显示从水跃开始以后墙面喷射型速度变化，边界层的成长，和最大速度Vm随纵向距离X的衰减。我们观察到在水跃的开始阶段速度分布是均匀的，随着距离的增加速度分布逐渐从类似于墙面射流的速度分布曲线向明渠水流的流速分布转变。被研究的水跃区域的平均垂向速度是正的，而在过渡区，也就是水跃的末端到速度剖面变成类似于充分发展的明渠紊流的区域，平均垂向速度的速度几乎降低为零。
　　 为了测定垂向流速分布的相似性，每个区域的最大速度和长度范围，y0.5，都被选作速度和长度的尺度。实验的结果表明，每个实验速度坡面是相似的，且回流的速度分布也相似。Ead和Rajaratname(2002)得出的结论是边界层的厚度ym大致是y0.5的0.45倍，但是对于传统的壁射流来说相应的值是0.16左右(Rajaratname1965).在我们目前的研究中我们发现厚度ym大致是y0.5的0.5倍。这个现象解释为用楔形坡床面糙率增加了水流的表面拖拽力，然后表面的水层被内层的水替代。
　　 随水流方向的距离比X/Lj变化的边界层厚度ym图表明，在Hr=0.75 and1.5，两种情况下，边界层厚度相对于光滑床面分别提高了30%到38%。
　　 粗糙床面代表能够消耗大量能量的结构。第六章讨论了与两种形式的粗糙床面，带状和交错状相比，垂向的半圆形粗糙结构对水跃基本特性的影响，包括跃后水深，水跃长度和能量耗散率。本文在弗劳德数介于2.98到11.5之间的光滑床面和粗糙床面上都进行了实验。
　　 现阶段的研究和贝朗格方程中光滑床面的和F1由贝朗格得出的y2*/y1和F1的关系及现阶段的研究表明显示了研究数据和Belanger方程中数据的一致性。文中也给出了和其他实验结果的比较(Ead和Rajaratnam(2002)，对波纹床面的研究，Tokyay等.(2011)，AboulAtta等(2011)，以及Ezizah等人的实验结果.(2012))。我们观察到对于粗糙床面现有的和其他研究得到的大多数数据都小于Belanger公式的数据。
　　 数据的分析结果表明条状和交错状的两种粗糙床面数据都小于Ead和Rajaratnam(2002)以及其他研究者得到的数据。在床面上，棱柱体之间的空隙起到了类似洼地的作用从而导致了这样的数据差异。这些洼地形成了一个紊动涡系统，这个系统可能产生比波纹状及其他的床面粗糙类型更大的床面剪切力。另外，条状糙床面得到的数据比Ead和Rajaratnam(2002)的数据小了9%-22%，而交错状的粗糙床面的数据比Ead和Rajaratnam(2002)得到的数据低了11%-34%.这个结果说明交错状粗糙床面的跃后水深条状和波纹状粗糙床面的小。
　　 在我们测定的S/R取值范围内，我们发现长度比的改变对和F1有关的跃后水深的影响很小。取2.98< F1<4.5时，跃后水深的变化很小。而对于交错状粗糙床面，其跃后水深减小了14%-40%，对于条状粗糙型床面，其跃后水深减小了10%-33%。在不同S/R条件下，条状和交错状棱柱体粗糙床面的水跃相对长度Lj/y2*，和目的关系表明了光滑床面的Lj/Y2*值和USBR流域数据的一致性。当弗汝德数为2.98< F1<4.5时，水跃是震荡的，我们很难精确测量水跃的长度。因而，在这个弗劳德数范围内的数据比较分散。Tokyay等人(2011)观测到对于条状粗糙床面，Lj的平均值是3.72y2*，而对于交错状粗糙床面为2.6-4y2*。此处，条状粗糙床面和交错状粗糙床面的Lj分别为2.7和2.3y2*。
　　 Ead和Rajaratnam(2002)的数据表明波纹状床面将水跃的长度减小了48%左右，而此处的研究表明条状和交错状棱柱体粗糙床面将水跃长度分别减小了52%和56%。我们也发现在两种床面条件下入流F1对水跃的相对长度没有重要的影响。长度比的增加会导致水跃长度的减小。零散放置的条状和交错状粗糙床面比密集放置的床面产生略微短一点的水跃。在两种粗糙条件下，的变化和随入流弗汝德数变化的水跃能量损失率，EL/E1分别显示了能量耗散率随着弗汝德数的增加而增加。
　　 综上所述，我们发现粗糙床面的水跃能量损失率相对典型水跃来说要高。总的来说，目前在两种粗糙条件下得到的数据比Ead和Rajaratnam(2002)的数据要小。之所以出现这样的现象，时因为在粗糙体之间形成的涡比Ead和Rajaratnam(2002)用的波纹状床面更多，进而消耗了更多的能量。交错状粗糙床面的能量损失率比条状粗糙床面能量损率高5%左右，比Ead和Rajaratnam(2002)的数据高8%左右。数据点在低弗汝德数(3.1≤F1≤4.7)的时候分散散。
　　 这样的分散是因为水跃在低弗汝德数时有脉动作用，经常在底部到表面之间无规律震荡(Peterka1958)。结论是能量损失率主要和入流的弗汝德数有关系。棱柱粗糙结构消耗的能量比典型水跃高5%-12%。
　　 本文建立了估计跃后水深和能量耗散的经验关系式。新的经验公式和实验数据符合度很高。

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