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1、第６期水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)Ｎｏ．６２０１６年１２月ＨＹＤＲＯ?ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤｅｃ．２０１６ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１６．０６．０１０傅銘煥，張志昌．密排加糙床面消力池自由水躍躍長計(jì)算［Ｊ］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，２０１６（６）：６９－７５．（ＦＵＭｉｎｇ?ｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｉ?ｃｈａｎｇ．Ｌｅｎｇｔｈｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｊｕｍｐｏｎｒｏｕｇｈｂｅｄｏｆｓｔｉｌｌｉｎｇｂａｓｉｎ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ?ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６（６）：６９－７５．）密排
2、加糙床面消力池自由水躍躍長計(jì)算１，２２傅銘煥，張志昌（１．浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州３１０００２；２．西安理工大學(xué)，陜西西安７１００４８）摘要：水躍長度作為消力池設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對消力池安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)合理的影響效果顯著。通過建立水躍區(qū)水體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，研究密排加糙床面消力池水躍旋滾長度和水躍長度的變化規(guī)律，提出了水躍旋滾長度和水躍長度計(jì)算的理論方法，并根據(jù)已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對所推公式涉及的物理參數(shù)進(jìn)行率定。計(jì)算研究結(jié)果表明，密排加糙床面消力池水躍旋滾長度和水躍長度均隨躍前斷面弗勞德數(shù)、躍前斷面水深和水躍共軛水深比的增大而增大，隨著床面當(dāng)量粗糙高度的增加而減小。
3、經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，水躍旋滾長度和水躍長度的計(jì)算值與實(shí)測值接近。關(guān)鍵詞：密排加糙床面；運(yùn)動(dòng)方程；水躍旋滾長度；水躍長度＋中圖分類號：ＴＶ１３５?２１文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ文章編號：１００９－６４０Ｘ（２０１６）０６－００６９－０７在泄水建筑物下游往往需要布設(shè)消力池來抬高下游水深，使下泄水流形成淹沒水躍，消耗高速水流能量。為了提高消力池消能效果，各種輔助消能工應(yīng)運(yùn)而生，如消力墩、Ｔ形墩、齒墩等。近年來有人提出計(jì)算了粗糙壁面消力池，并對其水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，消力池底板上的連續(xù)凸體能顯著提升水躍［１－４］區(qū)水體的剪切與紊動(dòng)強(qiáng)度，有效降低消力池的共軛水深和水躍長度，從而獲得更好的消
4、能效果。所謂的粗糙壁面消力池，就是將消力池底板做成連續(xù)的粗糙塊，現(xiàn)階段粗糙壁面消力池的布置形式主要有兩種，一種為波狀床面消力池，另一種為密排加糙床面消力池。文獻(xiàn)［５－６］通過邊界層理論和水躍區(qū)動(dòng)量方程研究了波狀床面消力池壁面切應(yīng)力和水躍區(qū)邊界層沿程發(fā)展規(guī)律，給出了水躍共軛水深和水躍長度的理論計(jì)算方法。文獻(xiàn)［７］通過前人關(guān)于床面阻力的動(dòng)量假設(shè)，提出了密排加糙床面水躍共軛水深計(jì)算的半理論公式。文獻(xiàn)［８］對文獻(xiàn)［１］和［３］作者提出的密排加糙床面水躍長度和水躍旋滾長度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了計(jì)算水躍長度和水躍旋滾長度新的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)［９］研究了均布糙體和孤立糙體的空化特性
5、，結(jié)果表明，均布糙體的初生空化數(shù)遠(yuǎn)低于孤立糙體；文獻(xiàn)［１０］在對明流反弧段加糙防蝕的研究中，認(rèn)為在反弧段進(jìn)行均勻加糙，對防止反弧末端的空蝕破壞十分有利。文獻(xiàn)［１１］對波狀涵洞中流速的研究表明，波狀床面水流紊動(dòng)加劇，雷諾切應(yīng)力增大，流速減小明顯，空蝕的可能性亦減小。由此可見，在溢流面上適當(dāng)?shù)木鶆蚣硬?，對防止空蝕破壞是有利的。但現(xiàn)階段對其水躍水力特性，尤其是水躍長度的研究仍停留在試驗(yàn)層面。文獻(xiàn)［１２］和［１３］通過水躍區(qū)水體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，分別從理論角度研究了平底二元水躍和漸擴(kuò)散水躍的水躍長度，獲得了很好的效果。作者亦試圖通過追蹤水躍區(qū)水體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索密排加糙床面自由
6、水躍長度理論計(jì)算的可行性，以供工程設(shè)計(jì)參考。１公式推導(dǎo)１?１水躍旋滾長度１?１?１理論分析水流從急流到緩流的過渡過程中，上下游水流存在壓力差使得水體向上躍起形成回流，收稿日期：２０１５－１２－２８作者簡介：傅銘煥（１９８９—），男，浙江杭州人，碩士，主要從事水工水力學(xué)計(jì)算工作。Ｅ?ｍａｉｌ：ｆｕｍｉｎｇｈｕａｎ２００７＠１６３．ｃｏｍ７０水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)２０１６年１２月假設(shè)使水流向上躍起的加速度為ｆ，對于密排加糙床面消力池，假定由于床面底部的凸起，額外作用于水流質(zhì)點(diǎn)豎直方向上的加速度為Ｍｆ，則密排加糙床面自由水躍水體質(zhì)點(diǎn)的受力情況如圖１所示。圖１中ｈ，ｈ分１２別為躍前斷面
7、和躍后斷面水深；ｖ，ｖ分別為躍前斷面１２和躍后斷面平均流速；Ｌ為水躍旋滾長度；ｇ為重力加ｒ速度；ｋ為密排加糙床面粗糙高度；Ｍ為由于床面的密ｓ排加糙額外在豎直方向上產(chǎn)生的加速度系數(shù)；ｘ，ｙ為圖１密排加糙床面水躍坐標(biāo)軸，ｘ軸方向同水體主流方向，ｙ軸方向?yàn)樨Q直方Ｆｉｇ?１Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｊｕｍｐｏｎｕｎｉｆｏｒｍｒｏｕｇｈｈｅｉｇｈｔｂｅｄ向，坐標(biāo)原點(diǎn)為水躍躍前斷面水面處。則水躍區(qū)水體質(zhì)點(diǎn)在豎直方向ｙ上沿時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方程為：２２ｄｙ／ｄｔ＝（１＋Ｍ）ｆ－ｇ（１）式中：ｔ為水躍區(qū)水體質(zhì)點(diǎn)從躍前斷面開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；ｙ為水體質(zhì)點(diǎn)在ｔ時(shí)間內(nèi)
