水利工程中冲刷机制的综述

　　本文从冲刷机制简要综述局部冲刷原理和跌水冲刷机制，并对水舌导流进行研究，最后提出水利工程实施的建议。

　　目前，为防治洪水所造成的灾害及对于水资源的有效利用，常见的手段有：在河道中设置防砂坝、潜坝等，这类结构具有控制流心、减缓河川坡度、拦阻或调解河床砂石及避免边坡过度冲刷等功能。但伴随而来的问题也须以重视。

　　关于跌水冲刷机制的研究，无论局部跌水冲刷或冲刷坑保护均有不错的效果、总结前人对跌水冲刷现象的研究，因其水理特性复杂，各种理论及试验条件的差别与限制，一直无法获得较为普遍的结论，所以本节以较为常用的机制做简要综述。

　　一、局部冲刷的研究

　　研究者以清水变量流均一粒径卵石河渠对于水工结构物下游局部冲刷问题的研究得到结论为：最大刷深不一定发生于最大流量作用时，当最大流量作用下溢流口呈现部分淹没时，则最大刷深可能出现于较小的流量作用下。考虑冲刷坑射流的轨迹、扩散和泥沙颗粒的稳定性，建立平衡冲刷深度的关系式，并完成大规模实验和其他学者试验资料比较，其结果相当一致，证明其适用范围更大。

　　有人利用坝高、级配粒径、坡度、流量基线及尾水高度为模型实验变量，得到结论有：1)级配粒径卵石渠床对于冲刷的抵抗效果较均一粒径为佳;2)渠床坡度与冲刷深度成正比;3)尾水水深能形成水压作用，对于跌水能产生消能效果;4)变量流况最大刷深发生在退水段，而非发生在尖峰流量时。

　　1局部冲刷原理

　　由于水工结构物对水流产生局部的干扰现象，造成结构物附近流场改变，使得底床剪应力增加所形成的冲刷现象。在天然形成的隆起地形或水工结构物的设置导致河床局部产生的高低落差地形，当水流流经此区域时即形成自由跌水现象，并对下游冲刷形成跌水冲刷坑。若此隆起的地形或於满泥沙的拦砂坝其地形条件为上游河床与跌缘处属于连续状态，不若拦河堰的上游存在一较深的水深，水流流经此区域其流速有减缓的效果，之后再产生跌水现象。由于动床下跌水流况属于急变量变速流，流速会随时间及距离且变化激烈。

　　根据文献及多篇评估跌水冲刷现象的经验式，综合这些影响冲刷现象的参数，可分为三大类：1)水流性质：流量、流速尾水水深、水舌厚度、水舌入射角等;2)水工结构物特性：跌水高度、出口断面面积;3)底床泥沙特性：泥沙粒径、级配分布。

　　2跌水冲刷机制

　　(1)自由式跌水冲刷机制

　　当水流通过跌水平台之后受到重力作用即呈自由落体射入下游水面，故自由水舌在Z方向的射流強劲，导致射流在冲刷底床后分別往上游及下游方向产生二次水流，向下游湍动的二次水流沿着逆向坡向下游冲刷并由于通水断面积逐渐缩小而有逐渐加速的现象发生，受跌水射流冲击湍动的底床泥砂，一部分会落回到逆向坡面，另一部份则会往下游移动;向上游流动的二次湍动水流则会卷起底床砂后产生渦流再将卷起的泥砂落淤回顺向坡。在冲刷情況较激烈的時候于跌水下游处的水面会出现夹带泥砂的涌升水流。

　　(2)潜没式跌水冲刷机制

　　潜没式跌水射流所产生的潜没水舌在Z方向上的速度分量较小，且在水面会产生水波，而在最大冲刷位置仅可见到水流间歇性的拍打底床，并没有出现激烈冲刷的情形，受拍打位置处的泥砂呈环状向四方散逸，最后于冲刷坑上下游边缘产生淤积堆。而在接近底床部分，由于水深加大的关系，会产生一往上游的涡流。此一涡流会将泥砂向上游输送，造成紧邻跌水平台处的淤积现象。

　　二、水舌导流的研究

　　在研究自由跌水情况下，探讨水舌导流所形成三种流况间的条件关系、底床互动影响以及对于局部冲刷的保护效果，得到结论有：1)水舌导流根据不同的摆设高度以及与水舌不同的接触条件，可将自由跌水改变成三种不同类型的流况机制，随着流况的转变达到减缓底床的冲刷程度;2)水舌导流无论导流为哪种情况，均可以有效的减缓底床的最大冲刷深度，达到自由跌水冲刷保护的目的。

　　1水舌导流的导流机制

　　在自由跌水运动过程中由于放置水舌导流所产生的导流作用，可将具有高冲刷能力的跌水流况改变成其他冲刷能力较小的流况，以转变流况的方式达到保护底床的目的。于自由跌水流况下经由导流的导流作用所形成的流况，根据试验结果依其导流机制共可分成三种不同类型：第一类型流况、第二类型流况和第三类型流况。其各流况的形式与特点如下：

　　第一类型流况：在保护导流效果有限時，平台上落下的自由水舌经过导流作用后仍以跌水射流形式进入冲刷坑，其流况类似二次跌水形式。此类流况形成的特点在于虽然导流后流况仍为跌水形式，不过其再次跌流水舌由于受到导流支撑顺导的影响，导致水舌入射角度有明显的加大趋势，大约相差15度左右。

　　第二类型流况：在导流工具有较佳的导流效果条件下，其所形成的流况在本文以第二类型流况称之，此类流况的特点在于从跌水平台落下的自由水舌在经过导流的作用的后会形成上下两支水流，在上支水流部分由于受到导流影响其水流会形成X方向速度分量较大且具有消能效果的流況;而在下支水流部分则由于受到导流与上支水舌挤压的影响，导致导流前缘处会有一向下射流的产生。

　　第三类型流况：于第三类型流况中其流况的形成相当特殊，在跌水平台上跌落的自由水舌在通过导流后也会形成上下两支水流。在上支水舌部分其水流通过导流表面之后会以二次跌水与水躍形式两种流况交替发生，但以二次跌水发生的频率较高;比较特殊的是下支水舌部分其水流在通过导流工前缘后并不会如预期的形成向下运动的射流，而是在导流下方形成一类似拋物线由下往上的轨迹流动。

　　三、结论

　　当水流流经有水工结构物时，由于“产砂区位转移效应”逐渐形成结构上下游河床高程落差，进而产生射流冲击河床并形成冲刷坑，危害结构物的稳定与安全。其中以水流淘刷而使得结构物基础悬空所引发的毁损最为常见，所以，为了保护河川底床及水工构造物，常会设置消能保护设施，例如跌水工、消能池以及鼎形块等，这类保护工由于底部遭受水流回溯冲刷的影响以及长期受跌流冲击之下，往往造成保护工下陷破坏而丧失保护底床目的。所以，水舌导流后会改变流况，可以有效的减缓底床最大冲刷深度，达到自由跌水冲刷保护的目的。

　　有以下建议：1.为使水舌导流更加坚固，建议而后应用在工程实物上，可以采用支架和钢索合并固定水舌导流单元体。2.建议可以选择在冲刷坑未形成之前施设好水舌导流，以方便测定水舌导流，减少冲刷率。

　　作者：于海丽 来源：当代青年(下半月) 2016年8期