第三节　局部冲刷公式的应用与消能扩散的关系

§3.Application of local scour formula and relationship to the energy dissipation and diffusion

防冲为消能的目的，消能为防冲的手段。因此不问消能扩散，而孤立地研究冲刷就是空中楼阁脱离实际。当然，不问冲刷而只求加强消能措施，同样也不切合实际。从式（3-18）已可看出消能措施的基本要求，就是首先要求护坦末端的横向扩散比较均匀，使局部单宽流量q为最小。其次应促成垂直流速不均匀系数α1不大的面流式流态（y/h1=1）。

首先讨论水流的平面扩散，它对平原水闸来说更是一个重要问题。其特征是河床冲刷愈深，水流愈集中，单宽流量愈大。如果原来出护坦水流扩散不良，旁侧带有回溜，则在模型试验中观察，就会发现回溜的范围随冲刷的过程逐渐扩大，压缩主流使之更形集中。同时回溜分界面也略向河中心移动。若岸坡被淘刷，回溜就更形扩大，此时海漫末端和冲刷坑上的单宽流量及流速分布趋势，如图2-30的六垛南闸测试结果所示，最大单宽流量q在冲坑上比护坦末端增大一倍。若个别闸孔开放，出流进入广阔水体的消力池，则受两侧回溜挤压，主流急剧缩窄，q猛增更甚，根据个别孔宽6m出流的模型试验结果，急流收缩成2.18m，q增大2.7倍[22]。按此值计算共轭水深较大，所以不能形成水跃消能，以致主流会左右摆动前进。苏联学者的试验研究，同样得出了在突扩时旁侧回溜的作用下，q会增加1.5～2.2倍[9]的结果，而且垂直跌坎时要比1∶4斜坡情况的q增大10%～15%。

河床冲深引起单宽流量更加集中的原因是各部分水流惯性的失调，由于垂线上流速分布重新改变，惯性力急骤变化，就要求不受任何限制的自由水面坡降来平衡。如果惯性力是顺水流方向作用的（即α1v2＞α2v2），则宽广段的水面是逆坡降，就将助长两侧回溜压缩主流更加缩窄，这个事实就是q增加的原因。

关于因河床加深而引起的单宽流量的集中关系，罗欣斯基[6]、欧布拉柔夫斯基[9]等人都近似地引证了理论公式并各经过固定河床的模型试验证明，安顿尼可夫[10]也根据模型试验给出了经验公式。但是他们的结论差别较大，根据我们的试验资料点绘的关系曲线[1]，可以表示为

式中　q1、q2——护坦或不冲海漫末端处与冲刷坑上的最大单宽流量；

h1、h2——其相应的水深；

k——系数，k=0.8～1，k随冲深和回溜略有变化，当冲坑很深时（h2/h1＞6）可取较小的系数。

一般消能扩散较好，冲坑又不很深时，q2/q1=0.9～1.4，否则会超过2。因此应注意消除旁侧回溜，或不使回溜延伸到冲刷河床，以避免单宽流量集中，减小冲刷。可推知，采用加长海漫方法使伸出回溜区域来挽救已有的工程是有效的。同时也可利用回溜分界面水流的剪切应力能助长较大的扩散角度这一特点，采用突扩边墙使不冲海漫上产生回溜促成较快的扩散。

如何使泄流迅速扩散均匀，使局部最大的单宽流量q为最小，与消能工、翼墙形式和扩张角度、护坦海漫长度等有关（见第二章），可参考有关文献[11，12]。为了便于应用式（3-18）选用q值起见，我们根据模型试验资料加以统计，给出q与已知的平均值qm或闸孔出流值q0的比值，列入表3-1中，以供在没有确切资料时参考引用。这些比值的大小对于消能扩散措施的优劣有决定性的意义，因此也可以用这项比值作为鉴定消能工好坏的一个重要指标[13]。此外尚需说明一点，就是最好的指标并不是进入冲刷河床时的q/qm=1，而是接近下游河道的正常分布关系，或两边足够小的正流速，以避免岸坡的淘刷。一般大型闸坝最好的比值为q/qm=1.1左右。

其次，讨论护坦末端水流的垂直流速分布和它所确定的流态因子2α1-y/h1。同样，应使其尽快调整为最小值以减轻冲刷，该因子与水跃消能工关系密切，可参考图2-31所示的沿程水流的α值，这里不再重复。但应注意到实际工程的运用，由于各级水位的改变及开闸放水的始流情况等，很难避免越槛跌流过程的发生。即使没有跌流，而由于槛后急骤调整流速分布，必将进行做功，淘刷河床，故宜在槛后加强保护。一般块石海漫也易在此处冲动损坏。

在护坦或消力池尾槛后的土质河床，一般多抛块石海漫，以调整流速分布使接近河道的正常情况。如图3-11所示，在断面模型试验中研究海漫逐渐增长时的冲刷结果，从能量系数α'和动量系数α（定义见第二章）都说明对垂直流速分布的调整作用随海漫长度而渐减，同时也再次说明冲刷深度与流态参数因子的密切关系。

出消力池的水流，越过尾槛后虽已迅速转为面流式，但逐渐抵海漫末端却会形成上、下流速相差不大的均流式，见图2-31（a）、（b）。因此，长的水平海漫，其作用只是为继续减小局部q，而对垂直流速分布的流态并没有好处。向下游倾斜的海漫则可保证末端的流态为面流式，见图2-31（c）。从冲刷公式中的流态指标y/h1，可知倾斜海漫的优点。但是根据前面公式的推导过程，如果倾斜坡面比下游的漩涡区分界面还陡时（例如陡于1∶5），就对其上的水流失去作用。在模型中曾进行没有海漫与加1∶5倾斜海漫的比较试验，冲刷深度完全相同。因此，适宜的海漫形式应采用倾斜坡度1∶10～1∶30。

进入冲刷河床前形成面流式流态的同时，其垂直流速分布的动量修正系数α又不宜过大，换句话说就是一般不太突出的面流式，如图3-12（a）所示。若面部流速特别偏大，如图3-12（b）、（c）所示，则会扩大底部的漩涡区，反而不利。罗欣斯基曾进行面部流速特别偏大的冲刷试验，证明冲刷较深，正与本文冲刷公式中所表现的流态参数因子关系相一致。另外对于面流式不大显著的情形，例如最大流速与平均流速的比值时，前面已经谈到仍列为均流式。

为了便于应用冲刷公式选用流态参数因子的值，现在根据试验资料整理给出表3-2，以供没有流速分布时参考引用[1，2]。

根据以上防冲原理，消能扩散措施有：

（1）发挥扩散水跃消能的消力池及其尾槛的布局。

（2）消除侧边回溜的边墙扩张型式。

（3）消减波状水跃的出流平台小槛。

具体内容详见第二章有关消能部分的介绍。