1、收稿日期：；修回日期：基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（）；国家重点研发计划项目（）作者简介：程永辉（），男，山东博兴人，正高级工程师，硕士，主要从事岩土工程加固及防汛抢险技术方面的研究。：通信作者：陈 航（），男，湖北武汉人，工程师，博士，主要从事金属结构及岩土工程加固方面的研究。：，（）：基于水工消能原理的溃口水流降速方法程永辉，陈 航，熊 勇（长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉）摘 要：溃口险情具有发生难以预测、发展速度极快、抢险难度很大的特点。目前溃口抢险的方法主要是采用机械化作业加抛投物料。在溃口发展期，口门处水头差大、流速快、物料极易被冲走，因此往往是
2、在水流流速减缓后进行堵口。这不但降低了抢险的时效性，而且使堤内经受长时间洪水涌入造成了较大的经济损失。针对较高速水流条件下堵口的难题，从降低水流流速的角度出发，基于水工消能原理，发明了一种水流降速结构物，对其降速的基本原理进行了分析，并通过模型试验和数值模拟方法研究并验证了其降速效果和受力性能，最后提出了溃口水流的降速方法。研究成果可降低较高流速下溃口抢险的难度，使得较高流速下溃口封堵成为可能。关键词：溃口；水工消能；降速结构物；水流降速方法；堵口抢险中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；研究背景据历史文献记载，在新中国成立前的 间，仅湖北省境内的江汉干堤溃口达 次，年之前的
3、多年时间中，黄河发生决口 多次。新中国成立后，年长江特大洪水造成长江干堤和汉江下游堤防溃口 处，扒口 处，支堤、民堤溃口无数。年长江特大洪水长江干堤只有九江大堤一处决口，长江中下游干流和洞庭湖、第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 鄱阳湖共溃垸 个。年长江流域洪水未造成干堤决口，在鄱阳湖造成多处圩堤溃决。随着我国水利设施建设的不断完善，溃口的发生频次虽然逐渐减少，但一旦发生，对人民生命财产安全造成的损失巨大。并且堤防溃口发生的位置往往难以预测，溃口从发展到产生速度极快，堵口物资极度缺乏，应急抢险难度很大。堵口一般采用抛投物料的方法进行，传统堵口采用柳枝、秸秆、土石料等简易材料作为埽
4、工材料，。随着我国机械工业水平的不断提高，船舶、载重汽车等工程机械在堵口中广泛应用，抛投物料采用自重和体积更大的石块和混凝土块。然而，当抛料点流速过快时，抛投料很容易被高速水流冲走，无法实现物料沉底进而堵口。因此，势必需要自重大的抛投料，利用其自重来抵抗水流的冲击，如 年九江溃口采用沉船初堵，减小溃口的过流量及流速。但是使用自重大的抛投料存在诸多问题：一方面是运输不便，即使使用沉船也存在安全和经济损失较大的问题；另一方面，对于自重较大的抛投料，堵口完成后的后续清理也很麻烦。针对抛投料和抗冲结构物的选择及其抗冲稳定性的问题，很多学者进行了研究。伊兹巴什和哈德列针对平堵提出了块石抛投稳定性计算的伊
5、氏公式。肖焕雄等在伊氏公式的基础上，改进并推导了混凝土四面体和立方体的抗冲稳定计算方法。杨光煦，研究了抛石堵口过程中水力学特征，建立了堆石抛投体在流水中的抗冲稳定性验算方法。在抗冲结构物方面，许多学者提出并研制了不同种类的抗冲结构物，包括钢木组合结构、橡胶坝、螺旋锚组合坝、火箭锚钢网石笼、箱型结构物、装配式快速堵口装置等。这些抗冲结构物虽然在不同程度上均能降低抛投料的流失率，但基本都是在溃口发展一段时间且水流流速减缓的条件下进行堵口。而在溃口发展初期水头差较大、水流流速较快时，上述抗冲结构物无法对溃口水流流速进行削弱，在高流速条件下抗冲稳定性较差，堵口的适用性尚未进行验证。在溃口较高速水流条件
6、下减小抛投料的流失率，除了改变抛投料外，采取措施降低水流流速是一个非常直接和有效的方法。降低水流流速即降低水流的动能，在水工建筑物中一般通过修建消能工使水流内部发生紊动、碰撞和摩擦，从而使水流的动能转变为热量进而耗散。在溃口中，虽然无法修建消能工，但可以利用其消能原理，在溃口水流中打桩安装特定结构物，使水流冲击结构物后改变流向，发生紊动、碰撞和摩擦，进而消耗动能降低流速。本文基于水工消能原理，针对溃口水流降速这一问题，发明了一种水流降速结构物，对其降速的基本原理进行了分析，并通过模型试验和数值方法研究验证了其降速效果和受力性能，最后提出了溃口水流的降速方法。本文从降低溃口水流流速的角度，降低高
7、流速下溃口抢险的难度，大大减小抛投料的流失率，提高堵口效率，使得高流速下溃口封堵成为可能。溃口水流降速基本原理在泄水建筑物和落差建筑物的建设中，为防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏，通常修建消能工消耗和分散水流的能量。消能工工作性能的类型主要有底流、面流、挑流、收缩流消能等。其功能常通过以下方面的综合作用而实现：水流内部的紊动扩散和摩擦；水流与边壁的摩擦与碰撞；水流在空气中的扩散以及与空气的强烈掺混等。消能工的实质是促进水流的动能最终转变成热量而耗损，或使水流的动能分散以减弱对建筑物及河渠的破坏作用。基于消能工的原理，在溃口条件下，为实现溃口水流降速和消能，发明了一种特定的降速
8、结构物，具有以下几个特点：结构物受水流冲击后能持续转动；能使水流冲击后产生紊流；水流冲击力的合力不大。基于以上几个特点，该降速结构物能使水流的动能一部分转化为降速结构物转动的动能，另一部分通过在降速结构后方形成紊流以及与降速结构物摩擦 种形式转化为内能，其转化关系见式（），原理如图 所示。，。（）式中：，为水流动能的减少量；，为降速结构物动能的增量；为水内能的增量。溃口水流降速结构紊流转动图 降速结构物消能原理 长江科学院院报 年 由于水流基本是由河道向堤外流动的，流向与堤防垂直，要使降速结构物能在水流冲击下持续转动，其横截面的几何形状必须呈中心对称，如图（）所示，为中空带弧形叶片的构型，整体
9、为中空弧形叶轮，每片弧形叶片相互独立，上下各与一块端板固定连接，端板与转轴相连，所有叶片可绕转轴自由转动。利用 打印制作降速结构物模型，如图（）所示，放入水流中进行冲击试验。结果表明：中空弧形叶轮截面降速结构物能在水流冲击下始终绕一个方向持续转动，在降速结构物后方能形成涡流、降低水位。转轴叶片(a)(b)图 降速结构物 该降速结构物绕转轴转动，可通过预先安装具有较高水平承载力的圆桩结构为降速结构物提供竖向支撑和水平抗力。在实际堵口中，在裹头处通过机械设备首先向溃口中植入带有翼板的大水平抗力桩，然后在水流中安装降速结构物，实现降速结构物的定位、安装以及持续工作。降速结构物降速原理的数值验证为验证
10、降速结构物的降速原理，采用数值模拟方法对水流冲击降速结构物后水流流场和流速进行分析。这里考虑封闭管道的边界条件，并将降速结构物视为静态的边界，不考虑复杂的流固双向动态耦合问题。模型设置利用计算流体动力学数值模拟技术，采用标准 湍流模型，模拟计算封闭管道中水流流经降速结构物后流速的分布。数值模型中，降速结构物的尺寸为 ，其截面如图（）所示，上下固定板直径 ，厚 ，上下固定板之间叶片高度为 ，呈绕中心旋转对称布置，共 片，相邻两片之间的夹角为，每个叶片呈月牙形，由 半 径 不 同 的 圆 弧 共 弦 围 绕 而 成，弦 长 为，两段圆弧对应的圆心角分别为 和；所有月牙形叶片围绕而成的中心对称体的内
11、直径为，即内部有直径 的圆柱体过水空间。计进口出口边壁边壁降速结构物图 三维几何模型 算域为方形管道，尺寸为 ，三维几何模型如图 所示。网格划分使用四面体 网 格 划 分，使 用 算法，指定降速结构物表面上的单元尺寸为 ，计算域最大单元尺寸为图 降速结构物网格划分 ，划 分 网 格 后共计 个 节 点、个单元。经检查，降速结构物附近计算域网格划分精细，各叶片及固定板无异常划分网格，如图 所示。边界条件中保证封闭管道内入口处流速均匀，在进口设置速度入口边界条件，其速度方向沿管道长度方向，垂直于入口平面，速度大小分别设为 和 ；壁面边界条件设置为无滑移条件；出口设置为出流边界条件。边壁与降速结构物
12、的距离约为其尺寸的 倍，对其附近流场的计算影响可忽略。模型计算结果在进口流速 和 条件下降速结构物高度中点所处平面上流速的计算结果如图 所示。图（）和图（）中流速矢量计算结果表明，水流经降速结构物后，一部分从两侧绕流，一部分从中空叶轮内部穿过，在降速结构物后方形成涡流。为更好地显示降速区域，将图（）和图（）降速结构物高度中点所处平面的速度云图中最大显示速度减小。可看出，在降速结构物后方形成了明显的降速区域，该区域具有一定的面积，同时降速效果随着与降速结构物的距离变大而越来越弱。改变水流对降速结构物的冲击角度，由于降速结构物呈中心对称，且 片月牙形叶片相邻夹角为，因此水流冲击方向每变化 即重复一
13、次，分别计算、和 三个水流冲击方向的流场分布与降速结构物受力，水流的速度分布与图（）和图（）类似，在 水流速下降速结构物受到的转动力矩计算结果分别为、，始终为正，转动力矩方向垂直平面向里，转动方向如图 所示，可以推断在水流冲击下降速结构物能始终 第 期程永辉 等 基于水工消能原理的溃口水流降速方法图 流速数值计算结果 朝着一个方向转动。数值模拟计算得到的流速和受力结果表明，降速结构物的降速原理成立。图 降速结构物旋转方向 水槽模型试验 试验装置采用水槽试验对溃口水流降速结构物的降速和挡水效果进行研究。试验水槽长 ，宽，深，顺水流坡度 为，降速结构物模型叶轮直径为 ，高 ，叶轮底部距离水槽底 ，
14、叶轮上下端板与转轴相连，转轴底部与水槽底固定连接。试验中通过控制流量改变水流流速，试验装置平面布置如图 所示。图 模型水槽布置示意图 试验方案试验研究中空弧形叶轮截面降速结构物在不同流速条件下的降速效果以及所受水流冲击力的大小。试验分组如表 所示，采用封闭圆筒形式作为对照试验，比较不同截面形式的降速和挡水性能，封闭圆筒和中空弧形叶轮沿水流方向的外轮廓投影面积相同。表 试验参数设置 分组序号降速结构形式上游流速（）备注封闭圆筒中空弧形叶轮中空弧形叶轮封闭圆筒和中空弧形叶轮沿水流方向的外轮廓投影面积相同 试验中，利用百分表测量降速结构物转轴顶部沿水流方向的水平位移，利用 型流速仪测量不同位置处水流
15、流速，利用刻度尺测量不同位置处水位。表 中上游流速为降速结构上游 距离（为降速结构直径）、水深 位置处测得的流速。试验结果 降速效果对比不同的截面形式和不同水流流速下降速结构物的挡水效果，如图 和图 所示。试验结果表明，封闭圆筒和中空弧形叶轮均有一定的挡水作用。水流冲击封闭圆筒后，水流从圆筒两侧绕流，然后在圆筒后方汇聚，在圆筒后方形成较小的水位落差，并且圆筒不会发生转动，降速效果较小。对于中空弧形叶轮截面降速结构物，水流从叶轮两侧以及内部叶片间绕流，多股水流在结构物后方汇聚形成紊流，长江科学院院报 年 同时水流冲击使叶轮发生持续转动，叶轮上下游形成明显的水位差，随着流速增大，水位差越来越大。(
16、a)(0.5 6 m/s)(b)(0.5 6 m/s)(c)(0.9 0 m/s)图 降速结构物水槽试验 00.10.20.30.40.50.6位置2 02 12 22 32 4水位/c m00.20.40.60.81.0流速/(m s-1)降速结构物-5 DD2 D3 D4 D0(a)(0.5 6 m/s)位置-5 DD2 D3 D4 D0位置-5 DD2 D3 D4 D000.10.20.30.40.50.6流速/(m s-1)2 02 12 22 32 4水位/c m2 02 12 22 32 4水位/c m流速/(m s-1)(c)(0.9 0 m/s)(b)(0.5 6 m/s)降速结构物降速结构物流速,水深5 c m流速,水深1 0 c m水位图 流速与水位沿程变化 从图 中测得的流速和水位可以看出，在降速结构物的下游，水位先显著降低后逐渐升高，主要是由于降速结构物的挡水作用使得大部分水流从两侧绕流，然后在降速结构物下游逐渐汇聚。以降速结构物的直径 作为单位长度，对于中空弧形叶轮截面，在其下游长度 的范围内，水流流速均有明显的速度下降，从水深 与 的速度沿程分布来看，顺水槽
