倾斜式消浪板在输水工程中的稳水特性研究

姚履坦，詹 航，王 眺，万五一

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

随着缺水地区供需矛盾的增长，输水工程作为解决水资源分布不均衡的有效措施得到广泛关注。在大规模、长距离、跨流域的复杂输水工程中，由于调控水头、输水流量等实际需要，往往采用分段低压输水系统[1]。作为一种新型输水方式，分段低压输水融合了无压输水和有压输水的优点，在水质和结冰期输水效率方面比无压输水更优，在复杂水力问题控制方面比有压输水更优。为实现分级低压输水，工程中要设置多个衔接建筑物，因而在输水系统全线产生多处有压、无压衔接段。工程中无压段常采用局部明渠或箱涵来衔接水流，由于有压接无压段水流流态复杂，往往伴随强烈紊动和混掺，进而在无压段产生的波浪需向下游传递较长距离才能衰减[2-3]。倘若波浪波动幅度较大，可能导致下游渠道水面持续波动甚至触顶，输水状态不断从无压到有压，再从有压到无压转变，不仅无法让系统按最初的设计标准运行，还可能导致大幅度的压力交变及脉动现象，使得输水过程中伴随气泡或者气垫的产生和消失，引起空蚀空化、振动和冲击等水力危害现象[4]。

为避免波浪向下游传播，保证输水系统的稳定性，简单有效的板式消浪结构受到研究者关注。板式消浪结构是一类下部透空、上部连续，不影响水体交换而能消减大部分波浪能量的消浪结构。最早在1986年，邱大洪等[5]提出的单一薄板式消浪结构在海洋工程中得以应用。Rao等[6]研究了淹没倾斜平板在规则波作用下，波陡、相对水深、浸水深度和倾角等因素对消浪性能的影响；研究发现60°倾角的消浪板在试验中能削减至少40%的波高。王国玉等[7]研究了开孔倾斜平板在二维规则波作用下，倾斜角度和开孔率对消浪效果的影响。王科等[8]通过完全非线性数值波浪水槽技术研究了近自由水面刚性水平薄板的消波特性和消波机理，发现水平板的浅水效应、透射波浪回流和板后波数分解成一系列高频短波是其消波的3个重要原因。

在输水工程中，路泽生等[9]通过试验研究提出在消力池内设置水平消浪板以减小波高，并被甘肃引洮供水工程采用，圆满地解决了原设计方案中水流衔接的问题。杨志祥等[10]为解决闲林水库输水系统水流衔接问题，提出了垂直消波格栅板和水平消波格栅板，发现在消力池存在尾坎的情况下，不宜设置垂直消波格栅板，而水平格栅板位置离水面越近，消波效果越明显。陈晓东[11]通过模型试验发现隧洞加设消波梁时，波高仅有微小的降低，而加设消波板且水面高过消波板时，波高有明显降低。戴熙武等[12]通过数值模拟，分析了分段低压输水系统中堰后水深对水面波动规律的影响，发现当外加扰动频率与水面波动固有频率一致时，即使外加扰动强度很小也会引起水力共振，水面波动幅度大大增加。

此外，有研究发现分段低压输水系统中长明流段对系统运行更有利[13]，而以往关于倾斜式消浪板在此情况下的稳水特性研究仍比较少，不同参数对于稳水效果的影响仍不明确。故本文将通过物理模型试验探究浸水面积、浸水深度和倾斜角度等因素对分段低压输水系统长明流段中倾斜式消浪板稳水特性的影响规律，为其实际应用和优化研究提供参考。

1 基本原理分析

倾斜式消浪板与波浪发生相互作用，导致波浪形态发生改变甚至破碎，进而削减波高，如图1所示。当波浪传播至倾斜式消浪板处，首先发生浅水变形，即由于水深的减小，波长和波速逐渐减小，波高逐渐增大，且波浪的波峰尖起，波谷变坦而宽，当水深减小到一定程度时波浪在消浪板上发生破碎，继而水体沿斜面上涌、爬升，同时在消浪板前随波浪周期产生间歇性的吸气漩涡。布置倾斜式消浪板前后波浪对比如图2和图3所示，未布置消浪板时波面起伏变化较大，布置消浪板后透过消浪板的波浪幅值明显降低。

图1 倾斜式消浪板与波浪相互作用试验照片

图2 未布置消浪板时波浪示意

图3 布置倾斜式消浪板后波浪示意

倾斜式消浪板的稳水特性是复杂的多参数问题，诸如入射波的周期、波幅，消浪板浸水面积、浸水深度和倾斜角度等参数都可能对稳水效果产生影响。为比较不同布置方式下消浪板的稳水性能，本文定义稳水系数作为无量纲量来衡量消浪板稳水效果。稳水系数是指布置倾斜式消浪板后的波高与未布置倾斜式消浪板的波高比值，即

(1)

式中，Ht为布置倾斜式消浪板后的波高；Hi为未布置倾斜式消浪板的波高。

2 物理模型试验

2.1 明渠水槽模型

物理模型试验采用的明渠水槽由有机玻璃制成[14]，糙率n=0.008 0，尺寸为11.0 m×0.3 m×0.9 m(长×宽×高)，斜坡段坡度，几何比尺λL=30∶1。明渠水槽布置如图4所示。水槽末端安装有消能栅栏，用以吸收波浪能量，减少波浪在末端的反射。

2.2 数据采集

试验在倾斜式消浪板前后各布置2个电容式数字浪高仪动态采集波面历时数据，板前布置的两个浪高仪间距Δl1=0.30 m，其中，2号浪高仪与消浪板的距离为0.5 m；板后布置的两个浪高仪间距Δl2=0.2 m，其中，3号浪高仪与离消浪板的距离为0.5 m。浪高仪量程为0.5 m，采样时间间隔为0.01 s，测量精度为±0.1%FS，分辨率为0.01 mm，满足试验要求。试验各工况在波浪稳定后进行采集，每个工况重复3次，每次试验中各浪高仪采样数为10 000个，采样时间为100 s，取3次试验波高特征值的平均值作为结果。

图4 明渠水槽与倾斜式消浪板布置示意

表1 物理模型试验主要变量及范围

2.3 倾斜式消浪板布置

倾斜式消浪板通过顶部支撑固定以达到试验所需的刚度和稳定性，同时可通过调节支撑结构以达到所需的浸水深度和倾斜角度。消浪板模型采用光滑有机玻璃板制成，尺寸为43.0 cm×30.0 cm×0.5 cm(长×宽×厚)。消浪板的布置如图5所示，本试验中浸水深度为2～16 cm，消浪板与静水面的夹角为0°、±15°、±30°、±45°、±60°、±75°、90°。图6给出了变量定义的示意，表1给出了试验的主要变量及其范围。

图5 倾斜式消浪板布置角度示意

图6 模型试验的变量定义示意

3 稳水特性分析与讨论

试验通过上跨零点法统计浪高仪测得的波面历时数据，获得其波高特征值并取平均值作为结果，进而计算得到稳水系数St。本文绘制了稳水系数St与无量纲浸水面积As/A、无量纲浸水深度ds/d和消浪板倾斜角度θ等参数的关系曲线，并对波浪作了频谱分析。

3.1 无量纲浸水面积对稳水特性的影响

由于本试验中消浪板的长度均大于各工况的浸深，相同浸深工况随倾斜角度的变化，消浪板的浸水面积会发生变化。本试验中浸水面积变化范围为0.006～0.129 m2，无量纲浸水面积变化范围为0.046 5～1.000 0，如图7所示。

图7 无量纲浸水面积随消浪板倾斜角度的变化关系

在本试验工况中，对消浪板稳水系数St与无量纲浸水面积As/A的关系进行分析，结果如图8所示。从图8可知：①当无量纲浸水面积As/A≠1，即消浪板不完全浸没水中时，稳水系数随无量纲浸水面积的增大而逐渐减小并趋近于0.4。这可能是由于当消浪板贯穿水面布置时，无量纲浸水面积越大，消浪板与水面形成的“楔形”消浪区域就越大，波浪受阻碍作用和浅水效应所需消耗的能量就越大。②当消浪板完全浸没水中时，结构不直接阻碍表面波浪传播，消浪主要依赖浅水效应，效果受浸水深度影响。

图8 稳水系数随无量纲浸水面积的变化关系

3.2 无量纲浸水深度对稳水特性的影响

试验对稳水系数St与无量纲浸水深度ds/d的关系进行了分析。不同浸水深度下稳水系数平均值如表2所示，发现倾斜式消浪板稳水效果随浸水深度的增大，呈现先增强后减弱的变化规律。

表2 不同浸水深度工况下稳水系数平均值

3.2.1 消浪板水平布置

消浪板水平布置时，稳水系数随无量纲浸水深度的变化关系如图9所示。从图9可以看出，比较消浪板水平布置和稳水系数平均值发现，倾斜式消浪板在贯穿水面布置、无量纲浸水深度大于0.11时，稳水效果普遍优于水平式消浪板。本试验中，水平式消浪板稳水系数St在无量纲浸水深度ds/d=0.06时达到最小值，此时最小稳水系数为0.445；当0.06≤ds/d<0.28时，稳水系数随无量纲浸水深度的增大而逐渐增大；当ds/d≥0.28时，稳水系数增加至1.0，表明此时水平消浪板几乎没有消浪作用。究其原因是水平式消浪板的消浪机理主要为波浪的浅水效应，主要受浸水深度影响，当浸水深度增大时，板的浅水效应迅速变弱，稳水系数增大，稳水效果变差。

图9 消浪板水平布置时，稳水系数随无量纲浸水深度的变化关系

3.2.2 消浪板倾斜布置

消浪板倾斜布置，稳水系数随无量纲浸水深度的变化关系如图10所示。从图10可以看出，当消浪板以±15°的角度倾斜布置时，稳水系数St随无量纲浸水深度ds/d的增大呈现先减小后增大的变化规律，其中+15°和-15°的最小稳水系数分别为0.353和0.351，对应无量纲浸水深度分别为0.33和0.28。这是由于当消浪板以±15°的角度倾斜布置、无量纲浸水深度ds/d≥0.33时，结构已经完全浸没在水中，此时消浪结构不直接阻碍表面波浪传播，主要依赖浅水效应发挥作用，受浸水深度影响较大，稳水系数随浸水深度的增大而增大。试验结果表明，+15°和-15°倾斜布置的消浪板分别在0.11≤ds/d≤0.39和0.11≤ds/d≤0.28时，可有效消减50%以上的波浪高度，即两者的最优稳水效果没有差异，但+15°布置比-15°布置的消浪板有更大的浸水深度适用范围。

当消浪板以±30°、±45°、±60°、±75°和90°倾斜布置时，稳水系数St随无量纲浸水深度ds/d的增大呈现逐渐减小并趋近于0.4的变化趋势，最小稳水系数出现在无量纲浸水深度ds/d=0.44，消浪板以-30°倾斜布置时，极小值为0.278。根据消浪板以±15°布置的变化规律可以预见，随无量纲浸水深度进一步增大，稳水系数达到最小值后将逐渐增大。

图10 消浪板倾斜布置，稳水系数随无量纲浸水深度的变化关系

3.3 倾斜角度对稳水特性的影响

试验对稳水系数St与倾角θ的关系进行了分析。不同倾斜角度下稳水系数平均值见表3。从表3可知，倾斜式消浪板稳水效果整体随倾斜角度绝对值的增大，呈现先增强后减弱的变化规律。

表3 不同倾斜角度工况下稳水系数平均值

3.3.1 正负倾角对稳水特性的影响

稳水系数随消浪板倾斜角度的变化关系如图11所示。从图11可知：①当消浪板以±15°、±30°和±45°的角度布置，无量纲浸水深度ds/d≤0.17时，正倾斜角度比负倾斜角度工况有略小的稳水系数，原因是负角度倾斜式消浪板会引导部分水流向下传播，在与中等水深的颗粒相互作用后一部分能量传播到消浪板后，使得板后波浪的扰动加剧，稳水系数偏大。②当无量纲浸水深度ds/d>0.17，消浪板未完全浸没工况，负倾斜角度相比正倾斜角度工况有略小的稳水系数，这是由于随浸深增大，经负角度倾斜式消浪板引导向下传播的水流与水底层低能量颗粒混合并与明渠水槽底部发生碰撞，从而削减了向下游传播的波浪。③当消浪板以±60°、±75°和90°的角度倾斜布置时，正、负倾斜角度工况稳水系数没有差异。这是由于随倾斜角度的增大，结构趋向于垂直布置，波浪的垂直反射作用增大，负角度倾斜式消浪板引导水流向下传播的作用逐渐减弱。

图11 稳水系数随消浪板倾斜角度的变化关系

从稳水效果看，在不同的浸水深度、倾斜角度等条件下，消浪板正、负倾斜角度布置最大可能产生10%的效果差异，但整体而言稳水效果不存在区别。此外，试验发现消浪板正倾斜角度布置时，板前水位雍高；负倾斜角度布置时，消浪板不易固定，且将引导水流持续冲刷明渠水槽底部。

3.3.2 倾角大小对稳水特性的影响

在无量纲浸水深度ds/d=0.06时，稳水系数St随消浪板倾斜角度绝对值|θ|增大而逐渐增大。在0.11≤ds/d≤0.28工况，当|θ|≤15°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而快速减小；当|θ|>15°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而逐渐增大，此时最小稳水系数位于θ=±15°处。在0.33≤ds/d≤0.39工况，当0°≤θ≤15°和-30°≤θ≤0°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而快速减小；当θ>15°和θ<-30°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而逐渐增大。在ds/d=0.44工况，当0°≤|θ|≤30°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而快速减小；当|θ|>30°时，稳水系数随倾角绝对值的增大而逐渐增大，此时最小稳水系数位于θ=±30°处。

3.4 倾斜式消浪板波浪频谱特征分析

为探究倾斜式消浪板的消浪机理、波浪特征，试验对布置倾斜式消浪板前后的波浪进行频谱分析，结果如图12所示。

从图12可以看出，在无量纲浸水深度ds/d=0.22工况，当倾斜角度为±30°、±60°和90°时，消浪板可以明显削减入射的波浪能量，尤其是频率大于2 Hz的波浪能量均得到了较大幅度的消减，这说明消浪板与明渠水槽波浪的相互作用能极大耗散波浪中频率大于2 Hz部分能量。此外，从图12b还可知，当消浪板以60°倾斜布置时，相比于-60°工况，其在低频区域产生了扰动波浪成分。

图12 无量纲浸水深度为0.22时，不同倾斜角度消浪板的波浪谱

4 结 论

(1)通过物理模型试验研究分段低压输水系统长明流段中倾斜式消浪板的稳水特性，发现当波浪传播至倾斜式消浪板前，首先受浅水效应影响波浪形态发生改变，然后波浪在消浪板上发生破碎，继而水体沿斜面上涌、爬升，同时在消浪板前随波浪周期产生间歇性的吸气漩涡。

(2)本试验中，倾斜式消浪板的稳水效果随无量纲浸水面积的增大而增强，而随浸水深度和倾角绝对值的增大均呈现先增强后减弱的变化规律。当消浪板贯穿水面倾斜布置、无量纲浸水深度大于0.11时，稳水效果优于水平式消浪板，特别对波浪中频率大于2 Hz的波浪成分有比较好的削减效果，消浪机理主要为板的浅水效应、直接阻碍效应和引导高、低能量水体混合效应。

(3)从稳水效果看，在不同的浸水深度、倾斜角度等条件下，消浪板正、负倾斜角度布置最大可能产生10%的效果差异，但整体而言稳水效果不存在区别。此外，试验发现消浪板正倾斜角度布置时，板前水位雍高；负倾斜角度布置时，消浪板不易固定，且将引导水流持续冲刷明渠水槽底部。