【正文】 向，產(chǎn)生沖擊波，從而無(wú)論沿縱向或橫向都有水深的劇烈起伏。 現(xiàn)以圖 5— 45 所示的圓弧曲線等 寬矩 形槽為對(duì)象進(jìn)行分析。流速為 v 的急流從直段進(jìn)入彎段后，由于外墻向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，從 A 點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生沖擊波， 使水面壅 高，正擾動(dòng)線沿 AB 方向；同時(shí)由于內(nèi)墻向外偏轉(zhuǎn)，從 39。A 點(diǎn)開(kāi)始水面降落，負(fù)擾 動(dòng)線沿 39。AB 方向，兩線匯交于 B 點(diǎn)。 B 點(diǎn)以下兩墻 的擾動(dòng)便互相影響，擾動(dòng)將不再沿直線傳播，而 分別沿 BD 和 BC 線傳播。結(jié)果 ABC 區(qū)是只受外墻影響的范圍，水面沿程增高，至 C點(diǎn)達(dá)到最高； 39。A BD 區(qū)是只受內(nèi)墻影響的范圍，水面沿程降低，至 D 點(diǎn)達(dá)到最低 CBD以下受兩墻交互影響，不斷發(fā)生波的干涉和反射并傳向下游。 為得到從起點(diǎn) (A、 39。A )開(kāi)始，沿邊 墻 水深變化的規(guī)律，原則上可按前述邊墻 微小轉(zhuǎn)折引起的沖擊波理論分段逐步計(jì)算 ， 但較繁瑣。引用下列近似 公式 ，可使計(jì)算簡(jiǎn)便 得多： （ 583） 式中： h 為沿邊墻的水深； ? 為該水深處計(jì)算點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角； 1? 為相應(yīng)于 上 游原來(lái)水 深 1h 的波角。人們最關(guān)心的自然是那些 h 為最大值或最小值 (即圖中標(biāo)有“ max”或“ min”點(diǎn) )時(shí)，相應(yīng)點(diǎn)的 ? 。通常認(rèn)為第一個(gè)最大和最小水深的位置發(fā)生在 39。OC 與外墻 、內(nèi)墻的交點(diǎn) C、 D 上，表征這 — 位置的 ? 。就是擾動(dòng)圖形的半波長(zhǎng)。由圖中幾何關(guān)系可知， （ 584） 既然 0? 是半波長(zhǎng)，則此后水深最大值將依次發(fā)生在沿外墻的 03? 、 05? 、??等處，沿內(nèi)墻的 02? 、 04? 、??等處；而水深最小值則發(fā)生在沿外墻的 02? 、 04? 、??等處，沿內(nèi)墻的 03? 、 05? 、??等處。由于連續(xù)漸變彎段導(dǎo)致的沖擊波屬于緩沖擊波，故其波角應(yīng) 為： （ 585） 如要消減彎道水流的波動(dòng)形態(tài)，則僅為平衡離心力而需的內(nèi)外墻水深之差就有： （ 586） 而在發(fā)生急流沖擊波的情況下，以 0??? d＝ 6u 代入式 (5— 83)，所得內(nèi)外墻水深之差接近式 (5— 86)所定 h? 的 2 倍，故內(nèi)外墻水而差 z? 可統(tǒng)一寫(xiě)為： （ 587） 式中： ? 為一系數(shù)，對(duì)于緩流，取 1?? ＝ ll 對(duì)于急流，取 2?? 。 工程上消減彎段急流沖擊波的措施，從原理上說(shuō)主要有兩類(lèi)：①給槽內(nèi)所有流線施加一個(gè)側(cè)力，使水流平衡不受干擾；②在彎段曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)引入另一種干擾，使原受干 擾得以抵消。 槽底超高法是屬 于第一類(lèi)的主要方法。如圖 5— 46(b)所示，該法使 槽底具有 與水面相平行的橫向坡降，從而使 沿橫 向坡度的重力分量與離心力等值反向而達(dá)到平衡。式 (5— 87)已示出水面的橫向斜率，應(yīng)注意，該式是以中心線曲率半徑 CR 表達(dá)的平均值，實(shí)際上 R 不同處斜率也不同，故內(nèi)外墻總 超高 值 z? 最好用下式所示的積分結(jié)果： （ 588） 如欲求槽底其它點(diǎn)相對(duì)內(nèi)邊墻槽底的超高值 39。z? ，則由該點(diǎn)曲率半徑 CR 可 （ 589） 采用這種方法時(shí)，槽底超高在曲線 兩端要漸變引入，以免由水平槽底突變成超高槽底，或由超高槽 底突變?yōu)樗讲鄣讜r(shí)引起強(qiáng)干擾。漸變引入超高時(shí)，平面上也應(yīng)加漸變曲線，其曲率半徑從直段末的 ? 逐漸變小到 有限值 CR ，然后又從 CR 變到下一直段起點(diǎn)的 ? 。為此，可考慮用鐵路漸變線布置。按圖 5— 46(b)所示取坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于直段末端、彎段起點(diǎn)， x 軸 垂直于槽底中心線， y 軸在原點(diǎn)切于彎段中心線，于是漸變段中心線任一點(diǎn) P(x， y)的坐標(biāo)為： （ 590） 式 中：參數(shù) xL 為 op? 的曲線長(zhǎng)，每給一個(gè) xL 可確定一對(duì)坐標(biāo)值； c C CLR?? , C? 為前后兩直 段中心線的總偏折角，以弧度計(jì)。 圖 546 彎段陡槽槽底超高布置 應(yīng)用槽底超高法時(shí)，常以降低內(nèi)側(cè)槽底來(lái)獲得外側(cè)槽底的相對(duì)超高 z? ；也可通過(guò)內(nèi)側(cè)降 ? ，面外側(cè)升 ? 來(lái)實(shí)現(xiàn)。它適用于 泄槽流量經(jīng)常等于或接近設(shè)計(jì)流量的情況，可做到完全免除沖擊波引起的水面升高。其缺點(diǎn)是：當(dāng)實(shí)泄流量與 設(shè)計(jì)流量相差很大時(shí)， 不 能保持彎道水流平衡。不過(guò)，當(dāng)實(shí)泄流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，所生擾動(dòng)可保持在設(shè)計(jì)水面線之下。 彎段用復(fù)曲線布置居于第二類(lèi)干擾處理方法。如圖 5— 47 所示，彎段由 3 段曲線組成，中間 段半徑為 cR 、中心角為 c? (可視需要取任何值 )，為主曲線段．其前后備接半徑為 tR 、中心角為 t? 的捕曲線段。由前述沖擊波理論可知， 為使從 39。A 點(diǎn)出發(fā)的反 干擾最有效地抵消從主曲線段起點(diǎn) B 出發(fā)的正干擾，所需 cR 、 c? 為： （ 591） 圖 547 陡槽段的復(fù)曲線布置 有了從 39。AA 到 39。BB 的前輔曲線段后，水流從宜段進(jìn)入此段后，水面內(nèi)外側(cè)高差將逐漸加 大到僅由離心力決定的平衡值，并在主曲線段全程保待這種狀態(tài)。然而，如主曲線段在 39。CC 結(jié)束時(shí)，突然讓水流進(jìn)入下游直段，則一新的擾動(dòng)又 將發(fā)生，而影響下游?？梢宰C明，從 39。CC 到 39。DD 再加一段具有同樣 tR 、 t? 的后捕曲線段，則將消除下游直段擾動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)表明，高流速泄槽彎段按復(fù)曲線布置，能較 好地消除波動(dòng)，但不消除離心力的影響。 第三節(jié) 深式泄水 孔 洞布置的水力學(xué)問(wèn)題 一、短壓力進(jìn)水口式無(wú)壓泄水孔洞 作為高水頭水利樞紐深式泄水建筑物的無(wú)壓泄水隧洞或壩身無(wú)壓泄 水孔，在我國(guó)應(yīng)用很廣。這類(lèi)泄水孔洞多具有短壓力進(jìn)水口，并裝備控制閘門(mén)，通過(guò)閘 孔下游斷面高度突擴(kuò)，實(shí)現(xiàn)洞身的無(wú)壓流態(tài)。這類(lèi)泄水建筑物水力特性的優(yōu)劣，主要取決于進(jìn)水口段的體型、輪廓尺寸設(shè)計(jì)的合理性，至于其后的無(wú)壓孔洞，則很大程度上與前節(jié)討論的明流陡槽 相似。 (一 )進(jìn)水口 體型 壩身底孔和河岸隧洞采用短壓力進(jìn)水口的典型布置示例如圖 5— 48 所示，一般由進(jìn)口段 AE 、檢修門(mén)槽段 EF 和壓板段 FG 等 3 部分組成，壓板段末端常用弧形工作門(mén)控制。整個(gè)進(jìn)水口的總長(zhǎng)度很短，一船在末端孔高的 2 倍以內(nèi)。很高的水頭在如此短距離內(nèi)降落，壓坡線必定很陡 。如果體形不好，會(huì)在過(guò)流邊界的某些局部產(chǎn)生較大的負(fù)壓，甚至引起空 蝕破壞，因此，合理設(shè)計(jì)體型十分必要。 圖 548 深式泄水孔洞短壓力進(jìn)水口實(shí)例 （ a）伐烏 — 代耶水電站進(jìn)口體型 （ b）劉家峽水電站右岸泄洪道進(jìn)水口得體型 進(jìn)口段頂部 AE 宜由橢圓曲線 AC 和其后切線 CE 兩部分組成。橢圓的 長(zhǎng)軸半徑約等于進(jìn)口段末端孔高 D，短軸半徑為長(zhǎng)軸半徑的 一 較好。這種頂部曲線可使壓力分布平順且壓力值也較高。據(jù)章福儀的試驗(yàn)研究，橢圓曲線 AE 的方程可統(tǒng)寫(xiě)為： (592) 式中 K 一般取為 1，但也可稍大于或稍小于 l，而使長(zhǎng)、短鈾半徑在數(shù)值上取整。切 線 CE 的坡度宜采用 1； 5— 1： 6。 試驗(yàn)表明，壓板段 F℃的壓力分布規(guī)律顯示，末端上角隅處壓力最低。故在選擇頂坡以及 F、 G 兩處過(guò)水?dāng)嗝娑e收縮比允 21AA時(shí)，應(yīng)以該角隅 處不產(chǎn)生負(fù)壓為準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果指出，壓板段頂坡宜采用 1:4— 1:5，并使 21AA＝ o． 83o． 92。頂坡及 21AA，確定后，壓板段長(zhǎng)度即可定出。結(jié)合泄流量所需過(guò)水?dāng)嗝妫?F、 G 的高程也可確定。而 E、 F 為檢修閘門(mén)槽 的上、下游點(diǎn)，應(yīng)取相同高程。在 E 點(diǎn)高程及 CE 段頂坡 (設(shè)為s， )已定的情況下，表征切點(diǎn) C 位置的 x、 y 坐標(biāo)可由 下列 兩式聯(lián)立解出： （ 593） 由此， C、 A 兩點(diǎn)高程亦 隨之確定。 為使進(jìn)口水流平順，進(jìn)口上游面與力 AC 在 A 相切的垂直面高度不宜小于 1 倍孔高，否則將使進(jìn)口曲面上壓力明顯降低。 進(jìn)口兩側(cè)面也宜用橢圓曲線： (594)式中： l 為進(jìn)口段水平長(zhǎng)度，可取 ? 。 進(jìn)口底部形態(tài)要求不必太嚴(yán)，是否需用曲線， 主要視水流能否平順進(jìn)入面定，參 見(jiàn) 5— 48 兩例。 (二 )泄流能力 短壓力進(jìn)水口泄流能力的計(jì)算公式可寫(xiě)為： （ 595） 式中： ? 為流量系數(shù)； 2A 為壓板末端 G 處的控制斷面積； d 為該斷面高度； H 為底部高程以上總水頭。按前述基本布置方式，一般 ?? ，并有下列求 ? A 的經(jīng)驗(yàn)公式： (596) 式中： 2s f2 為壓板段頂坡。 (三 )壓力分布 短壓力進(jìn)水口頂面壓力分布可用無(wú)因次的壓力降落系數(shù)來(lái)表示。仍如圖 5— 48 所示，進(jìn)頂面分為進(jìn)口段 AE 和壓板段 FC，兩者的壓力降落系數(shù)可分別表示為； (597) (598) 式中： ? ?1d iC 、 ? ?2d zC 分別為進(jìn)口段頂面和壓板段頂面上 i點(diǎn)的壓力降落系數(shù)； ? ?ipz??為 i 點(diǎn)的測(cè)壓管水頭； H 為 以進(jìn)口底部為基準(zhǔn)的水頭， 1v 為進(jìn)口段末端斷面平均流速 2v為壓 板段末端斷面平均流速。 進(jìn)口頂面的壓強(qiáng)分布，一般沿頂面中線的壓強(qiáng)較高，沿角頂?shù)膲簭?qiáng)較低。根據(jù)章福儀 的試驗(yàn) ，進(jìn)口段 ? ?21,dC f A A l a? 的關(guān)系線如圖 5 — 49 所示，壓板段? ?21,dC f A A l L? )的關(guān)系線如圖 5— 50 所示。兩者均以壓板段頂坡 1： 4 為前提，圖中 21AA均指壓板段末 瑞斷面積與始段斷面積之比； la為進(jìn)口段從上游面至計(jì)算點(diǎn)的水平長(zhǎng)度與進(jìn)口頂部橢圓曲線長(zhǎng)軸半徑之比； lL為從壓板段上游端至計(jì)算點(diǎn)水平長(zhǎng)度與壓板段總水平長(zhǎng)度之比。一般新設(shè)計(jì)進(jìn)水口時(shí)，主要關(guān)心壓板段上的壓力情況，圖 5— 50 對(duì)于選擇合適的 21AA以及 lL有較大的參考價(jià)值。 圖 549 短壓力進(jìn)水口進(jìn)口段壓 降系數(shù) （ a）進(jìn) 口段頂中線的 21AA與 dC 關(guān)系 圖 (b)進(jìn)口段頂角的 21AA與 dC 關(guān)系 圖 圖 550 短壓力進(jìn)水口壓板段壓降系數(shù) （ a）壓板段頂中線 dC 與 21AA的關(guān)系圖（ b）壓板段角頂邊 dC 與 21AA的關(guān)系圖 (四 )檢修門(mén)槽 段和閘門(mén)井的水力特性 設(shè)計(jì)短壓力進(jìn)水口時(shí)，對(duì)檢修門(mén)槽及其上閘門(mén)井的水力持性也應(yīng)關(guān)心。如圖（ 5— 51)對(duì) 2 兩斷面和 3 兩斷面可分別寫(xiě)出能量方程： （ 599） （ 5100） 式中： 2022H H v g?? ，一般進(jìn)水口前行近流速 0v 很小，可用 H 代替 0H ， wh 和 wv 分別 為檢修閘門(mén)井 ，以底部高程為基準(zhǔn)的水深及斷面平均流速； 2v 認(rèn)為壓板段出口的平均流速； a 為動(dòng)能分布不均勻系數(shù)； 1? 、 2? 分別為 2 兩斷面間 和 3 兩斷面間的水頭損失系數(shù)。于是，當(dāng)忽略 0v 時(shí)由式 (5— 99)、式 (5— loo)可得： （ 5101） 試驗(yàn)表明， ? ? ? ? ? ?21wH H H d f A A? ? ?關(guān)系曲線如圖 5— 51(b)所示，其經(jīng)驗(yàn)擬合 式可寫(xiě)為： （ 5102） 圖 551 短壓力進(jìn)水口檢修閘門(mén)井內(nèi)水位 由于檢修門(mén)槽附近邊界變化復(fù)雜，水流極易在此產(chǎn)生空化，設(shè)壓板段正是為了提高檢修門(mén)槽段的壓力分布，防止空化，以免空蝕。合理的壓板頂坡以及門(mén)槽型式是從體型設(shè)計(jì)方面減免空蝕的土 要途徑。 （ 五 )無(wú)壓泄水孔洞的洞身段 短壓力進(jìn)水口以下的無(wú)壓泄水孔洞洞身斷面可為矩形、門(mén)洞形或馬蹄形，縱坡一般用陡坡 ， 在水力學(xué)上，與前節(jié)溢洪道陡槽類(lèi)似。但須注意，孔洞為封閉斷面，自由水面以上應(yīng)有足夠的凈空以滿足通氣要求。高流速隧洞中，水面線本身要附加摻氣的影響，摻氣水面以上凈空面積應(yīng)不小于洞身斷面積的 15%~ 25% 。通氣的凈空條件不足，高速水流帶來(lái)的影響和后果較明槽情況嚴(yán)重。 二 、有壓泄水孔洞 有壓泄水孔洞泄水運(yùn)行時(shí)洞內(nèi)沒(méi)有自由水面，自進(jìn)口至出口全程都保持滿流 狀態(tài)；洞 內(nèi)流態(tài)平 穩(wěn) ，測(cè)壓管水頭處處大于零，因而，一般不存在空化、空蝕問(wèn)題 。但進(jìn)、出口段附近設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，也有局部負(fù)壓、空化和空蝕的可能。另外，過(guò)水?dāng)嗝嬉粯拥那闆r下，有壓孔洞的沿程阻力和局部阻力較無(wú)壓孔洞大。故為減小摩阻損失、提高泄流能力和防止局部空蝕，有壓泄水孔洞也應(yīng)有良好的體型設(shè)計(jì)。 (一 )進(jìn)水口 有壓泄水孔洞進(jìn)水口一般也采用平底、三向收縮的矩形斷面孔口。上唇和側(cè)墻仍采用橢圓曲線，曲線方程見(jiàn)式