景观瀑布的水力设计试验研究.doc

关键词景观瀑布水舌长度射流堰上水头0 前言随着城市建设的发展 ,市民公共广场的建设在 各种规模的城市中不断涌现 。景观瀑布在广场建设 中因其充满活力的动感 、丰富多变的姿态起着画龙 点睛的作用 。然而目前 ,我国现有的设计手册资料中对瀑布的设计只提出了不同堰型的水力学公式 , 而对于不同流量条件下瀑布的姿态 、镜面水舌长度 、 高速水流在什么样的条件下发生破碎 、堰面光洁度 对水舌的影响等各种对观赏性产生重大影响的因素 的定性或定量分析则基本上是空白 ,因而使设计人员在对景观瀑布进行水力设计时往往难以确定怎样 的流量 、堰上水头等参数才能满足景观创意的要求 。浙江大学建筑设计院承担设计的象山市民广场 工程 ,广场中的主景为长达 30 m ,落差 319 m 的景 观瀑布 ,该瀑布设计的成功与否事关整个工程的主体形象 。因此 ,浙江大学建筑设计院委托浙江大学 水工结构与水环境研究所按 11 的比例设计了一个 宽度为 1 m 的瀑布水力模型 ,对不同堰型变化参数 进行水力试验 ,观测瀑布形态 ,拟通过研究解决以下 几个问题 : 通过试验观察景观瀑布在不同流量 、不同堰型条件下形态的变化状况 ,并提出经济合理的 工程设计参数 。 堰前稳定池的水力条件对瀑布出 流的影响 。 定性分析周围空气对景观瀑布观赏性 的影响 。1 试验装置和试验方法试验装置见图 1 。水泵自水箱抽水送至稳水 箱 ,再经稳流板 、出水池而后溢过堰口形成瀑布 。稳 水箱和稳流板的作用是保持堰前水流的稳定 。流量 采用体积法测定 。水舌长度由悬挂的标尺量测 。堰图 1 试验装置示意型 。即模型的宽度为 110 m ( 实际工程中约为 30 m) ,落差为 710 m (实际工程中的落差为 319 m) ,单 宽流量 025 l / ( ms) 。根据景观要求并为了使试验成果能有更加广泛 的应用价值 ,选用的堰型有薄壁堰 、宽顶堰 、w es 堰 及垄口出流 4 种 (见图 2) 。但根据景观瀑布的建筑 设计要求 ,宽顶堰的形式最符合本工程实际需要 ,本 次试验的重点为宽顶堰 。因此 ,本文主要介绍宽顶堰试验研究结果 。图 22试验结果与分析各堰型剖面211瀑布堰流的姿态变化过程分析形成自由抛射 。当流量超过某一个临界值后 ( 定义为起抛流量) ,水流脱离堰壁抛出 ( 这是本试验需要 研究的重点) ,并在堰口下缘起形成一段光滑的镜面 水舌 。镜面水舌的长度和效果会对瀑布景观产生关 键性的影响 。随着流量的增大 ,镜面水舌的长度也 增大 ,两者间曲线关系见图 3 。但当流量增大到一 定数值后 ,曲线渐趋平直 。过堰流量 、堰上水头和镜 面水舌长度的关系见表 1 和图 3 。表 1水舌长度和过堰流量关系图 4 瀑布形态段 ,即水股完全破坏为水滴溅沫状下落 。 过堰水流的这种变化 ,在理论上可作如下分析 : 在水流脱离堰壁进入空气的瞬间 ,主要受到由堰前水头转化而来的动能所产生的惯性力 ( f) 、重 力 ( g) 、大气压力 ( p) 及堰面 、池壁与水流间的粘滞 阻力 ( f ) 等的作用 (见图 5) 。在流量小 、流速低的时 候 ,流体的动能不足以克服重力和堰面及池壁粘滞 力的作用 ,而使水流贴壁垂直下淌 ,难以抛射入空气 中形成光滑的镜面水舌 。随着流量的增大 ,流速也 随之增大 ,动能增大到临界点时 ,即起抛流量 ,此时的水流动能足以克服粘滞阻力 ,水流不再贴壁下流 ,而是自由抛射进入空气 ,并形成光滑镜面水舌 。图 3 宽顶堰流量与镜面水舌长度关系曲线根据图 3 ,宽顶堰的起抛流量为 413 l / ( ms) 。 当流量大于 413 l / ( ms) 而小于 8 l / ( ms) 时 ,随着 流量增加水舌长度增加幅度较大 。流量超过 8 l /( ms) 时 ,水舌长度增加缓慢 。当流量超过 20 l / ( ms) 时 ,曲线很平坦 ,亦即过大流量 ,基本无助于镜面 水舌长度的增加 。景观瀑布根据其倾泻水股形态发展变化 ,可以 清晰地划分为三段 (见图 4) 。镜面水舌为抛射水股 第一段 。在镜面水舌下缘 ,抛射水股开始明显掺气 , 即呈“白色水”水股 ,镜面水舌开始破坏 ,撕裂成条带图 5 瀑布形态分析此后 ,由于出流后的水体在空气中呈自由跌落 状态 ,流速不断加大 , 与空气的摩擦阻力也不断加 大 ,水舌横断面积不断减少 ,即水舌越来越薄 ,最终 流体撕裂 、破碎 ,水股呈水滴状态下落 。当过堰流量 增大 ,出流后在相同高度位置镜面水舌的厚度有所 增加 ,空气阻力基本不变 , 单位水体所受的阻力减 小 ,因此流体破碎点的位置会下移 ,也就是光滑水舌流量/ l / ( ms)堰上水头/ cm镜面水舌长度/ m413 ( 起抛)516617714912121115161811241721021421721931341041351061311501180119021102115213021452160217021211 水舌掺气的影响空气中的自由射流当具备高流速和充分紊动这 两个条件时 ,就会发生掺气 。形成泡沫状的白色水 气混合体 。掺气的主要原因通常认为是水流射入空气中 后 ,当流速达到一定程度 ,水流与空气交界面会出现波浪现象 。水流表面也存在强烈的紊动 ,当流速大 于波浪的传播速度时 ,水流的脉动动能足以克服表 面张力和重力的作用 。从而水体表面发生破裂 ,位 于表面的水体微团就会跃离水股形成小水滴 ,同时 周围的空气被卷入水中 ,形成水流掺气 。随着流速增大 ,掺气越明显 ,射流就会破碎 。因此 ,水舌下缘 因流速快往往形成掺气水流 ,镜面水舌被破坏 。21212 水舌周围空气的影响形成水舌时 ,如果水舌与侧壁之间的空间通气 不充分 ,空气不断被水舌带走 ,将会在水舌内侧形成 负压 ,使水舌上下摆动 ,而形成不稳定的堰流 。所以应在水舌的内侧充分通气 ,并保持为大气压强 ,才能 保证发生较稳定的堰流 。在建筑实际应用中 ,可以 设计成内侧悬空或保留水舌内侧有较大的空间或提 供补气装置以保证补气及时 、充足 ,达到建筑美观的 效果 。213堰前水流稳定设计要求 堰前水流稳定程度对景观瀑布的美观效果也有着重要的影响 。经试验发现 ,撤去稳水网 ,水流紊动 性增强 ,水舌光滑段长度急剧减小 。如宽顶堰在流 量为 12 l / ( ms) 时 ,当撤去稳水网后 ,水体紊动度加大 ,光滑段水舌长度由 2130 m 急剧减少至 115 m ,而 且水舌表面不再是平整的镜面 ,出现了波纹 ,对水舌 的整体效果影响很大 。由此可见 ,水体的稳定程度 对水舌长度及镜面效果影响极大 。为此 ,在工程应 用中有必要尽量提高水的稳定程度 ,尽量减轻水体出流前的紊动程度 ,这主要取决于供水的稳水措施 。 为此 ,我们选择了三种进水方式 ( 见图 6) 。关板 ,加以稳水 。图 6 稳水池设计3结论(1) 宽顶堰过流水股状态与流量有关 。流量少 时 ,水股贴堰壁下淌 。当流量达到起抛流量 ( 413 l / (ms) ) 时 ,水股脱离堰壁射入空气中 , 成为抛射水 流 。(2) 镜面水舌长度与过堰流量有关 , 在 413 ( 起 抛流量) 8 l / ( ms) 流量段 ,流量的增大对镜面水 舌长度的贡献最大 。在 8 20 l / ( ms) 流量段 ,流 量增大对镜面水舌长度的贡献有所减小 。当流量增 大到 20 l / ( ms) 以上 ,流量增大对镜面水舌长度的 贡献很小 。水舌下端流速达到一定值时 ,往往会形成掺气水流 ,镜面水舌破坏 。(3) 要保证过堰堰流达到建筑美观的效果 ,必须 使水股内侧 、两端或下方充分通气 ,以免在水股内侧 形成负压 ,导致堰流不稳定 。(4) 堰前水流的稳定对堰流稳定有很大的影响 。参考文献水力教研室. 水力学. 北京 :清华大学出版社 ,1982董志勇. 冲击射流. 北京 :海洋出版社 ,1997高速水流的紊动性 ,高速水流译文集( 一) . 天津 :天津大学高速水 流研究室 ,1980 美h 1 t1 法尔维著. 王显焕译. 水工建筑物中掺气水流. 北京 :水利电力出版社 ,19841234v 作者通讯处 : 310027 浙江大学建筑设计研究院电话 : ( 0571) 7951032water & wastewater engi neeri ng vol127 no15 may 2001anaerobic baffle reactor (zeolite carrier of size 20 micro n was inside) and a sb r facility. the p resent st udy focused o n t he design feat ure and operating result s of wastewater t reat ment . the operating result s showed t hat t he t reat ment effect was fair and stable. the inlet cod was around 3 000 mg/ l , and t hat for t he effluent was lower t han 100 mg/ l . also t he p roblems raised in operatio n were summarized.on sand2protecting measures f or water inta ke structures zhan g l i angchen g (48)abstract : as a result of water loss and soil erosio n and t he collap se of normal water2sand balance in water bodies caused by nat ural and human activities , it is difficult more and more to solve t he sand2p rotecting p roblems for water intake st ruct ures. effective sand2p rotecting measure is a pivotal questio n for a water intake st ruct ure anyway. a new way to solve t he technical difficulties for water intake st ruct ure in sediment2laden water bodies has been developed o n p ractice and is p resented in t his paper .eff ects of carbon sources and dosages on the den itrif ication rate in sbr process gao j i ngf eng et al (55)abstract : research to investigate t he effect of different carbo n sources and dosages o n t he removal rate of organic co mpounds and t he courses of nit rificatio n and denit rificatio n in sb r p rocess t reating beer wastewater was co nducted. four carbo n sources were examined. they were beer wastewater , sodium acetate , met hanol and endogenous carbo n source.experimental study on hydraul ic design of artif icial waterfall w an g j i ngh u a et al (59)abstract : the experimental st udy o n t he hydraulic design of artificial waterfall was do ne to disclose t he correlativity bet ween t he jet and hydraulic factors such as t he flowrate , and also to determine t he respective hydraulic parameters for design. a f unctio n to determine t he lengt h of a nappe formed o n t he top of a broad2crest weir and t he specific flowrate t hrough t his weir has been given.waste water treatment of general hospital hu an g q i m i ng (68)abstract : process co mposed of p reset hydrolytic acidificatio n , bio2co ntact o xidatio n and desinfectio n was adop ted to t reat wastewater discharged f ro m a general hospital . the design and performance are p resented in t his paper . the watched operating data showed t hat it was effective and stable. all t he measurands of t he effluent were good enough to meet t he requirement of grade i in t he natio nal wastewater discharge standard ( gb8978 - 96) . this facility wit h high2 level auto matio n was easy to operate and manage.techno2economic analysis of direct drinking water system n an fuyi ng (71)abstract : the develop ment of direct drinking water system do mestic and abroad is p resented and discussed f ro m technical and eco no mic aspect s. all investigatio ns have p roved t hat t his system is feasible recently for real estate develop2 ment . also it is necessary for t he growing standard of living in t his count ry.qual ity control of pvc2u pipel ine installation l i u y u anyou et al (78)abstract : a field qualit y investigatio n to examine t he installatio n of pvc2u drainage pipeline in a high2rise building was co nducted jointly by t he designers and co nst ructors. the main factors affecting installatio n qualit y were found by a permutatio n diagram and t he reaso ns t hat caused t hese failures were analyzed by causalit y analysis met hods. finally an app rop riate way and so me co nsolidated measures were given to deal wit h t hese p roblems.on pipe material selection f or water conveyance l ine of big and medium capacity chen g j i n x u n (81)abstract : recently , various pipe materials wit h respective advantages and shortco mings are applied for water co n2 veyance lines of big and medium capacities. for more higher qualit y and lower invest ment in water line co nst ructio ns , new pipes are expected anytime. in t his paper , a new o ne called expanding molded flexible bell and spigot jointed steel pipe is p