水力学因素和几何结构变化对倾斜跌落结构下游冲刷作用的影响

《Scientific Reports》：The influence of hydraulics and geometrical modifications on downstream scour in inclined drop structures

　　

摘要

本研究通过实验探讨了倾斜跌落结构（IDSs）下游局部冲刷的水力与几何控制因素，重点关注下游面倾角和尾水深度这两个关键设计变量。共进行了27次物理模型试验，系统地改变了坡度角度（21.8°、26.6°、33.7°）、尾水深度（自由流状态、1.5倍、2倍）以及流量。实验结果表明，坡度角度对冲刷形态有显著影响：较陡的坡度会集中水流能量，使最大冲刷深度增加高达32.4%；而较缓的坡度则会导致冲刷坑道长度增加超过36%。增加尾水深度能有效减轻冲刷现象，通过将涡流活动与河床分离，分别使冲刷深度和长度减少16.5%和14%。时间分析显示，超过80%的最终冲刷深度在初期阶段就已形成，这凸显了水力因素在冲刷过程中的主导作用。基于无量纲参数的新型多元回归模型预测误差控制在±10%以内，并在敏感性分析中表现出良好的稳定性。综上所述，这些研究结果为倾斜跌落结构的设计优化提供了定量参考，有助于选择既能最小化冲刷又能提高水力效率的设计方案，从而在结构稳定性、水力效率与泥沙输移管理之间取得平衡。