韓曉維 徐崗 吳佩峰

摘 要：為研究戽流消能時(shí)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)特征及變化情況，結(jié)合實(shí)際工程，建立1∶60物理模型，應(yīng)用DJ800多功能采集系統(tǒng)，對(duì)自由戽流、附著戽流、臨界戽流及穩(wěn)定戽流流態(tài)時(shí)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)戽面脈動(dòng)強(qiáng)度特征、概率密度特征及頻譜特性等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：戽流流態(tài)發(fā)生變化時(shí)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)隨之發(fā)生變化，在泄流平順的條件下，戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)由大到小依次為穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)概率密度基本符合正態(tài)分布，但臨界戽流流態(tài)時(shí)，戽面鼻坎處峰態(tài)系數(shù)較大，且略有正偏。戽面上脈動(dòng)壓強(qiáng)主頻主要集中在低頻段，但隨著下游水位的升高及流態(tài)的變化，戽面上脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸向高頻段移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：消力戽;脈動(dòng)壓強(qiáng);概率密度;頻譜;模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV652.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.025

Abstract： In order to study the pressure fluctuation on spillway with bucket flow energy dissipation， based on the 1：60 physical model， this study observed the pressure fluctuation in different flow regimes by DJ800 system and carried out the statistics of some pressure fluctuation characteristics including the intensity， probability distribution and spectrum distribution. The research shows that when the bucket flow regime changes， the pressure fluctuation on the bucket is also changed. The bucket surface fluctuating pressure is in descending order： stable bucket flow > attachment bucket flow > critical bucket flow ≈ free bucket flow. The bucket surface pressure fluctuation is mainly distributed in the range of ±3σ， in accordance with normal distribution， however， in the critical bucket flow regime， the pressure fluctuation kurtosis coefficient on the bucket lip is larger than else. The dominant frequency of pressure fluctuation is concentrated in low-frequency stage， but with the increase of downstream water level and the changes of flow pattern， the dominant frequency is gradually moved towards high frequency.

Key words： bucket; fluctuating pressure; probability distribution; spectrum; model test

1 引 言

泄水建筑物邊壁脈動(dòng)壓力特性與振動(dòng)及空化空蝕破壞等工程問(wèn)題有著非常密切的聯(lián)系，若處理不當(dāng)引起工程破壞，后果不堪設(shè)想。針對(duì)泄水建筑物脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，如平板水躍脈動(dòng)壓強(qiáng)特性[1-3]、溢流壩面反弧、護(hù)坦及鼻坎段脈動(dòng)壓強(qiáng)特性[4-6]、消力池壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)特性[7-8]及模型相似率等[9]。近年來(lái)，一些學(xué)者又對(duì)跌坎消力池[10]、洞塞消能工[11]、帶鍵槽透水底板[12]及寬尾墩消力池[13]等特殊結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了相關(guān)研究。上述研究主要針對(duì)某一特定流態(tài)進(jìn)行，考慮到消力戽的戽面流態(tài)復(fù)雜多變，本文結(jié)合不同戽流流態(tài)對(duì)消力戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)特征的影響進(jìn)行了研究。

戽流消能流態(tài)主要隨著下游水位的變化而變化，當(dāng)下游水位較低時(shí)，過(guò)戽水流呈挑流流態(tài)，又稱自由戽流，流態(tài)示意見(jiàn)圖1（a）;隨著下游水位升高，挑流水舌吸附于下游水面，頂部開始上拱，此時(shí)流態(tài)稱為附著戽流，其流態(tài)示意見(jiàn)圖1（b）;下游水位再度升高，在戽斗內(nèi)形成貼附于水舌表面的薄層水滾，挑流水舌受下部水體的頂托而極度彎曲并向上隆起，水舌表面傾角在55°～60°之間，涌浪上升至一定高度后上游面開始下塌，這種流態(tài)稱為臨界戽流，典型流態(tài)示意見(jiàn)圖1（c）;下游水位繼續(xù)上升，戽內(nèi)水流旋滾加劇，流態(tài)趨于穩(wěn)定，稱為穩(wěn)定戽流，其典型流態(tài)示意見(jiàn)圖1（d）[14]。自由戽流及附著戽流在戽斗內(nèi)均為急流，其對(duì)邊壁的脈動(dòng)壓強(qiáng)以紊流邊界層型為主，見(jiàn)圖2（a），而臨界戽流及穩(wěn)定戽流在戽斗內(nèi)形成一定的水滾，其邊壁脈動(dòng)壓強(qiáng)屬?gòu)?qiáng)紊流型，見(jiàn)圖2（b）。由于紊流邊界層型脈動(dòng)壓強(qiáng)與強(qiáng)紊流型脈動(dòng)壓強(qiáng)機(jī)理不同[15]，因此有必要對(duì)不同戽流流態(tài)時(shí)的消力戽邊壁脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行研究。

2 模型設(shè)計(jì)及量測(cè)方法

2.1 模型設(shè)計(jì)

本文結(jié)合某實(shí)際工程，通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)不同戽流流態(tài)時(shí)戽面沿程脈動(dòng)壓強(qiáng)變化特征進(jìn)行分析，模型比尺1∶60，模型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)均按重力相似律換算，相關(guān)物理量比尺見(jiàn)表1。對(duì)于脈動(dòng)壓強(qiáng)頻率相似性的問(wèn)題，目前爭(zhēng)議較大，本文主要研究戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)，參考文獻(xiàn)[6]中的研究成果，認(rèn)為脈動(dòng)壓強(qiáng)頻率符合重力相似準(zhǔn)則。

該工程原設(shè)計(jì)采用挑流消能布置方式，其下游新建一座大（2）型水庫(kù)，建成后下游水位淹沒(méi)挑流鼻坎，使得原有挑流消能轉(zhuǎn)變?yōu)殪媪飨?。該工程混凝土重力壩最大壩?6.00 m，壩頂高程293.21 m，壩頂總長(zhǎng)156.40 m，壩頂寬4.50 m，共分6個(gè)壩段。溢流堰采用開敞式WES堰，堰頂高程為278.21 m，分4孔，每孔凈寬8.00 m。挑流鼻坎反弧半徑為12.50 m，鼻坎頂高程251.62 m，挑射角為22°。泄槽總寬39.50 m，兩側(cè)設(shè)混凝土擋墻，墻頂高程為256.71 m。設(shè)計(jì)下泄流量為1 000 m3/s，校核下泄流量為3 021 m3/s，對(duì)應(yīng)下泄單寬流量分別為25.3 m2/s和76.5 m2/s。

2.2 量測(cè)設(shè)備及分析方法

脈動(dòng)壓強(qiáng)傳感器共設(shè)2排，分別在1#孔（左側(cè)）及2#孔（中部）溢流中心線上各布置4個(gè)，測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置及具體布置如圖3所示。其中A測(cè)點(diǎn)布置在溢洪道泄槽上，用以分析順直邊界處的脈動(dòng)壓強(qiáng)，B、C、D測(cè)點(diǎn)分別布置在反弧挑坎的上中下游，用以觀測(cè)不同戽流流態(tài)時(shí)戽斗處的脈動(dòng)壓強(qiáng)。測(cè)點(diǎn)距xA、xB、xC、xD分別為19.7、25.2、33.5、40.2 m。

采用DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水面波動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析戽面脈動(dòng)荷載。奈奎斯特頻率fn取25 Hz，脈動(dòng)信號(hào)相應(yīng)采樣頻率f=2fn=50 Hz，采樣時(shí)間間隔Δt=0.02 s，采集時(shí)間t=60 s，數(shù)據(jù)容量N=3 000，采用快速傅里葉變換對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析。

2.3 試驗(yàn)組次選取

結(jié)合工程實(shí)際要求選取的試驗(yàn)組次見(jiàn)表2。該工程下游水位受下游新建水庫(kù)水位影響，采用上下游遭遇同頻率洪水時(shí)的水力條件分析不同洪水頻率時(shí)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)，對(duì)應(yīng)表2中的組次RUN1～4，而組次RUN5～7是在RUN2的基礎(chǔ)上為分析不同戽流流態(tài)時(shí)的脈動(dòng)壓強(qiáng)所選取的對(duì)比工況。

測(cè)量8個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)，沿程脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)見(jiàn)圖4及圖5，戽面脈動(dòng)強(qiáng)度與下泄流量及流態(tài)均存在一定關(guān)系。

（1）從圖4可知，下泄流量較大時(shí)，泄槽兩邊脈動(dòng)壓強(qiáng)受溢洪道兩側(cè)水翅影響較為明顯，1#孔中心線脈動(dòng)壓強(qiáng)顯著較大。而2#孔中心線位于泄槽中部，其脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律符合常規(guī)二元水流下泄規(guī)律，當(dāng)壩面上水舌能夠自由挑出時(shí)，壩面脈動(dòng)強(qiáng)度與下泄流量存在直接關(guān)系，流量越大，脈動(dòng)越強(qiáng)。若流態(tài)發(fā)生變化，則戽斗內(nèi)壓強(qiáng)隨之發(fā)生變化。

（2）控制下泄單寬流量q=25.3 m2/s，并改變下游水位形成不同下泄流態(tài)，分析不同戽流流態(tài)對(duì)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。自由戽流與附著戽流戽面上的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布基本一致，且數(shù)值相對(duì)較小。當(dāng)下游水位上升至一定高度、戽面上形成臨界戽流時(shí)，戽斗鼻坎處的脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸增大，雖有薄層水滾形成，但脈動(dòng)壓強(qiáng)并未明顯增大。當(dāng)下游水位繼續(xù)上升，戽斗內(nèi)形成穩(wěn)定戽流時(shí)，水流脈動(dòng)壓強(qiáng)明顯增大。在泄流平順的條件下，不同流態(tài)的脈動(dòng)壓強(qiáng)由大到小依次為：穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。

偏態(tài)系數(shù)Cs表示分布的對(duì)稱性，若Cs=0，則分布是對(duì)稱的;峰態(tài)系數(shù)Ce表示峰值的高低和標(biāo)準(zhǔn)情況的偏離程度，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布對(duì)應(yīng)的Ce=3。

戽流鼻坎處測(cè)點(diǎn)D2及戽斗底部測(cè)點(diǎn)C2在不同戽流流態(tài)時(shí)的偏態(tài)、峰態(tài)系數(shù)見(jiàn)表2，概率密度分布曲線見(jiàn)圖6。從表2可以看出，大多數(shù)情況下測(cè)點(diǎn)的Cs接近于0，Ce接近于3，與正態(tài)分布接近。但是，臨界戽流鼻坎處測(cè)點(diǎn)D2偏離正態(tài)較明顯，其Cs約為0.90，Ce達(dá)到6.40，概率密度分布曲線較標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線更為高瘦。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布而言，（-3σ，3σ）區(qū)間內(nèi)可以包含可能數(shù)據(jù)的99.73%，而瘦高型概率密度區(qū)間（-3σ，3σ）可以包含的數(shù)據(jù)將大于99.73%，因此?。?3σ，3σ）來(lái)計(jì)算戽面上的脈動(dòng)壓強(qiáng)特征值是偏安全的。

3.3 脈動(dòng)壓強(qiáng)的頻譜特性

各點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)是由通過(guò)它的各種尺度的旋渦共同作用的結(jié)果。脈動(dòng)壓強(qiáng)可認(rèn)為由較多不同頻率結(jié)構(gòu)的分量組成，譜密度即表示組成脈動(dòng)壓強(qiáng)的這些頻率分量所具有的平均能量值。由于不同工況下構(gòu)成脈動(dòng)壓強(qiáng)的頻率分量不同，因此各頻率分量具有的能量值及其在總能量中所占比例也不同。通過(guò)分析頻譜譜型，不僅可了解脈動(dòng)的頻率結(jié)構(gòu)、能量分布、強(qiáng)弱等特性，還可推測(cè)水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及影響水流的因素[16]。

動(dòng)水脈動(dòng)壓強(qiáng)的頻域能量分布特征用自功率譜密度Sxx來(lái)表述[17]。

將不同流態(tài)下同一測(cè)點(diǎn)的功率譜進(jìn)行歸一化處理，見(jiàn)圖7。

自由戽流、附著戽流溢流面沿程主要優(yōu)勢(shì)頻率低于0.1 Hz，為低頻單峰脈動(dòng)，反映了此時(shí)戽面上脈動(dòng)壓強(qiáng)主要能量集中在水舌擺動(dòng)等大尺度低頻區(qū)域。臨界戽流流態(tài)下挑坎水流表面存在薄層水滾，此時(shí)戽斗內(nèi)存在兩個(gè)較為明顯的優(yōu)勢(shì)頻段，一個(gè)為0.1 Hz以內(nèi)的低頻段，另一個(gè)為受薄層水滾影響所產(chǎn)生的0.4～0.9 Hz的相對(duì)高頻段，脈動(dòng)能量以低頻段為主。穩(wěn)定戽流流態(tài)下戽斗內(nèi)形成穩(wěn)定旋滾，其主頻主要受旋滾影響，鼻坎處旋滾區(qū)域優(yōu)勢(shì)頻率在0.5～1.5 Hz之間，戽斗底部區(qū)域優(yōu)勢(shì)頻率在1.0～2.5 Hz之間，總體脈動(dòng)能量向高頻段移動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)水流中的大尺度渦轉(zhuǎn)化為小尺度渦，紊動(dòng)加劇，消能率較高。

4 結(jié) 論

（1）在流態(tài)相同的條件下，戽面脈動(dòng)強(qiáng)度與下泄流量存在一定關(guān)系，下泄流量越大，脈動(dòng)越強(qiáng)。若流態(tài)發(fā)生變化，則戽斗內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)隨之發(fā)生變化，在泄流平順的條件下，不同流態(tài)的脈動(dòng)壓強(qiáng)由大到小依次為穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。

（2）用峰態(tài)系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)對(duì)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)的正態(tài)性進(jìn)行估計(jì)，不同戽流流態(tài)下戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)主要分布在±3σ范圍內(nèi)，概率密度基本符合正態(tài)分布。臨界戽流流態(tài)下戽面鼻坎處峰態(tài)系數(shù)較大，其概率密度分布曲線較標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線更為瘦高，因此取區(qū)間（-3σ，3σ）來(lái)計(jì)算戽面上的脈動(dòng)壓強(qiáng)特征值是偏安全的。

（3）分析

不同流態(tài)戽面脈動(dòng)壓強(qiáng)頻譜表明，在一定條件下，隨著下游水位的升高及流態(tài)的變化，戽面上的脈動(dòng)能量逐漸向高頻段移動(dòng)。當(dāng)戽坎下游水位較低、水流能順利挑出時(shí)，戽面上以低頻單峰脈動(dòng)為主，且壓強(qiáng)較小。當(dāng)下游水位升高至臨界戽流水位時(shí)，受主流表面薄層水滾的影響，一部分能量向高頻段移動(dòng)，形成低頻雙峰脈動(dòng)。當(dāng)下游水位繼續(xù)升高至穩(wěn)定戽流水位時(shí)，戽斗內(nèi)形成穩(wěn)定旋滾，其主頻主要受水流旋滾影響，總體脈動(dòng)能量向高頻段移動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)水流中的大尺度渦轉(zhuǎn)化為小尺度渦，紊動(dòng)加劇，消能率較高。

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【責(zé)任編輯 張華巖】