劉明覺

(萍鄉(xiāng)市農(nóng)發(fā)水利投資發(fā)展有限責(zé)任公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

0 引 言

近年來，泄水建筑物破壞事件頻發(fā)，設(shè)計(jì)和使用過程的穩(wěn)定性是決定其安全性的主要因素。在大壩泄洪過程中，主要受水動力作用，為了解大壩使用過程中的穩(wěn)定性，許多專家學(xué)者針對其動力特性展開了研究。

楊仕志等[1]以某水電站為研究對象，開展水工模型試驗(yàn)，研究泄水建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)研究結(jié)果提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證了該方案的合理性。王新等[2]基于水力學(xué)Bernoulli原理，設(shè)計(jì)了模擬耦合空蝕與沖刷作用的試驗(yàn)裝置，對大壩的泄水過程減小模擬，分析空蝕和沖刷共同作用下大壩的破壞機(jī)制，結(jié)果表明在兩種以上情況共同作用下，大壩更易發(fā)生破壞。董金玉等[3]以某水電站為研究對象，分析建筑位置與布置方式對大壩穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明該水電站的泄水建筑物布置方式合理，且充分節(jié)約了成本。劉東等[4]以某水電站為研究對象，通過有限元分析，對泄水建筑物的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析，研究在不同開挖坡比下的穩(wěn)定性變化規(guī)律，并提出相關(guān)優(yōu)化方案。劉茵[5]以某水利樞紐為研究對象，基于COMSOL多物理場仿真，對不同工況和不同布置方案下的大壩力學(xué)特性進(jìn)行研究，分別分析動荷載和靜荷載作用下，大壩的應(yīng)力變化規(guī)律。

本文以某大壩泄水建筑物為研究對象，通過研究泄洪深孔和泄洪表孔的相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律，分析大壩泄水建筑物的水動力特性，并基于觀測數(shù)據(jù)和模型試驗(yàn)結(jié)果，探討觀測參數(shù)與庫水位和順?biāo)飨蛑g的關(guān)系。

1 工程概況

該大壩為混凝土重力壩，泄洪段總長436 m，壩段寬23 m。泄洪表孔為跨橫縫布置，孔寬為8 m；泄洪深孔孔寬為7 m，為跌坎摻氣方式。大壩的水力學(xué)觀測工況見表1。

表1 大壩的水力學(xué)觀測工況

2 觀測方法

為研究該大壩泄水建筑物的水力學(xué)特性，需對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行觀測，相關(guān)參數(shù)及其觀測方法見表2。

表2 相關(guān)參數(shù)及觀測方法

3 觀測結(jié)果

該大壩泄水主要通過泄洪深孔和泄洪表孔來實(shí)現(xiàn)。為研究大壩泄水建筑物的水動力特性，針對以上兩種泄水孔進(jìn)行分析，研究表2中的觀測參數(shù)與庫水位和順?biāo)飨蛑g的關(guān)系。

3.1 泄洪深孔

根據(jù)攝影設(shè)備的觀測結(jié)果可得，泄水深孔的水流流態(tài)良好。在泄洪之前，其內(nèi)部的水體較為平穩(wěn)，流動平緩，未發(fā)生異常流態(tài)；在泄洪過程中，水流從高處留下，在此過程中發(fā)生摻氣，主要表現(xiàn)為白色絮狀水霧。當(dāng)庫水位越高時(shí)，泄洪過程中會產(chǎn)生水的裂散現(xiàn)象，導(dǎo)致水體噴濺，水流翻滾的現(xiàn)象。庫水位與泄洪過程中的霧化程度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)庫水位越大時(shí)，產(chǎn)生的白色絮狀水霧越多。根據(jù)觀測結(jié)果可得，泄洪產(chǎn)生的水霧主要集中于150 m左右，而該大壩的高程為185 m左右，說明水霧對大壩的影響較小。

泄洪深孔的動水壓強(qiáng)見圖1。由圖1可知，隨著順?biāo)飨虻脑龃?，泄洪深孔底板動水壓?qiáng)呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)庫水位為172.6 m、順?biāo)飨驗(yàn)?2 m時(shí)，泄水深孔的動水壓強(qiáng)有最大值，為396 kPa。當(dāng)庫水位為135 m時(shí)，泄水深孔的動水壓強(qiáng)有最小值，當(dāng)順?biāo)飨驗(yàn)?3 m時(shí)，其值為217 kPa。說明動水壓強(qiáng)與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系，隨著庫水位的增大，泄洪深孔的動水壓強(qiáng)逐漸增大。庫水位為135 m的原型觀測結(jié)果與庫水位為145 m的模型試壓結(jié)果的動水壓強(qiáng)曲線存在突變點(diǎn)，說明此時(shí)為沖擊壓強(qiáng)，泄洪深孔底板受力較大。當(dāng)庫水位較小時(shí)，泄水深孔的動水壓強(qiáng)數(shù)值相對較為集中；當(dāng)庫水位較大時(shí)，其動水壓強(qiáng)數(shù)值增量較大，說明當(dāng)庫水位越大，其所受的動水壓強(qiáng)越大。在實(shí)際工程中，應(yīng)適當(dāng)減小大壩的庫水位，以保證工程的安全性。當(dāng)順?biāo)飨驗(yàn)?0～60 m時(shí)，曲線的變化趨勢較為平緩；隨著順?biāo)飨虻脑龃?，泄洪深孔的動水壓力快速上升，隨后下降趨勢顯著。對比模型試驗(yàn)與原型觀測結(jié)果可得，原型觀測結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果具有一定的差異性，在庫水位較為接近的情況下，原型觀測結(jié)果大于模型試驗(yàn)結(jié)果，但是其動水壓強(qiáng)數(shù)值差距較小，不超過5%，說明模型試驗(yàn)得出的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖1 泄洪深孔的動水壓強(qiáng)

圖2為庫水位與脈動壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系。由圖2可知，以上兩種參數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系，且其相關(guān)關(guān)系接近線性增長，說明脈動壓強(qiáng)的增量較為穩(wěn)定。對比動水壓強(qiáng)可得，脈動壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢與動水壓強(qiáng)較為接近，說明模型試驗(yàn)得出的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖2 庫水位與脈動壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系

當(dāng)水流與固壁間接觸時(shí)，水內(nèi)部會形成氣泡，而后會發(fā)生破裂現(xiàn)象，此過程產(chǎn)生的聲音即為水流空化噪聲。由于該過程對工程的影響范圍較廣，且其作用效果較為明顯，所以本文采用水聽器設(shè)備，結(jié)合高頻大容量采集分析系統(tǒng)，對該現(xiàn)象進(jìn)行研究。根據(jù)前人研究可知[6]，水流的空化現(xiàn)象主要集中于深孔檢修門槽區(qū)，且發(fā)生空化的概率與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系，因此以庫水位為172.6 m的泄洪深孔為檢測對象，分析水流空化噪聲情況。檢測結(jié)果表明，當(dāng)大壩處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，檢測點(diǎn)的高頻段噪聲起伏小于10 dB，說明該檢測點(diǎn)存在水流空化現(xiàn)象，但空化程度較小。

由于摻氣空腔的實(shí)地監(jiān)測難度較大，所以本文主要以模型試驗(yàn)?zāi)M大壩的空腔通氣情況，空腔長度與幅值見圖3。由圖3可知，隨著庫水位的增大，泄洪深孔的空腔擺動幅值呈先增大后減小的趨勢，空腔長度均值呈下降趨勢。當(dāng)庫水位較小時(shí)，空腔長度均值及其擺動幅值的變化趨勢較為平緩；當(dāng)庫水位大于165 m時(shí)，其曲線變化趨勢顯著。說明當(dāng)庫水位較大時(shí)，庫水位的變化對空腔長度和擺動幅值的變化影響較大。庫水位與空腔相關(guān)參數(shù)的關(guān)系見表3。由表3可知，隨著庫水位的增大，空腔長度擺動幅值和波動率逐漸增大，說明當(dāng)庫水位較大時(shí)，空腔長度的數(shù)值穩(wěn)定性較差，其離散程度較高。

圖3 空腔長度與幅值變化曲線

表3 庫水位與空腔相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

空腔現(xiàn)象會產(chǎn)生噪聲，為消除噪聲對環(huán)境的污染，可通過控制通氣風(fēng)速和摻氣空腔負(fù)壓的方式解決上述問題。庫水位與通氣風(fēng)速之間的關(guān)系見圖4。

圖4 庫水位與通氣風(fēng)速之間關(guān)系

由圖4可知，隨著庫水位的增大，通氣風(fēng)速呈上升趨勢。當(dāng)庫水位為175 m時(shí)，通氣風(fēng)速有最大值，為69 m/s。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，避免噪聲污染的最小平均風(fēng)速為60 m/s，而此時(shí)的通氣風(fēng)速已超過規(guī)范所規(guī)定的最小值；但是計(jì)算各庫水位的平均通氣風(fēng)速可知，該大壩的平均通氣風(fēng)速小于60 m/s，符合規(guī)范要求。

庫水位與摻氣空腔負(fù)壓的關(guān)系見圖5。

圖5 庫水位與摻氣空腔負(fù)壓關(guān)系

由圖5可知，庫水位與摻氣空腔負(fù)壓負(fù)相關(guān)關(guān)系，且原型觀測的結(jié)果與模型試驗(yàn)得出的結(jié)果存在一定的差異性。當(dāng)庫水位為155 m時(shí)，二者之間的差距較??；當(dāng)庫水位為145 m時(shí)，二者之間的差距較大。當(dāng)庫水位為180.4 m時(shí)，原型觀測的摻氣空腔負(fù)壓有最小值，為-5.1 kPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，當(dāng)空腔負(fù)壓為-2～-14 kPa時(shí)，即可消除由于空腔產(chǎn)生的噪音現(xiàn)象。該大壩的空腔負(fù)壓與通氣風(fēng)速均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值，在實(shí)際工程中，可有效避免空腔帶來的負(fù)面影響。

圖6為順?biāo)飨蚺c摻氣濃度之間的關(guān)系。由圖6可知，隨著順?biāo)飨虻脑龃?，泄洪深孔的摻氣濃度呈先增大后減小的趨勢，且在順?biāo)飨驗(yàn)?0～55 m時(shí)，其增大趨勢顯著，隨后其下降趨勢較為平緩。當(dāng)順?biāo)飨蛞欢〞r(shí)，其對應(yīng)的摻氣濃度與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)庫水位為172.6 m時(shí)，摻氣濃度有最大值。這是由于當(dāng)庫水位較大時(shí)，泄水過程中水與空氣的接觸時(shí)間和接觸面積增大，導(dǎo)致水流內(nèi)的氣體濃度增大；當(dāng)庫水位較小時(shí)，順?biāo)飨?摻氣濃度曲線較為集中。而庫水位為172.6 m的曲線與其余兩條曲線數(shù)值差距較大，說明庫水位對于摻氣濃度的影響顯著，且當(dāng)庫水位越大時(shí)，其摻氣濃度的增量越大。

圖6 順?biāo)飨蚺c摻氣濃度關(guān)系

在泄洪結(jié)束后，對泄洪深孔進(jìn)行檢查，其相關(guān)設(shè)施及零件保持完好，且未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞現(xiàn)象。但是由于泄洪過程中的水流沖刷，大壩的過流面及側(cè)墻等部位出現(xiàn)凹凸不平和磨損現(xiàn)象，大壩整體情況良好，未見明顯的破壞情況。

3.2 泄洪表孔

泄洪表孔的水流流態(tài)與泄洪深孔類似。在泄洪之前，其內(nèi)部的水體較為平穩(wěn)，流動平緩，未發(fā)生異常流態(tài)；在泄洪過程中，水體呈現(xiàn)白色泡沫狀，且伴有霧化現(xiàn)象，但大壩的壁高較大，霧化對大壩的影響較小。

泄洪表孔動水壓強(qiáng)的變化曲線見圖7。由圖7可知，不同庫水位對應(yīng)的動水壓強(qiáng)具有一致性，隨著順?biāo)飨虻脑龃?，泄洪表孔的動水壓?qiáng)呈先減小后增大再減小的趨勢。當(dāng)順?biāo)飨驗(yàn)?2 m時(shí)，有最小動水壓強(qiáng)；當(dāng)順?biāo)飨驗(yàn)?2 m時(shí)，有最大動水壓強(qiáng)。泄洪表孔的動水壓強(qiáng)與庫水位呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)庫水位較大時(shí)，其動水壓強(qiáng)越大；當(dāng)順?biāo)飨蜉^小時(shí)，不同庫水位對應(yīng)的動水壓強(qiáng)差距較小。隨著順?biāo)飨虻脑龃螅煌瑤焖粚?yīng)的動水壓強(qiáng)差值逐漸增大。當(dāng)順?biāo)飨驗(yàn)?3 m時(shí)，其差值最大，說明此時(shí)庫水位對泄洪表孔動水壓強(qiáng)的影響較大。

圖7 泄洪表孔動水壓強(qiáng)的變化曲線

泄洪表孔底部流速的變化曲線見圖8。

圖8 泄洪表孔底部流速的變化曲線

由圖8可知，不同庫水位對應(yīng)的底部流速曲線的變化趨勢具有一致性，順?biāo)飨蚺c底部流速呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)庫水位較大時(shí)，同一順?biāo)飨驅(qū)?yīng)的底部流速較大。在不同順?biāo)飨蛳?，兩種庫水位對應(yīng)的底部流速差值具有一致性，說明其差值受順?biāo)飨蜃兓挠绊戄^小。

泄洪表孔的水流空化噪聲與泄洪深孔類似。檢測點(diǎn)的高頻段噪聲起伏小于10 dB，說明該檢測點(diǎn)存在水流空化現(xiàn)象，但空化程度較小。在泄洪結(jié)束后，對泄洪表孔進(jìn)行檢查，大壩整體情況良好，未見明顯的破壞情況。

4 結(jié) 論

本文以某大壩泄水建筑物為研究對象，通過研究泄洪深孔和泄洪表孔的相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律，分析大壩泄水建筑物的水動力特性，并基于觀測數(shù)據(jù)和模型試驗(yàn)結(jié)果，探討觀測參數(shù)與庫水位和順?biāo)飨蛑g的關(guān)系。結(jié)論如下：

1) 當(dāng)庫水位越大，其所受的動水壓強(qiáng)越大。在實(shí)際工程中，應(yīng)適當(dāng)減小大壩的庫水位，以保證工程的安全性。

2) 當(dāng)大壩處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，泄洪表孔和深孔的高頻段噪聲起伏小于10 dB，說明該檢測點(diǎn)存在水流空化現(xiàn)象，但空化程度較小。

3) 大壩的空腔負(fù)壓與通氣風(fēng)速均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值，在實(shí)際工程中，可有效避免空腔帶來的負(fù)面影響。

4) 在泄洪結(jié)束后，對泄洪表孔進(jìn)行檢查，大壩整體情況良好，未見明顯的破壞情況。