金靖林,刁明軍,田中耀,楊思遠(yuǎn)

(四川大學(xué)山區(qū)河流保護(hù)與治理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)

消力池底板的破壞有臨底流速過大,空化空蝕現(xiàn)象,脈動壓強(qiáng)造成失穩(wěn)等主要原因[1-2].其中脈動壓強(qiáng)增加了消力池底板存在的瞬時(shí)荷載,對消力池底板的強(qiáng)度與穩(wěn)定是一種考驗(yàn).為了有效降低消力池內(nèi)的臨底流速,設(shè)計(jì)人員常在消力池前端設(shè)置跌坎[3-4],臨底流速隨著跌坎的增高而減小[5],同時(shí)跌坎的存在會使消力池內(nèi)產(chǎn)生橫軸漩渦,消力池內(nèi)的脈動壓強(qiáng)變得更加復(fù)雜.有關(guān)跌坎消力池消能機(jī)理、水力特性[6]、脈動壓強(qiáng)[7-9]和體型優(yōu)化[10-11]的研究也頗多,秦翠翠、楊敏等通過模型試驗(yàn)研究了跌坎消力池水力特性[12],結(jié)果顯示增設(shè)跌坎后的消力池底板最大臨底流速與壓強(qiáng)均明顯減小;楊敏分析了不同流能比下跌坎消力池的脈動壓強(qiáng)分布規(guī)律、幅值特性和頻譜特性發(fā)現(xiàn),來水條件是主要影響因素[13];盧洋亮通過將突擴(kuò)消力池調(diào)整為漸闊、改變跌坎入射角等方法減小了消力池的脈動壓強(qiáng)系數(shù)[14].寬尾墩是在我國發(fā)展形成的一種收縮式消能工[15],具有縮短消力池提高消能率的作用[16],在地形條件限制與經(jīng)濟(jì)因素的考慮下,合理地將寬尾墩應(yīng)用到跌坎消力池消能方案中,可進(jìn)一步減小脈動壓強(qiáng)與臨底流速[17].跌坎消力池在增設(shè)寬尾墩之后,洪水被寬尾墩束窄,縱向擴(kuò)散形成水舌,砸入消力池內(nèi),增加了池內(nèi)水情的復(fù)雜性.現(xiàn)今關(guān)于寬尾墩的研究主要集中在寬尾墩單獨(dú)泄洪和寬尾墩階梯溢流壩方面[18-20],與跌坎聯(lián)合消能的研究較少且不夠深入,而寬尾墩收縮比關(guān)系到水舌的束窄程度與觸底位置,與消力池內(nèi)脈動壓強(qiáng)分布直接相關(guān),因此,研究不同收縮比寬尾墩下跌坎消力池內(nèi)的脈動壓強(qiáng)具有現(xiàn)實(shí)意義,可為消力池體型設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 模型布置與試驗(yàn)方案

依托某水庫溢洪道設(shè)計(jì)階段體型對Y型寬尾墩跌坎消力池聯(lián)合消能方案進(jìn)行脈動壓強(qiáng)試驗(yàn),水庫正常蓄水位598.00 m,設(shè)計(jì)洪水流量為2 390 m3/s,校核水位599.07 m,校核洪水流量為2 820 m3/s.受限于狹窄的河谷條件,主要泄洪建筑物為兩孔溢流壩,孔寬12 m,中墩寬5 m,壩高71.5 m,設(shè)計(jì)采用WES曲線溢流堰,堰頂高584 m,溢流面坡度為1∶0.8,后接3 m跌坎消力池,消力池長106 m,寬29 m,底板高程為528.5 m,尾部設(shè)垂直尾坎,高度為8 m.

模型由有機(jī)玻璃制作,根據(jù)重力相似原則設(shè)計(jì),采用1∶40正態(tài)模型,流速比尺1∶6.32,流量比尺為1∶10119,如圖1.模型模擬區(qū)域?yàn)樯嫌螏靺^(qū),溢流道與消力池,以及消力池后400 m河道,模型制作安裝后通過水準(zhǔn)儀校核高程,精度保持在±1 mm范圍內(nèi).消力池底板布置兩條脈動壓強(qiáng)測線,消力池中軸線(DZ)與消力池的邊孔軸線(BK),每條測線布置11個(gè)測點(diǎn),跌坎前反弧段3個(gè)測點(diǎn),相距10 cm,跌坎后設(shè)置8個(gè)測點(diǎn),采用前密后疏的布置方式,如圖3.寬尾墩為Y型寬尾墩,該試驗(yàn)設(shè)置五個(gè)收縮比,寬尾墩收縮比的經(jīng)驗(yàn)取值范圍在0.4～0.7之間,因此選取0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五個(gè)收縮比進(jìn)行對比試驗(yàn),寬尾墩收縮比等于收縮后孔寬b比上收縮前孔寬W(b/W),如圖2為0.38收縮比寬尾墩.脈動壓強(qiáng)采用CY200系列智能數(shù)字壓力傳感器采集,實(shí)現(xiàn)對敏感部件拾取的壓力信號進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、校正等功能,輸出可顯示儲存的數(shù)字信號,通過Smart Sensor壓力測試軟件接受傳感器采集的動態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并動態(tài)分析、顯示、儲存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),采樣頻率f=100 Hz,樣本容量N=18 000.

圖2 寬尾墩示意圖

圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

(a)38-DZ-CH4

2 瞬時(shí)壓強(qiáng)時(shí)域分析

此水庫具有下游水位淺,水躍消能易形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍等特點(diǎn),設(shè)置寬尾墩可以縮短躍長,提高消力池內(nèi)水深,寬尾墩后消力池按時(shí)均壓強(qiáng)作用范圍可分為沖擊區(qū)、跳躍區(qū)和恢復(fù)過渡區(qū)三個(gè)區(qū)域,沖擊區(qū)是水舌觸底位置,常位于消力池前端的反弧段上,因水墊較薄承受較大的沖擊壓強(qiáng);跳躍區(qū)是水舌觸底后反彈在后方形成的壓強(qiáng)急劇減小的區(qū)域;恢復(fù)過渡區(qū)靜壓比例逐漸上升,水位隨之提升至共軛水深.寬尾墩后接跌坎消力池,跳躍區(qū)剛好處在跌坎處,跌坎處是否出現(xiàn)負(fù)壓是一個(gè)值得關(guān)注的問題.對比DZ測線測點(diǎn)4(DZ-CH4)的時(shí)均壓強(qiáng)與瞬時(shí)壓強(qiáng),如圖 4,在0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五個(gè)收縮比(圖中縮寫38,44,50,56,62)下的原型時(shí)均壓強(qiáng)分別為20.49 m、14.04 m、12.99 m、9.13 m、3.23 m,可知隨著收縮比增大,跌坎后測點(diǎn)4的位置時(shí)均壓強(qiáng)顯著降低,這是由于水躍位置后移,跌坎位置水面線下降,跌坎后流速迅速降低造成的.觀察瞬時(shí)壓強(qiáng),隨著收縮比的增大,坎后逐漸出現(xiàn)負(fù)壓,最壞情況下會出現(xiàn)10 m水柱的瞬時(shí)負(fù)壓.瞬時(shí)值與時(shí)均值相差13.23 m,因此用時(shí)均壓強(qiáng)作為判斷是否發(fā)生空化的依據(jù)有所缺陷.

表1給出了兩條測線上測點(diǎn)4(CH4)換算原型后的均值、峰峰值以及峰峰值與設(shè)計(jì)水頭的比值,數(shù)據(jù)顯示峰峰值遠(yuǎn)大于測點(diǎn)的時(shí)均水頭,峰峰值是設(shè)計(jì)水頭的1.02～1.36倍,隨著收縮比的縮小,峰峰值與設(shè)計(jì)水頭的比值在降低,小于0.44之后,比值略微增加.

表1 測點(diǎn)CH4壓強(qiáng)特征值

3 脈動壓強(qiáng)均方根分析

3.1 脈動壓強(qiáng)均方根沿程分布

脈動壓強(qiáng)均方根是脈動壓強(qiáng)的重要特征值,反映了壓強(qiáng)的脈動強(qiáng)度.設(shè)計(jì)(SJ)流量下,庫區(qū)水位598 m,下游河道水位50.02 m,上下游水頭差47.98 m,采用脈動壓強(qiáng)系數(shù)對比脈動壓強(qiáng)的分布情況,脈動壓強(qiáng)系數(shù)為脈動壓強(qiáng)均方根(σ)比上上下游水頭差(H).根據(jù)圖5分析不同收縮比兩條測線脈動壓強(qiáng)系數(shù)的大小,脈動壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在跌坎之后,消力池內(nèi)沿程脈動壓強(qiáng)系數(shù)呈“單峰型”與“雙峰型”,分析原因與水舌砸在反弧段的位置相關(guān),收縮比小如0.38與0.44時(shí),水舌縮窄程度大,挑距遠(yuǎn),落點(diǎn)處于跌坎末端,脈動壓強(qiáng)從反弧段到水舌落點(diǎn)逐漸增大,水舌落點(diǎn)后立即進(jìn)入跌坎,脈動壓強(qiáng)進(jìn)一步增大,隨后逐漸減小,形成單峰型;收縮比增大后,水舌挑距減小,水舌落點(diǎn)位于跌坎之前,在跌坎之前形成小峰,隨后進(jìn)入跌坎后形成大峰.對比DZ測線與BK測線,消力池前端BK 脈動壓強(qiáng)相對較大,對應(yīng)水舌落點(diǎn),紊動最大,消力池后端DZ的脈動壓強(qiáng)更大,與兩股水舌在反弧段散開在DZ測線上匯合,造成DZ線上流速變大進(jìn)而增大剪切紊動的原因有關(guān).

(a)收縮比0.38

觀察圖6兩條測線,消力池前端脈動壓強(qiáng)系數(shù)與收縮比呈負(fù)相關(guān),隨著收縮比增大脈動壓強(qiáng)系數(shù)減小,消力池后端脈動壓強(qiáng)與收縮比呈正相關(guān),隨著收縮比增大,脈動壓強(qiáng)系數(shù)增大,最大脈動壓強(qiáng)隨著收縮比的減小而減小.寬尾墩的使用使消力池內(nèi)水躍前移,水墊變厚,增加了對消力池前端的保護(hù),與此同時(shí)能否穩(wěn)定地形成淹沒水躍對脈動壓強(qiáng)的影響巨大,試驗(yàn)為兩孔泄洪,水舌與邊墻距離較小,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水舌落點(diǎn)側(cè)墻處于間歇淹沒現(xiàn)象,處于淹沒狀態(tài)時(shí),消力池內(nèi)水力狀態(tài)明顯改善.

(a)不同收縮比DZ測線

3.2 脈動壓強(qiáng)概率密度分布

消力池底板的脈動壓強(qiáng)幅值特性可以用概率密度分布圖來反映,脈動的概率密度分布是否正態(tài)分布是值得關(guān)注的問題.根據(jù)圖7 ,消力池內(nèi)底板的脈動壓強(qiáng)概率分布近似正態(tài)分布,觀察跌坎之前的測點(diǎn)CH3,隨著收縮比增大,概率密度分布曲線由“矮胖”變?yōu)椤笆莞摺?說明收縮比愈大,消力池前端脈動壓強(qiáng)振幅愈小,脈動壓強(qiáng)越集中,對比DZ與BK上測點(diǎn)上的概率密度,BK振幅相對更大,對應(yīng)跌坎前水舌落水處的脈動比墩子軸線處要強(qiáng);繼續(xù)觀察測點(diǎn)CH4與測點(diǎn)CH8,發(fā)現(xiàn)從消力池前端往后移動,概率密度與收縮比的關(guān)系逐漸反轉(zhuǎn),到消力池后端,收縮比愈大,概率密度圖越矮胖,意味著寬尾墩收縮比由大到小的過程,是將主要消能區(qū)由消力池后端向前移動的過程,這個(gè)過程在增加消力池前端紊動范圍,同時(shí)減小消力池內(nèi)最大脈動值.

(a)DZ測線CH3

以往學(xué)者常用偏態(tài)系數(shù)與峰態(tài)系數(shù)來判斷概率密度分布圖,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏態(tài)系數(shù)為0,峰態(tài)系數(shù)為3,圖8作出了消力池內(nèi)各測點(diǎn)的偏態(tài)系數(shù)與峰態(tài)系數(shù),圖中消力池內(nèi)的偏態(tài)系數(shù)分布在0左右,收縮比愈大,越趨于正偏,偏態(tài)系數(shù)大于0時(shí),出現(xiàn)像圖4(e)這種負(fù)值脈動偏小,正值脈動偏大的現(xiàn)象,反之,消力池后端偏態(tài)系數(shù)小于0,呈負(fù)偏分布,正值脈動小于負(fù)值脈動,分析原因,消力池跌坎后形成橫軸漩渦,水流持續(xù)間斷拍擊底板,造成正偏,消力池后段,受底板反彈與尾坎阻水作用,水流產(chǎn)生向上的移動分量,體現(xiàn)在脈動上是負(fù)偏.結(jié)合峰態(tài)系數(shù)與概率分布圖,峰態(tài)系數(shù)基本在3以上,峰態(tài)系數(shù)的值并不能很好地反映概率密度圖的“高矮胖瘦”,峰態(tài)系數(shù)受偏態(tài)系數(shù)的影響很大,其值受個(gè)別脈動極值控制,偏態(tài)系數(shù)的微小變動能造成峰態(tài)系數(shù)顯著升高,因此在不同偏態(tài)系數(shù)下對比分析峰態(tài)系數(shù)沒有實(shí)際意義.

4 脈動壓強(qiáng)頻譜特性

功率譜密度可以反映單位頻帶內(nèi)信號功率隨頻率的變化,功率譜密度全程積分可以代表該點(diǎn)的水流能量[21].圖9為消力池墩子軸線上測點(diǎn)CH3、CH4、CH8、CH11四個(gè)測點(diǎn)的功率譜密度.分析結(jié)果表明,消力池底板的脈動主要由10 Hz以內(nèi)的低頻脈動組成,測點(diǎn)CH3的脈動能量主要集中在1 Hz以內(nèi),脈動能量隨著寬尾墩收縮比的增加而減小;到跌坎后測點(diǎn)CH4時(shí),脈動能量增大且主要頻率范圍由1 Hz向10 Hz擴(kuò)大,大收縮比體型的脈動能量迅速增加,在1～10 Hz范圍內(nèi)超過小收縮比的脈動能量;消力池后端測點(diǎn)CH8處屬于恢復(fù)過渡區(qū)域,此時(shí)總體脈動能量減小,收縮比大的體型脈動能量愈大.測點(diǎn)CH11位于尾坎前端,脈動主要頻率范圍降至3 Hz以下,脈動能量降至消力池內(nèi)最低.

(a)DZ-CH3

5 結(jié)論

①時(shí)均壓強(qiáng)在評判消力池內(nèi)是否產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)而造成空化方面存在缺陷,消力池內(nèi)脈動壓強(qiáng)峰峰值遠(yuǎn)大于時(shí)均值,可達(dá)到設(shè)計(jì)水頭的1.02～1.36倍,時(shí)均壓強(qiáng)大于零時(shí)實(shí)際存在瞬時(shí)壓強(qiáng)為負(fù)壓的情況,通過改變寬尾墩收縮比可以達(dá)到減小峰峰值,增大時(shí)均壓強(qiáng),消除瞬時(shí)負(fù)壓的效果

②Y型寬尾墩聯(lián)合跌坎消力池消能,消力池內(nèi)脈動壓強(qiáng)均方根沿程分布呈“單峰型”與“雙峰型”,收縮比小時(shí)水舌挑距遠(yuǎn),水舌落點(diǎn)與跌坎較近,脈動壓強(qiáng)在跌坎后形成“單峰”;收縮比大時(shí)水舌落點(diǎn)位于反弧段,在反弧段形成“小峰”,隨后在跌坎后形成“大峰”,最大脈動壓強(qiáng)均方根出現(xiàn)在跌坎后,最大脈動壓強(qiáng)系數(shù)在0.18以內(nèi).

③脈動壓強(qiáng)概率密度基本符合正態(tài)分布,存在正偏與負(fù)偏現(xiàn)象,水流速度偏向底板時(shí)為正,偏離底板時(shí)為負(fù),收縮比愈大,概率分布愈趨于正偏.峰態(tài)系數(shù)受偏態(tài)系數(shù)影響敏感,峰態(tài)系數(shù)大小取決于個(gè)別脈動極值,在不同偏態(tài)系數(shù)情況下,用峰態(tài)系數(shù)反映概率密度分布特征沒有意義.

④消力池底板的脈動主要由10 Hz以內(nèi)的低頻脈動組成,收縮比改變只影響脈動能量,不影響脈動頻率組成,脈動愈大的點(diǎn)頻率組成范圍愈大,收縮比的縮小使得消力池主要脈動消能區(qū)增大前移,消力池前端收縮比愈小,脈動能量愈大,消力池后端收縮比愈小,脈動能量愈小.