臺階式溢流壩消力池壓強特性試驗研究

趙相航+解宏偉+顧聲龍+賀巨龍+郭馨

摘要：為研究臺階式溢流壩不設(shè)反弧段連接時消力池底板壓強特性，結(jié)合某水庫實際工程，采用物理模型試驗方法，對臺階式溢流壩消力池底板時均壓強、脈動壓強強度和峰值等壓強特性進行了研究。結(jié)果表明，消力池底板時均壓強均為正值；在滑行水流和過渡水流時，時均壓強在水流沖擊區(qū)出現(xiàn)一個較大值，最大為0.926 kPa，下游反彈區(qū)形成極小值；在跌落水流時，時均壓強沿程變化較小，且隨流量的增加而增大；脈動壓強強度和峰值沿程變化規(guī)律基本一致，總體上隨流量的增加而增大，最大值出現(xiàn)在水流沖擊區(qū)，脈動壓強最大為1.198 kPa，隨后沿下游方向逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；臺階尺寸對消力池底板時均壓強和脈動壓強影響不大；消力池內(nèi)脈動優(yōu)勢頻率為0.01～4 Hz，屬低頻振動，不會危害泄水建筑物的安全。研究成果可為臺階式溢流壩消力池的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：消力池；臺階式溢流壩；時均壓強；脈動壓強；頻率

中圖分類號：TV135.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0171-06

Abstract：To study the pressure characteristics in the stilling basin of a stepped spillway without anti-arc，we chose a reservoir and used the physical model test method to study the pressure characteristics including time-average pressure，fluctuating pressure intensity，and peak pressure pulsation in the stilling basin of a stepped spillway.The results showed that all the time-average pressure was positive in the stilling basin.When the flow regime was skimming flow and transition flow，the time-average pressure became large in the flow impact area，reaching a maximum of 0.926 kPa；it reached the minimum in the downstream rebound zone.The time-average pressure varied slightly when the flow regime was nappe flow，and increased with the increase of flow.The variation patterns of the fluctuating pressure intensity and peak pressure were basically consistent.They both increased with the flow on the whole.The maximum value appeared in the flow impact zone.The maximum fluctuating pressure was 1.198 kPa.It then decreased gradually in the downstream direction until it became stable.The step size hardly affected the time-average pressure and fluctuating pressure on the floor of the stilling basin.The dominant frequencies of fluctuations in the stilling basin were 0.01～4 Hz，which belonged to the low-frequency vibration and will not endanger the safety of drainage buildings.

Key words：stilling basin；stepped spillway；time-average pressure；fluctuating pressure；frequency

臺階式溢洪道是結(jié)合碾壓混凝土技術(shù)提出的一種新型溢洪道消能工，廣泛應(yīng)用于各類中小型工程，它具有施工工期短、消能效果好、水流摻氣濃度大、工程投資低等優(yōu)點，受到廣大研究人員的重視，并進行了大量的研究[1-14]，但其研究成果主要集中在臺階段，對臺階式溢流壩壩后消力池水力特性研究的較少。Yasuda等[15]通過模型試驗對不同坡度溢洪道消力池內(nèi)水躍的摻氣濃度分布和紊動強度變化進行了分析；Meireles等[16]利用測壓管研究了同一坡度下臺階式溢流壩壩后消力池時均壓強沿程變化，研究表明在試驗范圍內(nèi)沖擊點處的壓強最大；魏文禮等[17]對階梯溢流壩消力池內(nèi)的水流特性進行了數(shù)值模擬研究。臺階段與消力池直接連接增強了水流對消力池底板的沖擊作用，加劇了水流的紊動混摻，其水力特性與傳統(tǒng)消力池存在一定差異，水流產(chǎn)生的脈動壓力會引起消力池底板振動，影響自身穩(wěn)定，嚴(yán)重時會威脅泄水建筑物的安全。為了更加深入全面了解消力池底板的壓強特性，本文采用物理模型試驗方法，對臺階式溢流壩消力池壓強特性進行了系統(tǒng)研究，旨在為臺階式溢流壩消力池的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 模型設(shè)計

本文結(jié)合某水庫實際工程，采用物理模型試驗方法[18-20]，對臺階式溢流壩消力池內(nèi)壓強特性進行了系統(tǒng)研究。該工程由溢流堰進口段、臺階段、消力池和明渠組成。采用開敞式正槽溢洪道，溢流堰為實用堰型，臺階段與消力池直接連接，其間不設(shè)反弧段。模型選用正態(tài)模型，依據(jù)重力相似準(zhǔn)則進行設(shè)計，模型材料為有機玻璃。試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶40，臺階段為固定坡度（θ=33.69 °），模型高度為102.75 cm，寬52.5 cm，消力池長50 cm，深10 cm，尾坎高5 cm。明渠段前段長 211.3 cm，寬52.5 cm，在尾部擴散為82.5 cm。尾水段與模型出口相連，長5 m，寬度為82.5 cm，并布設(shè)了三角形薄壁堰，用于測量其下泄流量，模型試驗布置圖見圖1，其中0.5表示測孔距離消力池前后端的距離，其它數(shù)值表示測孔間的距離。臺階式溢洪道共設(shè)置3種臺階高度（h=1.5 cm，2.07 cm，3.0 cm），試驗單寬流量為0.004 3～0.027 7 m3/（s·m）。

為觀測臺階式溢流壩消力池時均壓強和脈動壓強，沿消力池底板對稱中心線布置一排測壓孔，測點編號為測點1～11。時均壓強采用測壓排量測，脈動壓強測量儀器選用中國水科院研制的DJ800系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理，試驗采樣頻率為50 Hz，采樣間隔為0.02 s，采樣點數(shù)為4 096，采樣時間為81.92 s。結(jié)合采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用Matlab仿真軟件并使用傅里葉變換分析消力池水流脈動壓強，得到水流脈動壓強優(yōu)勢頻率。

2 時均壓強分析

2.1 沿程分布

臺階式溢流壩消力池時均壓強沿程變化見圖2所示，圖中X/L代表各測點距離消力池前端的距離與消力池總長度之比，數(shù)據(jù)分析物理量均為模型值，下文相同。從圖中可以看出，作用在消力池底板上的時均壓強均為正值?，F(xiàn)以臺階高度h=3.0 cm為例進行分析，在0.009 1 m3/（s·m）

對圖2進一步分析發(fā)現(xiàn)，上游來流量是影響消力池底板時均壓強大小的重要因素。在臺階高度h=3.0 cm下，當(dāng)0.009 1 m3/（s·m）

段水流流態(tài)為滑行水流和過渡水流，消力池內(nèi)時均壓強沿程變化規(guī)律基本一致，在測點2處，時均壓強從0.397 kPa（原型值為15.88 kPa）變?yōu)?.671 kPa（原型值為26.84 kPa），可見水流沖擊區(qū)時均壓強隨流量的增加而增大，主要原因是上游來流量越大，下泄水流慣性力越強，對消力池底板的沖擊作用越大，使時均壓強增大；沖擊區(qū)下游反彈區(qū)出現(xiàn)極小值，其時均壓強隨流量的增加而減小，分析原因是上游來流量越大，水流反彈上翹越厲害，底板受到的作用力越小，時均壓強也越小。當(dāng)q≤0.009 1 m3/（s·m）時，臺階段水流流態(tài)為跌落水流，消力池內(nèi)時均壓強沿程變化較小，且隨流量的增加而增大。同時發(fā)現(xiàn)，上游來流量越大，時均壓強達(dá)到穩(wěn)定所需距離越遠(yuǎn)，主要原因是上游來流量增加，入池水流能量增大，消耗水流能量的歷時越長，促使水躍長度增加，達(dá)到穩(wěn)定的位置不斷后移。

2.3 臺階尺寸影響

為探討臺階尺寸對消力池底板時均壓強的影響，本文還研究了在相同坡度和流量下，不同臺階高度消力池時均壓強沿程變化，如圖3所示。從圖中可以看出，不同臺階尺寸時消力池底板時均壓強沿程變化規(guī)律基本一致，均在水流沖擊處（測點2）出現(xiàn)一個較大值，其時均壓強隨臺階高度的改變而發(fā)生一定的變化；在q=0.022 8 m3/（s·m）時，改變臺階高度，測點2處時均壓強增加百分比依次為23%、12%，分析其原因是臺階高度不同，臺階式溢流壩面水流特性也不同，臺階高度降低，水流受臺階阻力的影響減小，上覆水流的慣性作用有一定的增強，沖擊區(qū)時均壓強有所增大，但整體上臺階尺寸對消力池內(nèi)時均壓強影響不大。3 脈動壓強分析

3.1 脈動壓強強度

3.1.1 沿程分布

為描述水流脈動過程的紊動特性，把脈動壓強測量數(shù)據(jù)的均方根稱為脈動壓強強度，它反映了脈動壓強振幅的統(tǒng)計特征。消力池脈動壓強強度沿程變化見圖4，試驗結(jié)果表明，水流脈動壓強強度沿下游方向先沿程逐漸增加，在水流沖擊處（測點2）脈動壓強強度達(dá)到最大值，試驗范圍內(nèi)最大為0.367 kPa（原型值為14.68 kPa），隨后沿程逐漸降低，脈動壓強強度在降低的總趨勢下有時會出現(xiàn)小幅起伏，最后逐漸趨于穩(wěn)定。在沖擊區(qū)出現(xiàn)最大值的主要原因是臺階段與消力池直接連接，下泄水流在慣性力作用下直接進入消力池，使水流發(fā)生強烈的分離和混摻，是消力池內(nèi)水流紊動最大的區(qū)域，該區(qū)域發(fā)生破壞的可能性增加，應(yīng)加強防護。3.1.2 上游來流量影響通過圖4還可以看出，上游來流量是影響消力池脈動壓強強度的重要因素，不同來流量條件下脈動壓強強度沿程變化規(guī)律一致，脈動壓強強度隨上游來流量的增加而增大。在h=3.0 cm下，單寬流量q=0.004 3 m3/（s·m）時，水流沖擊處（測點2）脈動壓強強度為0.031 kPa（原型值為1.24 kPa），

而在q=0.027 7 m3/（s·m）時變?yōu)?.274 kPa（原型值為10.96 kPa），可見消力池內(nèi)脈動壓強強度隨流量的增加而增大，分析其原因是上游來流量越大，消力池內(nèi)水流紊動越劇烈，脈動壓強幅值越大，其脈動壓強強度也越大，該位置附近是消力池內(nèi)脈動壓強強度極大區(qū)域；在流量較小時，脈動壓強強度沿程變化幅度降低，主要原因是下泄水流能量較低，對消力池底板影響減小。

3.1.3 臺階尺寸影響

在相同坡度和上游來流量下，不同臺階高度消力池脈動壓強強度沿程變化見圖5。從圖中可以看出，不同臺階高度時消力池底板脈動壓強強度沿程變化規(guī)律一致，在水流沖擊區(qū)出現(xiàn)脈動壓強強度最大值，隨臺階高度的降低而增大，但增幅不大，分析其原因是下泄水流受臺階的阻礙作用而降低其流速，臺階高度升高，阻力作用加強，水流摻氣效果較好，入池水流慣性作用減弱，水躍區(qū)水流紊動強度降低，脈動壓強強度有所減??；在消力池末端，脈動壓強強度變化不到7%，整體上臺階尺寸對消力池底板脈動壓強強度影響不大。

3.2 脈動壓強峰值變化

為了觀測消力池脈動壓強峰值沿程變化規(guī)律，提取消力池內(nèi)各測點量測時段內(nèi)所測得的脈動壓強最大值和最小值進行分析，如圖6所示。從圖中可以看出，脈動壓強最大值沿程變化規(guī)律和脈動壓強強度沿程變化規(guī)律基本一致，沿下游方向先逐漸增加至最大值，最大為1.198 kPa（原型值為47.92 kPa），隨后沿程逐漸減小，并逐漸趨于0.3～0.5 kPa，達(dá)到穩(wěn)定；脈動壓強最小值沿程變化與最大值相反，先沿程逐漸減小，達(dá)到最小值后沿程逐漸增加，并逐漸趨于-0.1～-0.3 kPa，達(dá)到穩(wěn)定值。這主要原因是作用在消力池底板的脈動壓強峰值變化與水流的沖擊和紊動有關(guān)，在水流沖擊區(qū)內(nèi)，水流紊動劇烈，脈動壓強幅值變化較大，最大為2.20 kPa（原型值變化幅度為88 kPa），而其他區(qū)域脈動壓強幅值變化較小。另外，隨著上游來流量的增加，水流紊動加劇，脈動壓強峰值絕對值增大，脈動壓強幅值范圍增加，消力池末端幅值變化在0.4～0.8 kPa之間。

3.3 頻率特性

通過分析可知，消力池脈動壓強變化是一個平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程，其壓強脈動屬低頻振動。消力池底板脈動頻率受上游來流量的影響，其水流脈動優(yōu)勢頻率為0.01～4 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臺階式溢流壩和消力池的自振頻率，不會對泄水建筑物產(chǎn)生共振破壞。由于消力池底板水躍區(qū)脈動壓強較大，使該部位水流脈動優(yōu)勢頻率大于其他部位。同時發(fā)現(xiàn)消力池底板壓強脈動概率密度不是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，而是偏態(tài)分布，隨著單寬流量的減小，概率密度分布曲線由矮胖型向瘦高型發(fā)展，說明脈動壓強變化幅度逐漸降低。圖7為不同單寬流量脈動壓強密度分布。

4 結(jié)論

本文通過水工物理模型試驗方法，對臺階式溢流壩未設(shè)反弧段時消力池壓強特性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在滑行水流和過渡水流時，時均壓強在水流沖擊區(qū)迅速增加，出現(xiàn)一個較大值，隨上游來流量的增加增大，隨后在下游反彈區(qū)出現(xiàn)極小值，隨上游來流量的增加而減??；跌落水流時，消力池時均壓強沿程變化較小，且隨來流量的增加而增大；改變臺階尺寸，消力池內(nèi)時均壓強變化不大。脈動壓強強度和峰值絕對值沿程變化規(guī)律基本一致，在水流沖擊處（測點2）達(dá)到最大值，脈動壓強最大為1.198 kPa，隨后沿程逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，整體上隨著上游來流量的增加而增大；改變臺階尺寸，消力池內(nèi)脈動壓強變化不大；消力池底板測點2附近壓強較大且變化明顯，是消力池內(nèi)的最不利區(qū)域，應(yīng)加強防護。消力池內(nèi)水流脈動優(yōu)勢頻率為0.01～4 Hz，屬低頻振動，其概率密度不是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，而是偏態(tài)分布，不會對泄水建筑物產(chǎn)生共振破壞。

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