消力戽面沿程脉动压强特征研究

韩晓维 徐岗 吴佩峰

摘 要：为研究戽流消能时戽面脉动压强特征及变化情况，结合实际工程，建立1∶60物理模型，应用DJ800多功能采集系统，对自由戽流、附着戽流、临界戽流及稳定戽流流态时戽面脉动压强进行观测。对戽面脉动强度特征、概率密度特征及频谱特性等参数进行统计，结果表明：戽流流态发生变化时戽面脉动压强随之发生变化，在泄流平顺的条件下，戽面脉动压强由大到小依次为稳定戽流>临界戽流>附着戽流≈自由戽流。戽面脉动压强概率密度基本符合正态分布，但临界戽流流态时，戽面鼻坎处峰态系数较大，且略有正偏。戽面上脉动压强主频主要集中在低频段，但随着下游水位的升高及流态的变化，戽面上脉动压强逐渐向高频段移动。

关键词：消力戽;脉动压强;概率密度;频谱;模型试验

中图分类号：TV652.1   文献标志码：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

泄水建筑物邊壁脉动压力特性与振动及空化空蚀破坏等工程问题有着非常密切的联系，若处理不当引起工程破坏，后果不堪设想。针对泄水建筑物脉动压强特性，国内外相关学者进行了一系列研究，如平板水跃脉动压强特性[1-3]、溢流坝面反弧、护坦及鼻坎段脉动压强特性[4-6]、消力池壁面脉动压强特性[7-8]及模型相似率等[9]。近年来，一些学者又对跌坎消力池[10]、洞塞消能工[11]、带键槽透水底板[12]及宽尾墩消力池[13]等特殊结构布置进行了相关研究。上述研究主要针对某一特定流态进行，考虑到消力戽的戽面流态复杂多变，本文结合不同戽流流态对消力戽面脉动压强特征的影响进行了研究。

戽流消能流态主要随着下游水位的变化而变化，当下游水位较低时，过戽水流呈挑流流态，又称自由戽流，流态示意见图1（a）;随着下游水位升高，挑流水舌吸附于下游水面，顶部开始上拱，此时流态称为附着戽流，其流态示意见图1（b）;下游水位再度升高，在戽斗内形成贴附于水舌表面的薄层水滚，挑流水舌受下部水体的顶托而极度弯曲并向上隆起，水舌表面倾角在55°～60°之间，涌浪上升至一定高度后上游面开始下塌，这种流态称为临界戽流，典型流态示意见图1（c）;下游水位继续上升，戽内水流旋滚加剧，流态趋于稳定，称为稳定戽流，其典型流态示意见图1（d）[14]。自由戽流及附着戽流在戽斗内均为急流，其对边壁的脉动压强以紊流边界层型为主，见图2（a），而临界戽流及稳定戽流在戽斗内形成一定的水滚，其边壁脉动压强属强紊流型，见图2（b）。由于紊流边界层型脉动压强与强紊流型脉动压强机理不同[15]，因此有必要对不同戽流流态时的消力戽边壁脉动压强特性进行研究。

2 模型设计及量测方法

2.1 模型设计

本文结合某实际工程，通过水工模型试验对不同戽流流态时戽面沿程脉动压强变化特征进行分析，模型比尺1∶60，模型设计、试验数据均按重力相似律换算，相关物理量比尺见表1。对于脉动压强频率相似性的问题，目前争议较大，本文主要研究戽面脉动压强，参考文献[6]中的研究成果，认为脉动压强频率符合重力相似准则。

该工程原设计采用挑流消能布置方式，其下游新建一座大（2）型水库，建成后下游水位淹没挑流鼻坎，使得原有挑流消能转变为戽流消能。该工程混凝土重力坝最大坝高56.00 m，坝顶高程293.21 m，坝顶总长156.40 m，坝顶宽4.50 m，共分6个坝段。溢流堰采用开敞式WES堰，堰顶高程为278.21 m，分4孔，每孔净宽8.00 m。挑流鼻坎反弧半径为12.50 m，鼻坎顶高程251.62 m，挑射角为22°。泄槽总宽39.50 m，两侧设混凝土挡墙，墙顶高程为256.71 m。设计下泄流量为1 000 m3/s，校核下泄流量为3 021 m3/s，对应下泄单宽流量分别为25.3 m2/s和76.5 m2/s。

2.2 量测设备及分析方法

脉动压强传感器共设2排，分别在1#孔（左侧）及2#孔（中部）溢流中心线上各布置4个，测点相对位置及具体布置如图3所示。其中A测点布置在溢洪道泄槽上，用以分析顺直边界处的脉动压强，B、C、D测点分别布置在反弧挑坎的上中下游，用以观测不同戽流流态时戽斗处的脉动压强。测点距xA、xB、xC、xD分别为19.7、25.2、33.5、40.2 m。

采用DJ800多功能监测系统对水面波动实时数据进行采集，分析戽面脉动荷载。奈奎斯特频率fn取25 Hz，脉动信号相应采样频率f=2fn=50 Hz，采样时间间隔Δt=0.02 s，采集时间t=60 s，数据容量N=3 000，采用快速傅里叶变换对试验数据进行频域分析。

2.3 试验组次选取

结合工程实际要求选取的试验组次见表2。该工程下游水位受下游新建水库水位影响，采用上下游遭遇同频率洪水时的水力条件分析不同洪水频率时戽面脉动压强，对应表2中的组次RUN1～4，而组次RUN5～7是在RUN2的基础上为分析不同戽流流态时的脉动压强所选取的对比工况。

测量8个测点的脉动压强，沿程脉动压强系数见图4及图5，戽面脉动强度与下泄流量及流态均存在一定关系。

（1）从图4可知，下泄流量较大时，泄槽两边脉动压强受溢洪道两侧水翅影响较为明显，1#孔中心线脉动压强显著较大。而2#孔中心线位于泄槽中部，其脉动压强分布规律符合常规二元水流下泄规律，当坝面上水舌能够自由挑出时，坝面脉动强度与下泄流量存在直接关系，流量越大，脉动越强。若流态发生变化，则戽斗内压强随之发生变化。

（2）控制下泄单宽流量q=25.3 m2/s，并改变下游水位形成不同下泄流态，分析不同戽流流态对戽面脉动压强的影响，结果见图5。自由戽流与附着戽流戽面上的脉动压强分布基本一致，且数值相对较小。当下游水位上升至一定高度、戽面上形成临界戽流时，戽斗鼻坎处的脉动压强逐渐增大，虽有薄层水滚形成，但脉动压强并未明显增大。当下游水位继续上升，戽斗内形成稳定戽流时，水流脉动压强明显增大。在泄流平顺的条件下，不同流态的脉动压强由大到小依次为：稳定戽流>临界戽流>附着戽流≈自由戽流。

偏态系数Cs表示分布的对称性，若Cs=0，则分布是对称的;峰态系数Ce表示峰值的高低和标准情况的偏离程度，标准正态分布对应的Ce=3。

戽流鼻坎处测点D2及戽斗底部测点C2在不同戽流流态时的偏态、峰态系数见表2，概率密度分布曲线见图6。从表2可以看出，大多数情况下测点的Cs接近于0，Ce接近于3，与正态分布接近。但是，临界戽流鼻坎处测点D2偏离正态较明显，其Cs约为0.90，Ce达到6.40，概率密度分布曲线较标准正态分布曲线更为高瘦。对于标准正态分布而言，（-3σ，3σ）区间内可以包含可能数据的99.73%，而瘦高型概率密度区间（-3σ，3σ）可以包含的数据将大于99.73%，因此取（-3σ，3σ）来计算戽面上的脉动压强特征值是偏安全的。

3.3 脉动压强的频谱特性

各点的脉动压强是由通过它的各种尺度的旋涡共同作用的结果。脉动压强可认为由较多不同频率结构的分量组成，谱密度即表示组成脉动压强的这些频率分量所具有的平均能量值。由于不同工况下构成脉动压强的频率分量不同，因此各频率分量具有的能量值及其在总能量中所占比例也不同。通过分析频谱谱型，不仅可了解脉动的频率结构、能量分布、强弱等特性，还可推测水流的内部结构及影响水流的因素[16]。

动水脉动压强的频域能量分布特征用自功率谱密度Sxx来表述[17]。

将不同流态下同一测点的功率谱进行归一化处理，见图7。

自由戽流、附着戽流溢流面沿程主要优势频率低于0.1 Hz，为低频单峰脉动，反映了此时戽面上脉动压强主要能量集中在水舌摆动等大尺度低频区域。临界戽流流态下挑坎水流表面存在薄层水滚，此时戽斗内存在两个较为明显的优势频段，一个为0.1 Hz以内的低频段，另一个为受薄层水滚影响所产生的0.4～0.9 Hz的相对高频段，脉动能量以低频段为主。稳定戽流流态下戽斗内形成稳定旋滚，其主频主要受旋滚影响，鼻坎处旋滚区域优势频率在0.5～1.5 Hz之间，戽斗底部区域优势频率在1.0～2.5 Hz之间，总体脉动能量向高频段移动，说明此时水流中的大尺度涡转化为小尺度涡，紊动加剧，消能率较高。

4 结 论

（1）在流态相同的条件下，戽面脉动强度与下泄流量存在一定关系，下泄流量越大，脉动越强。若流态发生变化，则戽斗内脉动压强随之发生变化，在泄流平顺的条件下，不同流态的脉动压强由大到小依次为稳定戽流>临界戽流>附着戽流≈自由戽流。

（2）用峰态系数和偏态系数对戽面脈动压强的正态性进行估计，不同戽流流态下戽面脉动压强主要分布在±3σ范围内，概率密度基本符合正态分布。临界戽流流态下戽面鼻坎处峰态系数较大，其概率密度分布曲线较标准正态分布曲线更为瘦高，因此取区间（-3σ，3σ）来计算戽面上的脉动压强特征值是偏安全的。

（3）分析

不同流态戽面脉动压强频谱表明，在一定条件下，随着下游水位的升高及流态的变化，戽面上的脉动能量逐渐向高频段移动。当戽坎下游水位较低、水流能顺利挑出时，戽面上以低频单峰脉动为主，且压强较小。当下游水位升高至临界戽流水位时，受主流表面薄层水滚的影响，一部分能量向高频段移动，形成低频双峰脉动。当下游水位继续升高至稳定戽流水位时，戽斗内形成稳定旋滚，其主频主要受水流旋滚影响，总体脉动能量向高频段移动，说明此时水流中的大尺度涡转化为小尺度涡，紊动加剧，消能率较高。

参考文献：

[1] 董淑芳.水跃底部壁压脉动机理的实验研究[J].山东建筑工程学院学报，1988（4）：50-53.

[2] 张声鸣.水跃区水流脉动压力相似律的试验研究[J].长江科学院院报，1991，8（4）：1-9.

[3] 李树宁，杨敏.平底板急流区下表面脉动压力试验研究[J].中国农村水利水电，2016（4）：123-125.

[4] 大连工学院三峡溢流坝断面模型试验组.坝面脉动压力及其模型律的试验研究[J].大连工学院学刊，1959（5）：107-119.

[5] 黄涛.水流压力脉动的特性及模型相似律[J].水利学报，1993，24（1）：51-57.

[6] 尹进步，田志勇，殷格霞.东风水电站溢洪道鼻坎脉动压力特性分析[J].西北水资源与水工程，2001（4）：26-29.

[7] 顾谦甫，陆芳春.赵山渡引水枢纽工程消力池底板脉动压力试验研究[J].浙江水利科技，1998（2）：2-4.

[8] 李静，姜伯乐，金峰.消力池底板及导墙脉动压力特性试验研究[J].人民长江，2009，40（17）：52-54.

[9] 辜晋德.水跃区水流脉动压力相似律[D].天津：天津大学，2007：6.

[10] 杨敏，李会平，缑文娟，等.跌坎消力池脉动压强试验[J].水利水电科技进展，2016，36（2）：24-29.

[11] 余挺，田忠，王韦，等.洞塞消能工的脉动压力分析[J].四川大学学报（工程科学版），2010，42（3）：14-18.

[12] 马斌，马永磊，李昕尧.带键槽透水底板脉动压力试验研究[J].水利水运工程学报，2017（4）：76-82.

[13] 尹进步，梁宗祥，张鸿琴，等.与宽尾墩联合使用的消力池体型优化研究[J].水力发电学报，2015，34（12）：92-98.

[14] 张功育.消力戽水力特性试验研究及工程应用[D].昆明：昆明理工大学，2007：5.

[15] 王木兰.水流脉动压力的数据处理、工程应用及机理研究的进展[J].河海大学科技情报，1990，10（3）：28-43.

[16] 张微，陈锐，王玥.过水围堰混凝土面板水流脉动压力试验研究[J].水电能源科学，2012，30（1）：145-148.

[17] 张陆陈，骆少泽.近海风力發电机基础桩群潮汐水动力脉动特性试验研究[J].工程力学，2010，27（增刊1）：236-239.

【责任编辑 张华岩】