宽尾墩—跌坎消力池脉动压强试验研究

金靖林,刁明军,田中耀,杨思远

(四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室,四川 成都 610065)

消力池底板的破坏有临底流速过大,空化空蚀现象,脉动压强造成失稳等主要原因[1-2].其中脉动压强增加了消力池底板存在的瞬时荷载,对消力池底板的强度与稳定是一种考验.为了有效降低消力池内的临底流速,设计人员常在消力池前端设置跌坎[3-4],临底流速随着跌坎的增高而减小[5],同时跌坎的存在会使消力池内产生横轴漩涡,消力池内的脉动压强变得更加复杂.有关跌坎消力池消能机理、水力特性[6]、脉动压强[7-9]和体型优化[10-11]的研究也颇多,秦翠翠、杨敏等通过模型试验研究了跌坎消力池水力特性[12],结果显示增设跌坎后的消力池底板最大临底流速与压强均明显减小;杨敏分析了不同流能比下跌坎消力池的脉动压强分布规律、幅值特性和频谱特性发现,来水条件是主要影响因素[13];卢洋亮通过将突扩消力池调整为渐阔、改变跌坎入射角等方法减小了消力池的脉动压强系数[14].宽尾墩是在我国发展形成的一种收缩式消能工[15],具有缩短消力池提高消能率的作用[16],在地形条件限制与经济因素的考虑下,合理地将宽尾墩应用到跌坎消力池消能方案中,可进一步减小脉动压强与临底流速[17].跌坎消力池在增设宽尾墩之后,洪水被宽尾墩束窄,纵向扩散形成水舌,砸入消力池内,增加了池内水情的复杂性.现今关于宽尾墩的研究主要集中在宽尾墩单独泄洪和宽尾墩阶梯溢流坝方面[18-20],与跌坎联合消能的研究较少且不够深入,而宽尾墩收缩比关系到水舌的束窄程度与触底位置,与消力池内脉动压强分布直接相关,因此,研究不同收缩比宽尾墩下跌坎消力池内的脉动压强具有现实意义,可为消力池体型设计提供参考依据.

1 模型布置与试验方案

依托某水库溢洪道设计阶段体型对Y型宽尾墩跌坎消力池联合消能方案进行脉动压强试验,水库正常蓄水位598.00 m,设计洪水流量为2 390 m3/s,校核水位599.07 m,校核洪水流量为2 820 m3/s.受限于狭窄的河谷条件,主要泄洪建筑物为两孔溢流坝,孔宽12 m,中墩宽5 m,坝高71.5 m,设计采用WES曲线溢流堰,堰顶高584 m,溢流面坡度为1∶0.8,后接3 m跌坎消力池,消力池长106 m,宽29 m,底板高程为528.5 m,尾部设垂直尾坎,高度为8 m.

模型由有机玻璃制作,根据重力相似原则设计,采用1∶40正态模型,流速比尺1∶6.32,流量比尺为1∶10119,如图1.模型模拟区域为上游库区,溢流道与消力池,以及消力池后400 m河道,模型制作安装后通过水准仪校核高程,精度保持在±1 mm范围内.消力池底板布置两条脉动压强测线,消力池中轴线(DZ)与消力池的边孔轴线(BK),每条测线布置11个测点,跌坎前反弧段3个测点,相距10 cm,跌坎后设置8个测点,采用前密后疏的布置方式,如图3.宽尾墩为Y型宽尾墩,该试验设置五个收缩比,宽尾墩收缩比的经验取值范围在0.4～0.7之间,因此选取0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五个收缩比进行对比试验,宽尾墩收缩比等于收缩后孔宽b比上收缩前孔宽W(b/W),如图2为0.38收缩比宽尾墩.脉动压强采用CY200系列智能数字压力传感器采集,实现对敏感部件拾取的压力信号进行滤波、放大、A/D转换、校正等功能,输出可显示储存的数字信号,通过Smart Sensor压力测试软件接受传感器采集的动态实时数据,并动态分析、显示、储存实时数据,采样频率f=100 Hz,样本容量N=18 000.

图2 宽尾墩示意图

图3 试验测点布置

(a)38-DZ-CH4

2 瞬时压强时域分析

此水库具有下游水位浅,水跃消能易形成远驱水跃等特点,设置宽尾墩可以缩短跃长,提高消力池内水深,宽尾墩后消力池按时均压强作用范围可分为冲击区、跳跃区和恢复过渡区三个区域,冲击区是水舌触底位置,常位于消力池前端的反弧段上,因水垫较薄承受较大的冲击压强;跳跃区是水舌触底后反弹在后方形成的压强急剧减小的区域;恢复过渡区静压比例逐渐上升,水位随之提升至共轭水深.宽尾墩后接跌坎消力池,跳跃区刚好处在跌坎处,跌坎处是否出现负压是一个值得关注的问题.对比DZ测线测点4(DZ-CH4)的时均压强与瞬时压强,如图 4,在0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五个收缩比(图中缩写38,44,50,56,62)下的原型时均压强分别为20.49 m、14.04 m、12.99 m、9.13 m、3.23 m,可知随着收缩比增大,跌坎后测点4的位置时均压强显著降低,这是由于水跃位置后移,跌坎位置水面线下降,跌坎后流速迅速降低造成的.观察瞬时压强,随着收缩比的增大,坎后逐渐出现负压,最坏情况下会出现10 m水柱的瞬时负压.瞬时值与时均值相差13.23 m,因此用时均压强作为判断是否发生空化的依据有所缺陷.

表1给出了两条测线上测点4(CH4)换算原型后的均值、峰峰值以及峰峰值与设计水头的比值,数据显示峰峰值远大于测点的时均水头,峰峰值是设计水头的1.02～1.36倍,随着收缩比的缩小,峰峰值与设计水头的比值在降低,小于0.44之后,比值略微增加.

表1 测点CH4压强特征值

3 脉动压强均方根分析

3.1 脉动压强均方根沿程分布

脉动压强均方根是脉动压强的重要特征值,反映了压强的脉动强度.设计(SJ)流量下,库区水位598 m,下游河道水位50.02 m,上下游水头差47.98 m,采用脉动压强系数对比脉动压强的分布情况,脉动压强系数为脉动压强均方根(σ)比上上下游水头差(H).根据图5分析不同收缩比两条测线脉动压强系数的大小,脉动压强最大值出现在跌坎之后,消力池内沿程脉动压强系数呈“单峰型”与“双峰型”,分析原因与水舌砸在反弧段的位置相关,收缩比小如0.38与0.44时,水舌缩窄程度大,挑距远,落点处于跌坎末端,脉动压强从反弧段到水舌落点逐渐增大,水舌落点后立即进入跌坎,脉动压强进一步增大,随后逐渐减小,形成单峰型;收缩比增大后,水舌挑距减小,水舌落点位于跌坎之前,在跌坎之前形成小峰,随后进入跌坎后形成大峰.对比DZ测线与BK测线,消力池前端BK 脉动压强相对较大,对应水舌落点,紊动最大,消力池后端DZ的脉动压强更大,与两股水舌在反弧段散开在DZ测线上汇合,造成DZ线上流速变大进而增大剪切紊动的原因有关.

(a)收缩比0.38

观察图6两条测线,消力池前端脉动压强系数与收缩比呈负相关,随着收缩比增大脉动压强系数减小,消力池后端脉动压强与收缩比呈正相关,随着收缩比增大,脉动压强系数增大,最大脉动压强随着收缩比的减小而减小.宽尾墩的使用使消力池内水跃前移,水垫变厚,增加了对消力池前端的保护,与此同时能否稳定地形成淹没水跃对脉动压强的影响巨大,试验为两孔泄洪,水舌与边墙距离较小,试验中发现水舌落点侧墙处于间歇淹没现象,处于淹没状态时,消力池内水力状态明显改善.

(a)不同收缩比DZ测线

3.2 脉动压强概率密度分布

消力池底板的脉动压强幅值特性可以用概率密度分布图来反映,脉动的概率密度分布是否正态分布是值得关注的问题.根据图7 ,消力池内底板的脉动压强概率分布近似正态分布,观察跌坎之前的测点CH3,随着收缩比增大,概率密度分布曲线由“矮胖”变为“瘦高”,说明收缩比愈大,消力池前端脉动压强振幅愈小,脉动压强越集中,对比DZ与BK上测点上的概率密度,BK振幅相对更大,对应跌坎前水舌落水处的脉动比墩子轴线处要强;继续观察测点CH4与测点CH8,发现从消力池前端往后移动,概率密度与收缩比的关系逐渐反转,到消力池后端,收缩比愈大,概率密度图越矮胖,意味着宽尾墩收缩比由大到小的过程,是将主要消能区由消力池后端向前移动的过程,这个过程在增加消力池前端紊动范围,同时减小消力池内最大脉动值.

(a)DZ测线CH3

以往学者常用偏态系数与峰态系数来判断概率密度分布图,标准正态分布偏态系数为0,峰态系数为3,图8作出了消力池内各测点的偏态系数与峰态系数,图中消力池内的偏态系数分布在0左右,收缩比愈大,越趋于正偏,偏态系数大于0时,出现像图4(e)这种负值脉动偏小,正值脉动偏大的现象,反之,消力池后端偏态系数小于0,呈负偏分布,正值脉动小于负值脉动,分析原因,消力池跌坎后形成横轴漩涡,水流持续间断拍击底板,造成正偏,消力池后段,受底板反弹与尾坎阻水作用,水流产生向上的移动分量,体现在脉动上是负偏.结合峰态系数与概率分布图,峰态系数基本在3以上,峰态系数的值并不能很好地反映概率密度图的“高矮胖瘦”,峰态系数受偏态系数的影响很大,其值受个别脉动极值控制,偏态系数的微小变动能造成峰态系数显著升高,因此在不同偏态系数下对比分析峰态系数没有实际意义.

4 脉动压强频谱特性

功率谱密度可以反映单位频带内信号功率随频率的变化,功率谱密度全程积分可以代表该点的水流能量[21].图9为消力池墩子轴线上测点CH3、CH4、CH8、CH11四个测点的功率谱密度.分析结果表明,消力池底板的脉动主要由10 Hz以内的低频脉动组成,测点CH3的脉动能量主要集中在1 Hz以内,脉动能量随着宽尾墩收缩比的增加而减小;到跌坎后测点CH4时,脉动能量增大且主要频率范围由1 Hz向10 Hz扩大,大收缩比体型的脉动能量迅速增加,在1～10 Hz范围内超过小收缩比的脉动能量;消力池后端测点CH8处属于恢复过渡区域,此时总体脉动能量减小,收缩比大的体型脉动能量愈大.测点CH11位于尾坎前端,脉动主要频率范围降至3 Hz以下,脉动能量降至消力池内最低.

(a)DZ-CH3

5 结论

①时均压强在评判消力池内是否产生负压进而造成空化方面存在缺陷,消力池内脉动压强峰峰值远大于时均值,可达到设计水头的1.02～1.36倍,时均压强大于零时实际存在瞬时压强为负压的情况,通过改变宽尾墩收缩比可以达到减小峰峰值,增大时均压强,消除瞬时负压的效果

②Y型宽尾墩联合跌坎消力池消能,消力池内脉动压强均方根沿程分布呈“单峰型”与“双峰型”,收缩比小时水舌挑距远,水舌落点与跌坎较近,脉动压强在跌坎后形成“单峰”;收缩比大时水舌落点位于反弧段,在反弧段形成“小峰”,随后在跌坎后形成“大峰”,最大脉动压强均方根出现在跌坎后,最大脉动压强系数在0.18以内.

③脉动压强概率密度基本符合正态分布,存在正偏与负偏现象,水流速度偏向底板时为正,偏离底板时为负,收缩比愈大,概率分布愈趋于正偏.峰态系数受偏态系数影响敏感,峰态系数大小取决于个别脉动极值,在不同偏态系数情况下,用峰态系数反映概率密度分布特征没有意义.

④消力池底板的脉动主要由10 Hz以内的低频脉动组成,收缩比改变只影响脉动能量,不影响脉动频率组成,脉动愈大的点频率组成范围愈大,收缩比的缩小使得消力池主要脉动消能区增大前移,消力池前端收缩比愈小,脉动能量愈大,消力池后端收缩比愈小,脉动能量愈小.