寬尾墩—跌坎消力池脈動壓強試驗研究

金靖林,刁明軍,田中耀,楊思遠

(四川大學山區河流保護與治理全國重點實驗室,四川 成都 610065)

消力池底板的破壞有臨底流速過大,空化空蝕現象,脈動壓強造成失穩等主要原因[1-2].其中脈動壓強增加了消力池底板存在的瞬時荷載,對消力池底板的強度與穩定是一種考驗.為了有效降低消力池內的臨底流速,設計人員常在消力池前端設置跌坎[3-4],臨底流速隨著跌坎的增高而減小[5],同時跌坎的存在會使消力池內產生橫軸漩渦,消力池內的脈動壓強變得更加復雜.有關跌坎消力池消能機理、水力特性[6]、脈動壓強[7-9]和體型優化[10-11]的研究也頗多,秦翠翠、楊敏等通過模型試驗研究了跌坎消力池水力特性[12],結果顯示增設跌坎后的消力池底板最大臨底流速與壓強均明顯減小;楊敏分析了不同流能比下跌坎消力池的脈動壓強分布規律、幅值特性和頻譜特性發現,來水條件是主要影響因素[13];盧洋亮通過將突擴消力池調整為漸闊、改變跌坎入射角等方法減小了消力池的脈動壓強系數[14].寬尾墩是在我國發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濟因素的考慮下,合理地將寬尾墩應用到跌坎消力池消能方案中,可進一步減小脈動壓強與臨底流速[17].跌坎消力池在增設寬尾墩之后,洪水被寬尾墩束窄,縱向擴散形成水舌,砸入消力池內,增加了池內水情的復雜性.現今關于寬尾墩的研究主要集中在寬尾墩單獨泄洪和寬尾墩階梯溢流壩方面[18-20],與跌坎聯合消能的研究較少且不夠深入,而寬尾墩收縮比關系到水舌的束窄程度與觸底位置,與消力池內脈動壓強分布直接相關,因此,研究不同收縮比寬尾墩下跌坎消力池內的脈動壓強具有現實意義,可為消力池體型設計提供參考依據.

1 模型布置與試驗方案

依托某水庫溢洪道設計階段體型對Y型寬尾墩跌坎消力池聯合消能方案進行脈動壓強試驗,水庫正常蓄水位598.00 m,設計洪水流量為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,設計采用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,尾部設垂直尾坎,高度為8 m.

模型由有機玻璃制作,根據重力相似原則設計,采用1∶40正態模型,流速比尺1∶6.32,流量比尺為1∶10119,如圖1.模型模擬區域為上游庫區,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儀校核高程,精度保持在±1 mm范圍內.消力池底板布置兩條脈動壓強測線,消力池中軸線(DZ)與消力池的邊孔軸線(BK),每條測線布置11個測點,跌坎前反弧段3個測點,相距10 cm,跌坎后設置8個測點,采用前密后疏的布置方式,如圖3.寬尾墩為Y型寬尾墩,該試驗設置五個收縮比,寬尾墩收縮比的經驗取值范圍在0.4～0.7之間,因此選取0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五個收縮比進行對比試驗,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.脈動壓強采用CY200系列智能數字壓力傳感器采集,實現對敏感部件拾取的壓力信號進行濾波、放大、A/D轉換、校正等功能,輸出可顯示儲存的數字信號,通過Smart Sensor壓力測試軟件接受傳感器采集的動態實時數據,并動態分析、顯示、儲存實時數據,采樣頻率f=100 Hz,樣本容量N=18 000.

圖2 寬尾墩示意圖

圖3 試驗測點布置

(a)38-DZ-CH4

2 瞬時壓強時域分析

此水庫具有下游水位淺,水躍消能易形成遠驅水躍等特點,設置寬尾墩可以縮短躍長,提高消力池內水深,寬尾墩后消力池按時均壓強作用范圍可分為沖擊區、跳躍區和恢復過渡區三個區域,沖擊區是水舌觸底位置,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;跳躍區是水舌觸底后反彈在后方形成的壓強急劇減小的區域;恢復過渡區靜壓比例逐漸上升,水位隨之提升至共軛水深.寬尾墩后接跌坎消力池,跳躍區剛好處在跌坎處,跌坎處是否出現負壓是一個值得關注的問題.對比DZ測線測點4(DZ-CH4)的時均壓強與瞬時壓強,如圖 4,在0.38、0.44、0.50、0.56、0.62五個收縮比(圖中縮寫38,44,50,56,62)下的原型時均壓強分別為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4的位置時均壓強顯著降低,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.觀察瞬時壓強,隨著收縮比的增大,坎后逐漸出現負壓,最壞情況下會出現10 m水柱的瞬時負壓.瞬時值與時均值相差13.23 m,因此用時均壓強作為判斷是否發生空化的依據有所缺陷.

表1給出了兩條測線上測點4(CH4)換算原型后的均值、峰峰值以及峰峰值與設計水頭的比值,數據顯示峰峰值遠大于測點的時均水頭,峰峰值是設計水頭的1.02～1.36倍,隨著收縮比的縮小,峰峰值與設計水頭的比值在降低,小于0.44之后,比值略微增加.

表1 測點CH4壓強特征值

3 脈動壓強均方根分析

3.1 脈動壓強均方根沿程分布

脈動壓強均方根是脈動壓強的重要特征值,反映了壓強的脈動強度.設計(SJ)流量下,庫區水位598 m,下游河道水位50.02 m,上下游水頭差47.98 m,采用脈動壓強系數對比脈動壓強的分布情況,脈動壓強系數為脈動壓強均方根(σ)比上上下游水頭差(H).根據圖5分析不同收縮比兩條測線脈動壓強系數的大小,脈動壓強最大值出現在跌坎之后,消力池內沿程脈動壓強系數呈“單峰型”與“雙峰型”,分析原因與水舌砸在反弧段的位置相關,收縮比小如0.38與0.44時,水舌縮窄程度大,挑距遠,落點處于跌坎末端,脈動壓強從反弧段到水舌落點逐漸增大,水舌落點后立即進入跌坎,脈動壓強進一步增大,隨后逐漸減小,形成單峰型;收縮比增大后,水舌挑距減小,水舌落點位于跌坎之前,在跌坎之前形成小峰,隨后進入跌坎后形成大峰.對比DZ測線與BK測線,消力池前端BK 脈動壓強相對較大,對應水舌落點,紊動最大,消力池后端DZ的脈動壓強更大,與兩股水舌在反弧段散開在DZ測線上匯合,造成DZ線上流速變大進而增大剪切紊動的原因有關.

(a)收縮比0.38

觀察圖6兩條測線,消力池前端脈動壓強系數與收縮比呈負相關,隨著收縮比增大脈動壓強系數減小,消力池后端脈動壓強與收縮比呈正相關,隨著收縮比增大,脈動壓強系數增大,最大脈動壓強隨著收縮比的減小而減小.寬尾墩的使用使消力池內水躍前移,水墊變厚,增加了對消力池前端的保護,與此同時能否穩定地形成淹沒水躍對脈動壓強的影響巨大,試驗為兩孔泄洪,水舌與邊墻距離較小,試驗中發現水舌落點側墻處于間歇淹沒現象,處于淹沒狀態時,消力池內水力狀態明顯改善.

(a)不同收縮比DZ測線

3.2 脈動壓強概率密度分布

消力池底板的脈動壓強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分布是值得關注的問題.根據圖7 ,消力池內底板的脈動壓強概率分布近似正態分布,觀察跌坎之前的測點CH3,隨著收縮比增大,概率密度分布曲線由“矮胖”變為“瘦高”,說明收縮比愈大,消力池前端脈動壓強振幅愈小,脈動壓強越集中,對比DZ與BK上測點上的概率密度,BK振幅相對更大,對應跌坎前水舌落水處的脈動比墩子軸線處要強;繼續觀察測點CH4與測點CH8,發現從消力池前端往后移動,概率密度與收縮比的關系逐漸反轉,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,是將主要消能區由消力池后端向前移動的過程,這個過程在增加消力池前端紊動范圍,同時減小消力池內最大脈動值.

(a)DZ測線CH3

以往學者常用偏態系數與峰態系數來判斷概率密度分布圖,標準正態分布偏態系數為0,峰態系數為3,圖8作出了消力池內各測點的偏態系數與峰態系數,圖中消力池內的偏態系數分布在0左右,收縮比愈大,越趨于正偏,偏態系數大于0時,出現像圖4(e)這種負值脈動偏小,正值脈動偏大的現象,反之,消力池后端偏態系數小于0,呈負偏分布,正值脈動小于負值脈動,分析原因,消力池跌坎后形成橫軸漩渦,水流持續間斷拍擊底板,造成正偏,消力池后段,受底板反彈與尾坎阻水作用,水流產生向上的移動分量,體現在脈動上是負偏.結合峰態系數與概率分布圖,峰態系數基本在3以上,峰態系數的值并不能很好地反映概率密度圖的“高矮胖瘦”,峰態系數受偏態系數的影響很大,其值受個別脈動極值控制,偏態系數的微小變動能造成峰態系數顯著升高,因此在不同偏態系數下對比分析峰態系數沒有實際意義.

4 脈動壓強頻譜特性

功率譜密度可以反映單位頻帶內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的水流能量[21].圖9為消力池墩子軸線上測點CH3、CH4、CH8、CH11四個測點的功率譜密度.分析結果表明,消力池底板的脈動主要由10 Hz以內的低頻脈動組成,測點CH3的脈動能量主要集中在1 Hz以內,脈動能量隨著寬尾墩收縮比的增加而減小;到跌坎后測點CH4時,脈動能量增大且主要頻率范圍由1 Hz向10 Hz擴大,大收縮比體型的脈動能量迅速增加,在1～10 Hz范圍內超過小收縮比的脈動能量;消力池后端測點CH8處屬于恢復過渡區域,此時總體脈動能量減小,收縮比大的體型脈動能量愈大.測點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最低.

(a)DZ-CH3

5 結論

①時均壓強在評判消力池內是否產生負壓進而造成空化方面存在缺陷,消力池內脈動壓強峰峰值遠大于時均值,可達到設計水頭的1.02～1.36倍,時均壓強大于零時實際存在瞬時壓強為負壓的情況,通過改變寬尾墩收縮比可以達到減小峰峰值,增大時均壓強,消除瞬時負壓的效果

②Y型寬尾墩聯合跌坎消力池消能,消力池內脈動壓強均方根沿程分布呈“單峰型”與“雙峰型”,收縮比小時水舌挑距遠,水舌落點與跌坎較近,脈動壓強在跌坎后形成“單峰”;收縮比大時水舌落點位于反弧段,在反弧段形成“小峰”,隨后在跌坎后形成“大峰”,最大脈動壓強均方根出現在跌坎后,最大脈動壓強系數在0.18以內.

③脈動壓強概率密度基本符合正態分布,存在正偏與負偏現象,水流速度偏向底板時為正,偏離底板時為負,收縮比愈大,概率分布愈趨于正偏.峰態系數受偏態系數影響敏感,峰態系數大小取決于個別脈動極值,在不同偏態系數情況下,用峰態系數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.