高速水流的涵義與觀測方法

王 容，王成林

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.北京八仙房地產開發有限責任公司，北京 100123)

0 前 言

在水利工程設計中，尤其是規模較大的泄水建筑工程中，對水的流態一定要做出認真的分析判定。對水流的性態，水力學中有著不少名詞定義。例如：層流、紊流、勢流、渦流、孔口出流、堰流、緩流、急流、臨界流、均勻流、非均勻流、水躍以及高速水流等。文章擬對高速水流的概念。高速水流的觀測等方面作以綜述。

1 高速水流的概念

高速水流是流速較高并由此伴隨著變化、空蝕、水流摻氣、霧氣、水激振動及明槽沖擊波等現象的水流。

權威水利專家習慣上常將流速在15-20m/s以上的水流視為高速水流。但由實踐得知，由于高速水流的概念內容廣泛，不宜用一個固定的流速值作為判別的標準，往往需要根據工程布置、結構類型、材料特性及水流條件等綜合因素加以判斷是否屬于高速水流。如空化空蝕問題，在布置失當，結構選型不佳，材料抗蝕性能不良時，流速高達10m/s時即可發生嚴重空蝕；反之，水流流速可以增大至40m/s時尚不致發生空化。又如，雖然水流在低流速時即可產生摻氣現象，但流速一般要達到15-20m/s的情況下，才形成需要采取工程措施的摻氣水流。再如，列入高速水流范圍的脈動，常指由于脈動導致的水動力荷載足以引起工程振動，且對工程可能造成危害時的脈動。故高速水流雖驗證確切規定流速判別界限，但可根據水流現象和所引起工程問題得出概括的判斷范圍。

因水流在流速增高過程中發生空化，水流挾入空氣而形成再相摻混。水流劇烈脈動作用引起的振動等，都使得水的流動性質出現新的變化，故研究高速水流己不能簡單應用經典的水流運動方程式和經驗關系式，常規的水力學縮尺模型也難以正確地模擬。所以高速水流問題逐漸成為一個專門的水力學研究課題。因此，在泄水工程設計中應認真對待高速水流。在設計不當時，高速水流會導致結構物和水力機械工作條件惡化，甚至造成破壞[1]。

中國在1956年修訂“十二年科學技術發展遠景規劃”時正式將高速水流列為研究課題，在烏江渡、白山、龍羊峽、東江、馮家山等水利水電工程中，較好地解決了高速水流方面的疑難問題。目前中國對高速水流的研究，己達到世界先進水平，并形成了獨特的體系。

2 關于高速水流觀測

2.1 主要觀測部位

高速水流觀測和部位大多是指對大型水庫和巨型水庫以及中大型水電站泄水建筑物中的溢流面、陡坡段、挑流鼻坎和隧洞內部等流速較高部位水流性態的觀測。高速水流常常拌有摻氣、空化、壓強脈動等現象，這些現象對建筑物有不利的方面，也有有利的方面。如水流摻氣會使水體膨脹，造成泄洪洞內明滿流過渡、使溢洪道需要較高的邊墻，但摻氣也可以使水股分開，增加空中消能效果，摻氣還可以減免空蝕。為了及時掌握高速水流對建筑物的作用，對工程施工期過水建筑物及竣工后泄水建筑物上的高速水流，都要進行現場觀測，以便及時發現問題，制定有效措施，為工程正確運用提供可靠的依據。

2.2 觀測項目內容與方法

觀測內容主要有水流摻氣觀測、空化與空蝕觀測、壓強脈動觀測及泄水建筑物振動觀測，另外還要進行高速水流的流速及平均壓力的觀測。觀測主要使用電測儀器，有時也輔以目測、錄相、攝影等手段。

2.2.1 水流摻氣觀測

高速水流摻氣以后，形成氣水混合體，呈乳白色。這種現象至20世紀80年代初尚不能完全在室內模型中重演，主要靠原型觀測取得定量的資料。摻氣水流多發生在壩面溢流、鼻坎挑流、泄水道的通氣槽后的水流中。在現場觀測中主要是量水測水流中的摻氣量。確定摻氣量的方法有兩種 ：①利用一般觀測方法量測出摻氣水流的水面線流速，用下列公式來估算出水流中空氣的百分數

(1)

式中：Qα為水中的空氣流量；QW為水流量；A為根據量測出的水面線計算出的斷面面積；V為斷面平均流速。在溢流壩面上、溢洪道泄槽中多采用這種方法；②利用電測儀器直接量測出水流的摻氣量。

2.2.2 空化與空蝕觀測

高速水充中的空化和由此而引起的空蝕破壞現象，過去因觀測手段落后，多用目測、耳聞，有時只能在停止泄水以后進行檢查，如有空蝕破壞，可用石膏或橡皮泥等材料填入空蝕處，按填入量換算出剝蝕下來的混凝土量，同時輔以繪圖描述其空蝕的部位和剝蝕深度。我國在20世紀80年代以來，己采用電測儀器觀測。電測儀器的工作原理是當水中空泡在建筑物邊界上潰滅時，導致邊界破壞，這里高頻壓力脈動以超波形成向外傳播，當水流中發生空化時，其噪聲級有明顯的跳躍，這種噪聲訊號比一般非空化水流的噪聲高得多，利用超聲換能的原理來控測空穴發生時超強度的變化，借以判斷出空穴是否存在。這種方法可以在泄水過程中進行，只要將儀器的感應部分置于泄水建筑物的邊壁上，就可以由接收部分記錄出是否有空蝕破壞。如果沒有這種儀器，也可以在建筑物表面設置底流速儀或畢托管，量測其高速水流的流速，用空穴指數(K)來預先判斷是否要能產生空穴[2]。空穴指數為：

(2)

式中：Pα為當地大氣壓力；P0為估算部位的實際水壓力；Pv為當地的蒸汽壓力；γ為水重；V是現場觀測到的實際流速；g為重力加速度。空蝕破壞常常發生在擴散段、彎道、岔管、消力墩等水流分離部位。在埋設儀器時，應特別注意這些部位。

2.2.3 壓力脈動觀測

壓力脈動觀測 水流的壓力脈動是引起建筑物振動和空蝕的主要原因，其觀測方法多采用電阻式壓力脈動感應器和示波儀或磁帶記錄器，記錄的時間一般不能少于10s。脈動壓力是一種隨機荷載，將記錄下來的成果輸入頻譜分析儀，即可得出所需要資料。通常用四種特征值來表示：①均方差：②功率譜密度函度；③自相關函數；④概率密度函數。根據多年來的觀測結果表明，溢流壩面或溢洪道中高速水能的脈動壓力，一般為5%左右的流速水頭，不會危及工程安全。在大波動或大漩滾部位，如水躍區某一點的脈動壓力荷載量是相當大的，常常在40%-50%的流速水頭范圍內。在整個底板面的范圍內，由于脈動荷載是隨機性的，所以不會引起大的振動。

(3)

式中：P′為脈動壓力；γ為水的容重。

2.2.4 泄水建筑物振動觀測

將測震儀置于建筑物邊壁上(如閘門或壩體內)，通過放大部分將永嘉號送入示波儀或磁帶記錄儀器。振動波是隨機性的，分析資料的方法多采用將非周期性的波動視為周期T→∞的傅里葉級數的極限，然后用特制的快帶傅里變換(FFT)隨機數據處理程序來計算，其結果主要是振動強度方差及頻譜密度函數。在脈動荷載作用下，建筑物振動的動力反應譜在結構的自振頻率上，將會產生峰值，可利用這個譜的特性作為現場觀測建筑物動力特性的方法。

3 成果整理

高速水流觀測結果，要根據各個項目規定的不同表格進行記錄，同時還要記錄天氣、風力、風向、閘門開啟的各種水力要素組合情況，開啟閘門的時間、觀測歷時等。同時以上均可通過電腦計算機網絡系統進行整理匯存。

4 結 語

中國的水利工程建設規模與設計及施工技術水平以及取得巨大的效益可為世界一流。在20世界70-80年代，我國已建成新安江水電站、烏江渡水電站、碧口水電站及馮家山泄水閘等水利樞紐工程，均對其高速水流采用相應的工程措施和觀測手段。進入20世紀90年代至21世紀初至今，我國更是建成長江三峽樞紐工程，葛州壩水利樞紐工程及金沙江多級水電站，還有北水南調系統工程。無疑，以上工程對高速水流采用的消能與綜合觀測技術措施都是各位水工設計人員應該前往調研學習借鑒的。

[1]水利水電泄水工程與高速水流信息網，中水東北勘測設計院有限責任公司科學研究院.泄水工程與高速水流[M].長春：吉林人民出版社，2010：26-30.

[2]崔宗培，徐乾清，吳以鰲，等.中國水利百科全書[M]。北京：水利電力出版社，1990：121-128.