基于原型觀測的大壩泄水建筑物水動力特性分析

2022-12-26 12:04:02劉明覺

水利科技與經濟 2022年12期

劉明覺

(萍鄉市農發水利投資發展有限責任公司，江西萍鄉 337000)

0 引言

近年來，泄水建筑物破壞事件頻發，設計和使用過程的穩定性是決定其安全性的主要因素。在大壩泄洪過程中，主要受水動力作用，為了解大壩使用過程中的穩定性，許多專家學者針對其動力特性展開了研究。

楊仕志等[1]以某水電站為研究對象，開展水工模型試驗，研究泄水建筑物設計參數對其穩定性的影響，并根據研究結果提出最優設計方案，驗證了該方案的合理性。王新等[2]基于水力學Bernoulli原理，設計了模擬耦合空蝕與沖刷作用的試驗裝置，對大壩的泄水過程減小模擬，分析空蝕和沖刷共同作用下大壩的破壞機制，結果表明在兩種以上情況共同作用下，大壩更易發生破壞。董金玉等[3]以某水電站為研究對象，分析建筑位置與布置方式對大壩穩定性的影響，結果表明該水電站的泄水建筑物布置方式合理，且充分節約了成本。劉東等[4]以某水電站為研究對象，通過有限元分析，對泄水建筑物的應力和變形情況進行分析，研究在不同開挖坡比下的穩定性變化規律，并提出相關優化方案。劉茵[5]以某水利樞紐為研究對象，基于COMSOL多物理場仿真，對不同工況和不同布置方案下的大壩力學特性進行研究，分別分析動荷載和靜荷載作用下，大壩的應力變化規律。

本文以某大壩泄水建筑物為研究對象，通過研究泄洪深孔和泄洪表孔的相關參數變化規律，分析大壩泄水建筑物的水動力特性，并基于觀測數據和模型試驗結果，探討觀測參數與庫水位和順水流向之間的關系。

1 工程概況

該大壩為混凝土重力壩，泄洪段總長436 m，壩段寬23 m。泄洪表孔為跨橫縫布置，孔寬為8 m；泄洪深孔孔寬為7 m，為跌坎摻氣方式。大壩的水力學觀測工況見表1。

表1 大壩的水力學觀測工況

2 觀測方法

為研究該大壩泄水建筑物的水力學特性，需對相關參數進行觀測，相關參數及其觀測方法見表2。

表2 相關參數及觀測方法

3 觀測結果

該大壩泄水主要通過泄洪深孔和泄洪表孔來實現。為研究大壩泄水建筑物的水動力特性，針對以上兩種泄水孔進行分析，研究表2中的觀測參數與庫水位和順水流向之間的關系。

3.1 泄洪深孔

根據攝影設備的觀測結果可得，泄水深孔的水流流態良好。在泄洪之前，其內部的水體較為平穩，流動平緩，未發生異常流態；在泄洪過程中，水流從高處留下，在此過程中發生摻氣，主要表現為白色絮狀水霧。當庫水位越高時，泄洪過程中會產生水的裂散現象，導致水體噴濺，水流翻滾的現象。庫水位與泄洪過程中的霧化程度呈正相關關系，當庫水位越大時，產生的白色絮狀水霧越多。根據觀測結果可得，泄洪產生的水霧主要集中于150 m左右，而該大壩的高程為185 m左右，說明水霧對大壩的影響較小。

泄洪深孔的動水壓強見圖1。由圖1可知，隨著順水流向的增大，泄洪深孔底板動水壓強呈先增大后減小的趨勢。當庫水位為172.6 m、順水流向為92 m時，泄水深孔的動水壓強有最大值，為396 kPa。當庫水位為135 m時，泄水深孔的動水壓強有最小值，當順水流向為93 m時，其值為217 kPa。說明動水壓強與庫水位呈正相關關系，隨著庫水位的增大，泄洪深孔的動水壓強逐漸增大。庫水位為135 m的原型觀測結果與庫水位為145 m的模型試壓結果的動水壓強曲線存在突變點，說明此時為沖擊壓強，泄洪深孔底板受力較大。當庫水位較小時，泄水深孔的動水壓強數值相對較為集中；當庫水位較大時，其動水壓強數值增量較大，說明當庫水位越大，其所受的動水壓強越大。在實際工程中，應適當減小大壩的庫水位，以保證工程的安全性。當順水流向為20～60 m時，曲線的變化趨勢較為平緩；隨著順水流向的增大，泄洪深孔的動水壓力快速上升，隨后下降趨勢顯著。對比模型試驗與原型觀測結果可得，原型觀測結果與模型試驗結果具有一定的差異性，在庫水位較為接近的情況下，原型觀測結果大于模型試驗結果，但是其動水壓強數值差距較小，不超過5%，說明模型試驗得出的結果較為準確。

圖1 泄洪深孔的動水壓強

圖2為庫水位與脈動壓強標準差之間的關系。由圖2可知，以上兩種參數之間呈正相關關系，且其相關關系接近線性增長，說明脈動壓強的增量較為穩定。對比動水壓強可得，脈動壓強標準差的變化趨勢與動水壓強較為接近，說明模型試驗得出的結果較為準確。

圖2 庫水位與脈動壓強標準差關系

當水流與固壁間接觸時，水內部會形成氣泡，而后會發生破裂現象，此過程產生的聲音即為水流空化噪聲。由于該過程對工程的影響范圍較廣，且其作用效果較為明顯，所以本文采用水聽器設備，結合高頻大容量采集分析系統，對該現象進行研究。根據前人研究可知[6]，水流的空化現象主要集中于深孔檢修門槽區，且發生空化的概率與庫水位呈正相關關系，因此以庫水位為172.6 m的泄洪深孔為檢測對象，分析水流空化噪聲情況。檢測結果表明，當大壩處于運行狀態時，檢測點的高頻段噪聲起伏小于10 dB，說明該檢測點存在水流空化現象，但空化程度較小。

由于摻氣空腔的實地監測難度較大，所以本文主要以模型試驗模擬大壩的空腔通氣情況，空腔長度與幅值見圖3。由圖3可知，隨著庫水位的增大，泄洪深孔的空腔擺動幅值呈先增大后減小的趨勢，空腔長度均值呈下降趨勢。當庫水位較小時，空腔長度均值及其擺動幅值的變化趨勢較為平緩；當庫水位大于165 m時，其曲線變化趨勢顯著。說明當庫水位較大時，庫水位的變化對空腔長度和擺動幅值的變化影響較大。庫水位與空腔相關參數的關系見表3。由表3可知，隨著庫水位的增大，空腔長度擺動幅值和波動率逐漸增大，說明當庫水位較大時，空腔長度的數值穩定性較差，其離散程度較高。

圖3 空腔長度與幅值變化曲線

表3 庫水位與空腔相關參數的關系

空腔現象會產生噪聲，為消除噪聲對環境的污染，可通過控制通氣風速和摻氣空腔負壓的方式解決上述問題。庫水位與通氣風速之間的關系見圖4。

圖4 庫水位與通氣風速之間關系

由圖4可知，隨著庫水位的增大，通氣風速呈上升趨勢。當庫水位為175 m時，通氣風速有最大值，為69 m/s。根據相關規范可知，避免噪聲污染的最小平均風速為60 m/s，而此時的通氣風速已超過規范所規定的最小值；但是計算各庫水位的平均通氣風速可知，該大壩的平均通氣風速小于60 m/s，符合規范要求。

庫水位與摻氣空腔負壓的關系見圖5。

圖5 庫水位與摻氣空腔負壓關系

由圖5可知，庫水位與摻氣空腔負壓負相關關系，且原型觀測的結果與模型試驗得出的結果存在一定的差異性。當庫水位為155 m時，二者之間的差距較小；當庫水位為145 m時，二者之間的差距較大。當庫水位為180.4 m時，原型觀測的摻氣空腔負壓有最小值，為-5.1 kPa。根據相關規范可知，當空腔負壓為-2～-14 kPa時，即可消除由于空腔產生的噪音現象。該大壩的空腔負壓與通氣風速均滿足規范所規定的限值，在實際工程中，可有效避免空腔帶來的負面影響。

圖6為順水流向與摻氣濃度之間的關系。由圖6可知，隨著順水流向的增大，泄洪深孔的摻氣濃度呈先增大后減小的趨勢，且在順水流向為40～55 m時，其增大趨勢顯著，隨后其下降趨勢較為平緩。當順水流向一定時，其對應的摻氣濃度與庫水位呈正相關關系。當庫水位為172.6 m時，摻氣濃度有最大值。這是由于當庫水位較大時，泄水過程中水與空氣的接觸時間和接觸面積增大，導致水流內的氣體濃度增大；當庫水位較小時，順水流向-摻氣濃度曲線較為集中。而庫水位為172.6 m的曲線與其余兩條曲線數值差距較大，說明庫水位對于摻氣濃度的影響顯著，且當庫水位越大時，其摻氣濃度的增量越大。

圖6 順水流向與摻氣濃度關系

在泄洪結束后，對泄洪深孔進行檢查，其相關設施及零件保持完好，且未發現空蝕破壞現象。但是由于泄洪過程中的水流沖刷，大壩的過流面及側墻等部位出現凹凸不平和磨損現象，大壩整體情況良好，未見明顯的破壞情況。

3.2 泄洪表孔

泄洪表孔的水流流態與泄洪深孔類似。在泄洪之前，其內部的水體較為平穩，流動平緩，未發生異常流態；在泄洪過程中，水體呈現白色泡沫狀，且伴有霧化現象，但大壩的壁高較大，霧化對大壩的影響較小。

泄洪表孔動水壓強的變化曲線見圖7。由圖7可知，不同庫水位對應的動水壓強具有一致性，隨著順水流向的增大，泄洪表孔的動水壓強呈先減小后增大再減小的趨勢。當順水流向為32 m時，有最小動水壓強；當順水流向為62 m時，有最大動水壓強。泄洪表孔的動水壓強與庫水位呈正相關關系。當庫水位較大時，其動水壓強越大；當順水流向較小時，不同庫水位對應的動水壓強差距較小。隨著順水流向的增大，不同庫水位對應的動水壓強差值逐漸增大。當順水流向為53 m時，其差值最大，說明此時庫水位對泄洪表孔動水壓強的影響較大。