全流場(chǎng)拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的試驗(yàn)研究

水墊湖是高壩高洪水消能防沖的主要措施之一。目前采用的水墊湖有兩種類型：平面水墊池和反弧水墊池。平面水墊池底部通常很厚，容易失去穩(wěn)定性。反弧水袋是一種新型的消能預(yù)防結(jié)構(gòu)，具有切割面小、水動(dòng)力條件好、加載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合清溪月等工程的研究，在拱橋及其他科學(xué)研究方面進(jìn)行了大量研究工作。在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合溪羅渡反弧水袋的建立，對(duì)拱的底部穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了一些重要結(jié)論。拱底板的失穩(wěn)理論仍有待研究。在高流量和大流量的作用下，拱底板的動(dòng)水壓是拱失穩(wěn)定的重要因素。在高速流量的作用下，拱底板的動(dòng)水壓變化會(huì)對(duì)拱底板的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。在這項(xiàng)工作中，我們分析了高流量和大流量之間的反弧水壓庫(kù)的整個(gè)過(guò)程，并分析了拱底板表面和內(nèi)水壓庫(kù)破壞引起的內(nèi)水壓傳播機(jī)制。1無(wú)...格架.試驗(yàn)以溪落渡水墊塘模型為基礎(chǔ),按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),比尺為170,其外形尺寸長(zhǎng)5m,寬0.9m,放置在帶滑輪的軌道上(見(jiàn)圖1).水舌入水厚0.0098m,寬0.57m,入水流速6.27m,入水角72.99°.在反拱水墊塘距上游端2.2m處裝有一個(gè)有機(jī)玻璃制成的可拆卸拱圈,其內(nèi)安裝9個(gè)(①～⑨)底板塊,底板塊四周及底板塊與反拱底板間設(shè)有約1mm的縫隙,用以模擬橫縫和底縫.圖2給出了拱圈底板塊中壓強(qiáng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置.其中,X為壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)縱排編號(hào),Z為壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)橫排編號(hào),圖2a中為拱圈中心,①～⑨為拱塊編號(hào)No.1～No.110的測(cè)點(diǎn)編號(hào),底板塊表面與縫口共布置52個(gè)測(cè)點(diǎn),底板縫隙內(nèi)共布置58個(gè)測(cè)點(diǎn).采用MPX50D型壓力傳感器(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制)和DJ800信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣和分析,采樣時(shí)間間隔Δt=0.016s,采樣時(shí)間t=160s,單次采樣總?cè)萘縉=1.1×106.坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)于水舌沖擊點(diǎn),x方向沿水流方向?yàn)檎?y方向垂直向上為正,如圖1所示.2拱圈底板動(dòng)水壓力分布對(duì)水墊深度ht=0.288～0.488m工況下,反拱水墊塘全流場(chǎng)內(nèi),拱圈底板表面與縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)進(jìn)行量測(cè).根據(jù)前人的研究,拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程.在此基礎(chǔ)上,對(duì)拱圈底板表面與底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)時(shí)域和頻域變化規(guī)律進(jìn)行分析.2.1拱底板動(dòng)水壓的自相關(guān)特征2.1.1底板模型材料動(dòng)水壓力自相關(guān)系數(shù)法圖3給出了不同水墊深度下拱圈底板表面和底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù)曲線.由圖3可見(jiàn),當(dāng)水墊深度較淺時(shí),在水舌沖擊作用下,水流卷入大量氣體,紊動(dòng)劇烈,反拱水墊塘內(nèi)存在各種尺度旋渦,大尺度渦不斷破碎,小尺度渦不斷生成,底板表面測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù)衰減較快,渦旋平均尺度小.隨著水墊深度的增加,其自相關(guān)系數(shù)衰減相對(duì)減慢,水墊塘內(nèi)尺度小的渦減少,尺度大的渦增多,渦旋尺度的差異減小.在沖擊點(diǎn)附近很小的范圍內(nèi),由于水舌的直接沖擊,大尺度渦旋較少,小尺度渦旋較多,拱圈底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù)衰減加快,見(jiàn)圖3a.在壁射流區(qū),底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù)相對(duì)衰減較慢,該區(qū)域內(nèi)渦旋的平均尺度變大,見(jiàn)圖3b.拱圈底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù)曲線存在一定的相似性,其衰減梯度小,波動(dòng)較小,不同時(shí)刻動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)程度高,見(jiàn)圖3c.2.1.2動(dòng)水壓力值的時(shí)間積分尺度時(shí)間積分尺度Lt定義為式中:ρ(τ)為動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)系數(shù),τ為時(shí)滯.時(shí)間積分尺度Lt值的大小反映水流渦旋的平均尺度的大小.表1給出了拱圈底板表面與底板縫隙中動(dòng)水壓強(qiáng)的時(shí)間積分尺度.由表1可見(jiàn),當(dāng)水墊塘內(nèi)水墊較淺時(shí),入射水流直接沖擊在底板上,沖擊點(diǎn)附近大尺度的渦旋較少,Lt值較小;壁射流區(qū)Lt稍大.當(dāng)下游水墊增加時(shí),沖擊點(diǎn)附近Lt較遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的其他區(qū)域稍大.隨著水墊深度的增加,Lt相應(yīng)的變大,這表明水墊塘內(nèi)大尺度的渦旋增加,小尺度的渦旋相應(yīng)的減少.從表中還可以看出,拱圈底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)的時(shí)間積分尺度分布特性與底板表面的基本相似.2.1.3動(dòng)水壓力t特征時(shí)間微分尺度方程定義為λt=12π2p2σ∫∞0f2S(f)df?????????√(2)λt=12π2pσ2∫0∞f2S(f)df(2)式中:Sf為動(dòng)水壓強(qiáng)譜密度函數(shù),其表達(dá)式為Sf=4∫∞0R(τ)cos(2πfτ)dτSf=4∫0∞R(τ)cos(2πfτ)dτλt是表征動(dòng)水壓強(qiáng)變化快慢程度的一個(gè)特征尺度.λt越小,表示動(dòng)水壓強(qiáng)隨時(shí)間變化越迅速,反之亦然.由表2可見(jiàn),λt在沖擊區(qū)稍小,在壁射流區(qū)和漸變流區(qū)稍大,表明在沖擊點(diǎn)附近,底板表面和底板縫隙內(nèi)的動(dòng)水壓強(qiáng)變化迅速;在壁射流區(qū)和漸變流區(qū),動(dòng)水壓強(qiáng)變化相對(duì)變緩.隨水墊深度的增加,其動(dòng)水壓強(qiáng)的變化減緩.在沿拱圈方向,從拱冠向兩岸,λt有減小的趨勢(shì),但數(shù)值變化小,表明拱端附近底板表面與底板縫隙內(nèi)的動(dòng)水壓強(qiáng)的變化較水墊塘中心的稍大.比較底板表面與底板縫隙內(nèi)的λt值,可知底板縫隙內(nèi)的動(dòng)水壓強(qiáng)相對(duì)底板表面的變化緩慢.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,從沖擊點(diǎn)沿流程向上、下游,拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的驟降過(guò)程中,底板表面的變化梯度比縫隙內(nèi)的大;在底板塊⑤上,底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)驟降過(guò)程的距離達(dá)到底板表面的3倍,而其值的變幅僅為底板表面的0.85倍.因此,在沖擊點(diǎn)附近,拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的變化在底板塊上形成很大的上舉力,可導(dǎo)致拱圈底板塊失穩(wěn).2.2時(shí)域相關(guān)系數(shù)曲線時(shí)空相關(guān)函數(shù)所表征的不同空間點(diǎn)不同時(shí)刻的動(dòng)水壓強(qiáng)之間的相互依賴關(guān)系,是相干渦旋關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的反映.反拱水墊塘流場(chǎng)屬于三維流場(chǎng),拱圈底板表面與底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)不但與兩點(diǎn)距離有關(guān),而且還與傳播方向有關(guān).對(duì)于沿水流方向相距ξx,沿拱圈方向相距ξy兩點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)定義為ρ(ξx,ξy,τ)=∫T?τ0[p(x,y,t)?pa(x,y)](T?τ)[p(x+ξx,y+ξy,t+τ)?pa(x+ξx,y+ξy)]dtpσ(x,y)pσ(x+ξx,y+ξy)(3)ρ(ξx,ξy,τ)=∫0Τ-τ[p(x,y,t)-pa(x,y)](Τ-τ)[p(x+ξx,y+ξy,t+τ)-pa(x+ξx,y+ξy)]dtpσ(x,y)pσ(x+ξx,y+ξy)(3)式中:pσ(x,y)、pσ(x+ξx,y+ξy)分別為兩點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)均方根.圖4給出了拱圈底板表面與底板縫隙中沿水流方向和沿拱圈方向測(cè)點(diǎn)之間的示意圖.根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出不同水墊深度下的時(shí)空相關(guān)系數(shù)曲線,如圖5～7所示.2.2.1壁射流區(qū)內(nèi)時(shí)空相干群數(shù)值分布特征圖5給出了拱圈底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)曲線.由圖5可見(jiàn),在水墊塘內(nèi)拱冠附近,兩測(cè)點(diǎn)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)峰值,峰值隨兩點(diǎn)間距ξx的增大而減小,大尺度相干渦旋由沖擊點(diǎn)沿流程向上、下游傳遞.隨著水墊深度的增大,底板表面沿水流方向測(cè)點(diǎn)之間的時(shí)空相關(guān)系數(shù)相應(yīng)增大,底板表面測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性增大.在沖擊點(diǎn)附近時(shí)空相關(guān)系數(shù)值較小(見(jiàn)圖5a和圖5b),表明其相干渦旋傳遞的規(guī)律性差.在壁射流區(qū)內(nèi)時(shí)空相關(guān)系數(shù)值相應(yīng)增大(見(jiàn)圖5c),峰值表現(xiàn)非常明顯,相干渦旋傳遞的規(guī)律性增強(qiáng).這是由于在沖擊區(qū),水流受到水舌的沖擊作用,水流脈動(dòng)劇烈,小尺度渦旋較多;在壁射流區(qū),水流脈動(dòng)相應(yīng)減弱,大尺度渦旋相應(yīng)增加,小尺度渦旋減少.靠近拱端附近的測(cè)點(diǎn)ρ(ξx,τ)之間的值較小,且峰值的表現(xiàn)不明顯(見(jiàn)圖5d),表明沿水流方向遠(yuǎn)離拱冠的底板塊上受大尺度相干渦旋傳遞的影響小,這是由于反拱水墊塘底板邊界的影響,水流具有斜向向心集中的趨勢(shì).圖6給出了不同水墊深度下,拱圈底板縫隙內(nèi)測(cè)點(diǎn)間及與底板上游縫口測(cè)點(diǎn)間的時(shí)空相關(guān)系數(shù)曲線.由圖6可見(jiàn),拱圈底板縫隙內(nèi)測(cè)點(diǎn)之間及與底板上游縫口測(cè)點(diǎn)之間的時(shí)空相關(guān)系數(shù)在時(shí)滯為零時(shí)最大,其他時(shí)刻的值較小,底板表面的大尺度相干渦旋幾乎沒(méi)有進(jìn)入底板縫隙內(nèi).這是由于底板縫隙的厚度較小,底板縫隙內(nèi)水流的流動(dòng)為層流,其流速很小,沒(méi)有為水流的大尺度渦旋提供相應(yīng)的傳遞通道.由圖6b可見(jiàn),0～4兩測(cè)點(diǎn)之間的時(shí)空相關(guān)系數(shù)值在τ=0時(shí)刻較大,底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)受底板塊上游縫口動(dòng)水壓強(qiáng)的影響大.在時(shí)滯為零時(shí),拱圈底板縫隙中間測(cè)點(diǎn)與縫隙內(nèi)上游端測(cè)點(diǎn)(6～7)脈動(dòng)壓強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)值較大,其最大值達(dá)到0.96,底板縫隙中動(dòng)水壓強(qiáng)幾乎不變的沿縫隙縱向傳播.2.2.2底板宏觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性圖7給出拱圈底板表面與底板縫隙沿拱圈橫向測(cè)點(diǎn)間的時(shí)空相關(guān)系數(shù)曲線.由圖7可見(jiàn),拱圈底板表面和底板縫隙沿拱圈方向的時(shí)空相關(guān)系數(shù)在時(shí)滯為零時(shí)最大,未出現(xiàn)其他的峰值,表明橫向沒(méi)有大尺度渦體傳遞,主要是由于沿拱圈方向的水流流速小.但在該時(shí)刻,相鄰兩點(diǎn)的時(shí)空相關(guān)系數(shù)值較大,其最大值分別達(dá)到0.85和0.96,表明在沿拱圈方向相鄰兩點(diǎn)之間的相關(guān)性大,這在底板縫隙內(nèi)橫向測(cè)點(diǎn)上表現(xiàn)更加明顯.隨著兩測(cè)點(diǎn)橫向距離的增加,底板表面的ρ(ξy,τ)在τ=0時(shí)刻的值較底板縫隙內(nèi)的遞減快,其相關(guān)性減弱.2.2.3傳遞速度t反拱水墊塘內(nèi)的流場(chǎng)屬于非均勻流場(chǎng),若Taylor假定在某點(diǎn)局部范圍內(nèi)成立,則有式中:ξx為兩測(cè)點(diǎn)A、B的距離,ue為渦旋傳遞速度,ρ(ξx)為A點(diǎn)與附近測(cè)點(diǎn)的空間相關(guān)系數(shù),ρ(τ)為A點(diǎn)的自相關(guān)系數(shù).由表3實(shí)測(cè)結(jié)果表明,泰勒假定在反拱水墊塘拱冠附近的區(qū)域內(nèi)基本成立.但對(duì)比其對(duì)應(yīng)的自相關(guān)系數(shù)和時(shí)空相關(guān)系數(shù),兩者的值還存在一些差異(特別是水墊深度較淺時(shí)),這是因?yàn)榉垂八畨|塘的橫向邊界為弧形形狀,水墊塘內(nèi)水流具有向心集中的趨勢(shì),兩側(cè)有較多的渦旋流入和流出,同時(shí)也和水流紊動(dòng)的劇烈程度有關(guān).2.3能量分布特征圖8給出拱圈底板表面、底板縫隙測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)譜密度.由圖8可見(jiàn),拱圈底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)頻率分布范圍較廣,主要集中在0～4Hz,脈動(dòng)能量在頻帶內(nèi)分布比較均勻,沒(méi)有十分突出的能量集中區(qū),呈現(xiàn)寬帶噪聲譜性質(zhì);而底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)頻率分布范圍主要集中在0～1Hz,低頻(小于1Hz)的脈動(dòng)能量占主要部分,相對(duì)于底板表面,能量分布較為集中,呈窄帶噪聲譜性質(zhì).拱圈底板表面和底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)的峰值頻率都集中在0～1Hz.在沖擊區(qū)內(nèi),高頻域和低頻域內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)譜密度的值較大,能量分布較廣;其他區(qū)域較窄,能量分布集中.當(dāng)下游水墊深度較淺時(shí),動(dòng)水壓強(qiáng)譜密度在低頻域或高頻域內(nèi)值大,能量在頻域上分布較寬;隨著水墊深度的增加,高頻域內(nèi)的譜密度值減小,低頻域內(nèi)的脈動(dòng)能量占主要部分.3底板動(dòng)水壓力檢測(cè)1)由試驗(yàn)結(jié)果分析得出拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的自相關(guān)變化特征,分析其與反拱水墊塘內(nèi)水流渦旋特性及拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的變化特性之間的關(guān)系,揭示了拱圈底板表面與底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)的變化特征.2)根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)