基于原型观测的大坝泄水建筑物水动力特性分析

刘明觉

(萍乡市农发水利投资发展有限责任公司，江西 萍乡 337000)

0 引 言

近年来，泄水建筑物破坏事件频发，设计和使用过程的稳定性是决定其安全性的主要因素。在大坝泄洪过程中，主要受水动力作用，为了解大坝使用过程中的稳定性，许多专家学者针对其动力特性展开了研究。

杨仕志等[1]以某水电站为研究对象，开展水工模型试验，研究泄水建筑物设计参数对其稳定性的影响，并根据研究结果提出最优设计方案，验证了该方案的合理性。王新等[2]基于水力学Bernoulli原理，设计了模拟耦合空蚀与冲刷作用的试验装置，对大坝的泄水过程减小模拟，分析空蚀和冲刷共同作用下大坝的破坏机制，结果表明在两种以上情况共同作用下，大坝更易发生破坏。董金玉等[3]以某水电站为研究对象，分析建筑位置与布置方式对大坝稳定性的影响，结果表明该水电站的泄水建筑物布置方式合理，且充分节约了成本。刘东等[4]以某水电站为研究对象，通过有限元分析，对泄水建筑物的应力和变形情况进行分析，研究在不同开挖坡比下的稳定性变化规律，并提出相关优化方案。刘茵[5]以某水利枢纽为研究对象，基于COMSOL多物理场仿真，对不同工况和不同布置方案下的大坝力学特性进行研究，分别分析动荷载和静荷载作用下，大坝的应力变化规律。

本文以某大坝泄水建筑物为研究对象，通过研究泄洪深孔和泄洪表孔的相关参数变化规律，分析大坝泄水建筑物的水动力特性，并基于观测数据和模型试验结果，探讨观测参数与库水位和顺水流向之间的关系。

1 工程概况

该大坝为混凝土重力坝，泄洪段总长436 m，坝段宽23 m。泄洪表孔为跨横缝布置，孔宽为8 m；泄洪深孔孔宽为7 m，为跌坎掺气方式。大坝的水力学观测工况见表1。

表1 大坝的水力学观测工况

2 观测方法

为研究该大坝泄水建筑物的水力学特性，需对相关参数进行观测，相关参数及其观测方法见表2。

表2 相关参数及观测方法

3 观测结果

该大坝泄水主要通过泄洪深孔和泄洪表孔来实现。为研究大坝泄水建筑物的水动力特性，针对以上两种泄水孔进行分析，研究表2中的观测参数与库水位和顺水流向之间的关系。

3.1 泄洪深孔

根据摄影设备的观测结果可得，泄水深孔的水流流态良好。在泄洪之前，其内部的水体较为平稳，流动平缓，未发生异常流态；在泄洪过程中，水流从高处留下，在此过程中发生掺气，主要表现为白色絮状水雾。当库水位越高时，泄洪过程中会产生水的裂散现象，导致水体喷溅，水流翻滚的现象。库水位与泄洪过程中的雾化程度呈正相关关系，当库水位越大时，产生的白色絮状水雾越多。根据观测结果可得，泄洪产生的水雾主要集中于150 m左右，而该大坝的高程为185 m左右，说明水雾对大坝的影响较小。

泄洪深孔的动水压强见图1。由图1可知，随着顺水流向的增大，泄洪深孔底板动水压强呈先增大后减小的趋势。当库水位为172.6 m、顺水流向为92 m时，泄水深孔的动水压强有最大值，为396 kPa。当库水位为135 m时，泄水深孔的动水压强有最小值，当顺水流向为93 m时，其值为217 kPa。说明动水压强与库水位呈正相关关系，随着库水位的增大，泄洪深孔的动水压强逐渐增大。库水位为135 m的原型观测结果与库水位为145 m的模型试压结果的动水压强曲线存在突变点，说明此时为冲击压强，泄洪深孔底板受力较大。当库水位较小时，泄水深孔的动水压强数值相对较为集中；当库水位较大时，其动水压强数值增量较大，说明当库水位越大，其所受的动水压强越大。在实际工程中，应适当减小大坝的库水位，以保证工程的安全性。当顺水流向为20～60 m时，曲线的变化趋势较为平缓；随着顺水流向的增大，泄洪深孔的动水压力快速上升，随后下降趋势显著。对比模型试验与原型观测结果可得，原型观测结果与模型试验结果具有一定的差异性，在库水位较为接近的情况下，原型观测结果大于模型试验结果，但是其动水压强数值差距较小，不超过5%，说明模型试验得出的结果较为准确。

图1 泄洪深孔的动水压强

图2为库水位与脉动压强标准差之间的关系。由图2可知，以上两种参数之间呈正相关关系，且其相关关系接近线性增长，说明脉动压强的增量较为稳定。对比动水压强可得，脉动压强标准差的变化趋势与动水压强较为接近，说明模型试验得出的结果较为准确。

图2 库水位与脉动压强标准差关系

当水流与固壁间接触时，水内部会形成气泡，而后会发生破裂现象，此过程产生的声音即为水流空化噪声。由于该过程对工程的影响范围较广，且其作用效果较为明显，所以本文采用水听器设备，结合高频大容量采集分析系统，对该现象进行研究。根据前人研究可知[6]，水流的空化现象主要集中于深孔检修门槽区，且发生空化的概率与库水位呈正相关关系，因此以库水位为172.6 m的泄洪深孔为检测对象，分析水流空化噪声情况。检测结果表明，当大坝处于运行状态时，检测点的高频段噪声起伏小于10 dB，说明该检测点存在水流空化现象，但空化程度较小。

由于掺气空腔的实地监测难度较大，所以本文主要以模型试验模拟大坝的空腔通气情况，空腔长度与幅值见图3。由图3可知，随着库水位的增大，泄洪深孔的空腔摆动幅值呈先增大后减小的趋势，空腔长度均值呈下降趋势。当库水位较小时，空腔长度均值及其摆动幅值的变化趋势较为平缓；当库水位大于165 m时，其曲线变化趋势显著。说明当库水位较大时，库水位的变化对空腔长度和摆动幅值的变化影响较大。库水位与空腔相关参数的关系见表3。由表3可知，随着库水位的增大，空腔长度摆动幅值和波动率逐渐增大，说明当库水位较大时，空腔长度的数值稳定性较差，其离散程度较高。

图3 空腔长度与幅值变化曲线

表3 库水位与空腔相关参数的关系

空腔现象会产生噪声，为消除噪声对环境的污染，可通过控制通气风速和掺气空腔负压的方式解决上述问题。库水位与通气风速之间的关系见图4。

图4 库水位与通气风速之间关系

由图4可知，随着库水位的增大，通气风速呈上升趋势。当库水位为175 m时，通气风速有最大值，为69 m/s。根据相关规范可知，避免噪声污染的最小平均风速为60 m/s，而此时的通气风速已超过规范所规定的最小值；但是计算各库水位的平均通气风速可知，该大坝的平均通气风速小于60 m/s，符合规范要求。

库水位与掺气空腔负压的关系见图5。

图5 库水位与掺气空腔负压关系

由图5可知，库水位与掺气空腔负压负相关关系，且原型观测的结果与模型试验得出的结果存在一定的差异性。当库水位为155 m时，二者之间的差距较小；当库水位为145 m时，二者之间的差距较大。当库水位为180.4 m时，原型观测的掺气空腔负压有最小值，为-5.1 kPa。根据相关规范可知，当空腔负压为-2～-14 kPa时，即可消除由于空腔产生的噪音现象。该大坝的空腔负压与通气风速均满足规范所规定的限值，在实际工程中，可有效避免空腔带来的负面影响。

图6为顺水流向与掺气浓度之间的关系。由图6可知，随着顺水流向的增大，泄洪深孔的掺气浓度呈先增大后减小的趋势，且在顺水流向为40～55 m时，其增大趋势显著，随后其下降趋势较为平缓。当顺水流向一定时，其对应的掺气浓度与库水位呈正相关关系。当库水位为172.6 m时，掺气浓度有最大值。这是由于当库水位较大时，泄水过程中水与空气的接触时间和接触面积增大，导致水流内的气体浓度增大；当库水位较小时，顺水流向-掺气浓度曲线较为集中。而库水位为172.6 m的曲线与其余两条曲线数值差距较大，说明库水位对于掺气浓度的影响显著，且当库水位越大时，其掺气浓度的增量越大。

图6 顺水流向与掺气浓度关系

在泄洪结束后，对泄洪深孔进行检查，其相关设施及零件保持完好，且未发现空蚀破坏现象。但是由于泄洪过程中的水流冲刷，大坝的过流面及侧墙等部位出现凹凸不平和磨损现象，大坝整体情况良好，未见明显的破坏情况。

3.2 泄洪表孔

泄洪表孔的水流流态与泄洪深孔类似。在泄洪之前，其内部的水体较为平稳，流动平缓，未发生异常流态；在泄洪过程中，水体呈现白色泡沫状，且伴有雾化现象，但大坝的壁高较大，雾化对大坝的影响较小。

泄洪表孔动水压强的变化曲线见图7。由图7可知，不同库水位对应的动水压强具有一致性，随着顺水流向的增大，泄洪表孔的动水压强呈先减小后增大再减小的趋势。当顺水流向为32 m时，有最小动水压强；当顺水流向为62 m时，有最大动水压强。泄洪表孔的动水压强与库水位呈正相关关系。当库水位较大时，其动水压强越大；当顺水流向较小时，不同库水位对应的动水压强差距较小。随着顺水流向的增大，不同库水位对应的动水压强差值逐渐增大。当顺水流向为53 m时，其差值最大，说明此时库水位对泄洪表孔动水压强的影响较大。

图7 泄洪表孔动水压强的变化曲线

泄洪表孔底部流速的变化曲线见图8。

图8 泄洪表孔底部流速的变化曲线

由图8可知，不同库水位对应的底部流速曲线的变化趋势具有一致性，顺水流向与底部流速呈正相关关系。当库水位较大时，同一顺水流向对应的底部流速较大。在不同顺水流向下，两种库水位对应的底部流速差值具有一致性，说明其差值受顺水流向变化的影响较小。

泄洪表孔的水流空化噪声与泄洪深孔类似。检测点的高频段噪声起伏小于10 dB，说明该检测点存在水流空化现象，但空化程度较小。在泄洪结束后，对泄洪表孔进行检查，大坝整体情况良好，未见明显的破坏情况。

4 结 论

本文以某大坝泄水建筑物为研究对象，通过研究泄洪深孔和泄洪表孔的相关参数变化规律，分析大坝泄水建筑物的水动力特性，并基于观测数据和模型试验结果，探讨观测参数与库水位和顺水流向之间的关系。结论如下：

1) 当库水位越大，其所受的动水压强越大。在实际工程中，应适当减小大坝的库水位，以保证工程的安全性。

2) 当大坝处于运行状态时，泄洪表孔和深孔的高频段噪声起伏小于10 dB，说明该检测点存在水流空化现象，但空化程度较小。

3) 大坝的空腔负压与通气风速均满足规范所规定的限值，在实际工程中，可有效避免空腔带来的负面影响。

4) 在泄洪结束后，对泄洪表孔进行检查，大坝整体情况良好，未见明显的破坏情况。