高速水流的涵義與觀測(cè)方法

王 容，王成林

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.北京八仙房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100123)

0 前 言

在水利工程設(shè)計(jì)中，尤其是規(guī)模較大的泄水建筑工程中，對(duì)水的流態(tài)一定要做出認(rèn)真的分析判定。對(duì)水流的性態(tài)，水力學(xué)中有著不少名詞定義。例如：層流、紊流、勢(shì)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(duì)高速水流的概念。高速水流的觀測(cè)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(dòng)及明槽沖擊波等現(xiàn)象的水流。

權(quán)威水利專(zhuān)家習(xí)慣上常將流速在15-20m/s以上的水流視為高速水流。但由實(shí)踐得知，由于高速水流的概念內(nèi)容廣泛，不宜用一個(gè)固定的流速值作為判別的標(biāo)準(zhǔn)，往往需要根據(jù)工程布置、結(jié)構(gòu)類(lèi)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(wèn)題，在布置失當(dāng)，結(jié)構(gòu)選型不佳，材料抗蝕性能不良時(shí)，流速高達(dá)10m/s時(shí)即可發(fā)生嚴(yán)重空蝕；反之，水流流速可以增大至40m/s時(shí)尚不致發(fā)生空化。又如，雖然水流在低流速時(shí)即可產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象，但流速一般要達(dá)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(dòng)，常指由于脈動(dòng)導(dǎo)致的水動(dòng)力荷載足以引起工程振動(dòng)，且對(duì)工程可能造成危害時(shí)的脈動(dòng)。故高速水流雖驗(yàn)證確切規(guī)定流速判別界限，但可根據(jù)水流現(xiàn)象和所引起工程問(wèn)題得出概括的判斷范圍。

因水流在流速增高過(guò)程中發(fā)生空化，水流挾入空氣而形成再相摻混。水流劇烈脈動(dòng)作用引起的振動(dòng)等，都使得水的流動(dòng)性質(zhì)出現(xiàn)新的變化，故研究高速水流己不能簡(jiǎn)單應(yīng)用經(jīng)典的水流運(yùn)動(dòng)方程式和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，常規(guī)的水力學(xué)縮尺模型也難以正確地模擬。所以高速水流問(wèn)題逐漸成為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的水力學(xué)研究課題。因此，在泄水工程設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真對(duì)待高速水流。在設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，高速水流會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物和水力機(jī)械工作條件惡化，甚至造成破壞[1]。

中國(guó)在1956年修訂“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃”時(shí)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(wèn)題。目前中國(guó)對(duì)高速水流的研究，己達(dá)到世界先進(jìn)水平，并形成了獨(dú)特的體系。

2 關(guān)于高速水流觀測(cè)

2.1 主要觀測(cè)部位

高速水流觀測(cè)和部位大多是指對(duì)大型水庫(kù)和巨型水庫(kù)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(nèi)部等流速較高部位水流性態(tài)的觀測(cè)。高速水流常常拌有摻氣、空化、壓強(qiáng)脈動(dòng)等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對(duì)建筑物有不利的方面，也有有利的方面。如水流摻氣會(huì)使水體膨脹，造成泄洪洞內(nèi)明滿(mǎn)流過(guò)渡、使溢洪道需要較高的邊墻，但摻氣也可以使水股分開(kāi)，增加空中消能效果，摻氣還可以減免空蝕。為了及時(shí)掌握高速水流對(duì)建筑物的作用，對(duì)工程施工期過(guò)水建筑物及竣工后泄水建筑物上的高速水流，都要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，制定有效措施，為工程正確運(yùn)用提供可靠的依據(jù)。

2.2 觀測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容與方法

觀測(cè)內(nèi)容主要有水流摻氣觀測(cè)、空化與空蝕觀測(cè)、壓強(qiáng)脈動(dòng)觀測(cè)及泄水建筑物振動(dòng)觀測(cè)，另外還要進(jìn)行高速水流的流速及平均壓力的觀測(cè)。觀測(cè)主要使用電測(cè)儀器，有時(shí)也輔以目測(cè)、錄相、攝影等手段。

2.2.1 水流摻氣觀測(cè)

高速水流摻氣以后，形成氣水混合體，呈乳白色。這種現(xiàn)象至20世紀(jì)80年代初尚不能完全在室內(nèi)模型中重演，主要靠原型觀測(cè)取得定量的資料。摻氣水流多發(fā)生在壩面溢流、鼻坎挑流、泄水道的通氣槽后的水流中。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中主要是量水測(cè)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(cè)方法量測(cè)出摻氣水流的水面線流速，用下列公式來(lái)估算出水流中空氣的百分?jǐn)?shù)

(1)

式中：Qα為水中的空氣流量；QW為水流量；A為根據(jù)量測(cè)出的水面線計(jì)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(cè)儀器直接量測(cè)出水流的摻氣量。

2.2.2 空化與空蝕觀測(cè)

高速水充中的空化和由此而引起的空蝕破壞現(xiàn)象，過(guò)去因觀測(cè)手段落后，多用目測(cè)、耳聞，有時(shí)只能在停止泄水以后進(jìn)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(lái)的混凝土量，同時(shí)輔以繪圖描述其空蝕的部位和剝蝕深度。我國(guó)在20世紀(jì)80年代以來(lái)，己采用電測(cè)儀器觀測(cè)。電測(cè)儀器的工作原理是當(dāng)水中空泡在建筑物邊界上潰滅時(shí)，導(dǎo)致邊界破壞，這里高頻壓力脈動(dòng)以超波形成向外傳播，當(dāng)水流中發(fā)生空化時(shí)，其噪聲級(jí)有明顯的跳躍，這種噪聲訊號(hào)比一般非空化水流的噪聲高得多，利用超聲換能的原理來(lái)控測(cè)空穴發(fā)生時(shí)超強(qiáng)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(guò)程中進(jìn)行，只要將儀器的感應(yīng)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(méi)有這種儀器，也可以在建筑物表面設(shè)置底流速儀或畢托管，量測(cè)其高速水流的流速，用空穴指數(shù)(K)來(lái)預(yù)先判斷是否要能產(chǎn)生空穴[2]?？昭ㄖ笖?shù)為：

(2)

式中：Pα為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?；P0為估算部位的實(shí)際水壓力；Pv為當(dāng)?shù)氐恼羝麎毫Γ沪脼樗?；V是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的實(shí)際流速；g為重力加速度?？瘴g破壞常常發(fā)生在擴(kuò)散段、彎道、岔管、消力墩等水流分離部位。在埋設(shè)儀器時(shí)，應(yīng)特別注意這些部位。

2.2.3 壓力脈動(dòng)觀測(cè)

壓力脈動(dòng)觀測(cè) 水流的壓力脈動(dòng)是引起建筑物振動(dòng)和空蝕的主要原因，其觀測(cè)方法多采用電阻式壓力脈動(dòng)感應(yīng)器和示波儀或磁帶記錄器，記錄的時(shí)間一般不能少于10s。脈動(dòng)壓力是一種隨機(jī)荷載，將記錄下來(lái)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(lái)表示：①均方差：②功率譜密度函度；③自相關(guān)函數(shù)；④概率密度函數(shù)。根據(jù)多年來(lái)的觀測(cè)結(jié)果表明，溢流壩面或溢洪道中高速水能的脈動(dòng)壓力，一般為5%左右的流速水頭，不會(huì)危及工程安全。在大波動(dòng)或大漩滾部位，如水躍區(qū)某一點(diǎn)的脈動(dòng)壓力荷載量是相當(dāng)大的，常常在40%-50%的流速水頭范圍內(nèi)。在整個(gè)底板面的范圍內(nèi)，由于脈動(dòng)荷載是隨機(jī)性的，所以不會(huì)引起大的振動(dòng)。

(3)

式中：P′為脈動(dòng)壓力；γ為水的容重。

2.2.4 泄水建筑物振動(dòng)觀測(cè)

將測(cè)震儀置于建筑物邊壁上(如閘門(mén)或壩體內(nèi))，通過(guò)放大部分將永嘉號(hào)送入示波儀或磁帶記錄儀器。振動(dòng)波是隨機(jī)性的，分析資料的方法多采用將非周期性的波動(dòng)視為周期T→∞的傅里葉級(jí)數(shù)的極限，然后用特制的快帶傅里變換(FFT)隨機(jī)數(shù)據(jù)處理程序來(lái)計(jì)算，其結(jié)果主要是振動(dòng)強(qiáng)度方差及頻譜密度函數(shù)。在脈動(dòng)荷載作用下，建筑物振動(dòng)的動(dòng)力反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)的自振頻率上，將會(huì)產(chǎn)生峰值，可利用這個(gè)譜的特性作為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)建筑物動(dòng)力特性的方法。

3 成果整理

高速水流觀測(cè)結(jié)果，要根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目規(guī)定的不同表格進(jìn)行記錄，同時(shí)還要記錄天氣、風(fēng)力、風(fēng)向、閘門(mén)開(kāi)啟的各種水力要素組合情況，開(kāi)啟閘門(mén)的時(shí)間、觀測(cè)歷時(shí)等。同時(shí)以上均可通過(guò)電腦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行整理匯存。

4 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)的水利工程建設(shè)規(guī)模與設(shè)計(jì)及施工技術(shù)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(guó)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(duì)其高速水流采用相應(yīng)的工程措施和觀測(cè)手段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初至今，我國(guó)更是建成長(zhǎng)江三峽樞紐工程，葛州壩水利樞紐工程及金沙江多級(jí)水電站，還有北水南調(diào)系統(tǒng)工程。無(wú)疑，以上工程對(duì)高速水流采用的消能與綜合觀測(cè)技術(shù)措施都是各位水工設(shè)計(jì)人員應(yīng)該前往調(diào)研學(xué)習(xí)借鑒的。

[1]水利水電泄水工程與高速水流信息網(wǎng)，中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司科學(xué)研究院.泄水工程與高速水流[M].長(zhǎng)春：吉林人民出版社，2010：26-30.

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