我国闸坝泄流结构脉动压力谱密度特征分析

不同泄水建筑物在泄流条件下的水流脉动压力谱密度有不同的特征，同类型的闸坝泄水建筑物在类似泄洪条件下的水流脉动压力谱密度特性服从一定的统计规律。本书结合导墙（包括消力池）、闸门和闸墩等泄流结构脉动压力原型观测或模型试验成果，对获得的脉动压力谱密度特征进行归纳总结，以统计分析其规律特征。

2.1.3.1　作用于导墙上的脉动压力谱密度特征

紊流场产生的水流脉动压力不利于导墙结构的稳定运行，长时间作用会对导墙结构产生一定程度的损伤乃至破坏。文献[51]和[52]通过三峡水利枢纽左导墙模型试验分析了挑流消能区导墙上的脉动压力沿水流方向和水深方向的分布规律，结果表明导墙上脉动压力与水流紊动强度有关；沿水流方向上脉动压力幅值的最大值出现在水舌冲击区，水舌内缘上游漩滚很弱，脉动压力在水舌内缘向上游方向有减小趋势；水舌外缘下游漩滚强烈，脉动压力在水舌外缘向下游呈先略减小后略增大趋势，且与水流形态分布规律一致，这主要与水舌入水后产生横向旋滚及水舌入水角较小等因素有关。沿水深方向呈下部小上部大的分布规律，且合力作用点明显比静水压力高，其不利于导墙结构的稳定运行。运行条件相同的情况下，脉动压力的优势频率随泄洪水头的增加也逐步增大。挑流消能区导墙上典型脉动压力谱密度如图2.1.2所示，该区域导墙上的脉动压力能量多集中在低频范围，优势频率小于1Hz，且频带较窄，在3Hz以内。

图2.1.2　挑流消能区导墙上典型脉动压力谱密度

图2.1.3　底流消能区导墙上典型脉动压力谱密度

文献[53]结合向家坝水电站工程，采用模型试验对底流消能区导墙上的脉动压力分布规律进行了研究，结果表明：作用于导墙上的脉动压力在水跃首部最大，沿水流方向逐渐减小；水深方向分布呈底部向上部增大的趋势，最大值出现在二分之一左右的水跃旋滚高度处。底流消能区导墙上脉动压力能量集中在超低频范围，且频带很窄，在0～16 Hz频带内，优势频率均小于0.25Hz。底流消能区导墙上典型脉动压力谱密度如图2.1.3所示。文献[54]对底流消能区脉动荷载特性进行了模型试验，分析了不同比尺主紊动区内的脉动壁压主频特性，结果表明各比尺下脉动壁压主频在5 Hz以内，表现为具有突出优势频率的宽带噪声谱。文献[55]对梨园水电站溢洪道内水流脉动压力特性进行模型试验，发现水跃区底部水流脉动压力主频分布在0.1～1.0Hz之间，属于低频脉动，能量集中在低频；在泄槽急流区脉动压力主频分布于2.0～3.0 Hz之间。文献[56]以某工程为例，对消力池底流消能区水流脉动荷载进行了模型试验，发现水流脉动压力主频在5 Hz以内，表现为具有突出峰值的窄带噪声谱。文献[57]依托高坝洲水电站消力池导墙模型试验对作用于导墙上的脉动壁压进行分析，结果表明：作用于消力池导墙上的水流脉动压强分布不均，且脉动壁压强度的最值与水位差之比与下游水深无关；导墙上的脉动壁压主要由窄带低频脉动引起，能量分布集中在4 Hz以下，脉动优势频率范围为0.12～0.99 Hz。文献[58]对乌江银盘水电站消力池导墙脉动压力特性进行了模型试验，结果表明作用于导墙及底板上的脉动压力处于低频范围，优势频率在4.59 Hz以下，属于低频特性，跃首与跃尾的优势频率较为突出，水跃中间段高频能力比重增加，主频向高频移动。文献[59]对泄洪底孔平底消力池导墙脉动压力随水流方向及水深方向特性进行模型试验研究，通过频谱分析获得了导墙上145个功率谱密度曲线，结果表明消力池导墙上的脉动压力是窄带低频脉动，优势频率在0.3～7.25 Hz之间，优势频率在2～4Hz之间占了60%以上。文献[60]～[62]针对向家坝水电站泄洪诱发场地振动这一工程问题，开展了泄洪水流脉动荷载特性模型试验研究，分析了泄洪孔口、跌坎、导墙、消力池底板及尾坎的脉动荷载特性，发现各部位水流脉动荷载的频带均较窄或脉动能量主要集中在一个或几个狭窄的频率区间，功率谱密度函数特征表现为在频率区间内存在突出的峰值的窄带噪声谱，虽然各部位脉动压力频谱分布及主频不尽相同，但都分布于0.5～1.5 Hz之间。文献[63]以水垫塘底板为例，通过模型试验分析了清水与含沙水流的脉动荷载特性，从频谱特性来看，含沙水流与清水水流的功率谱较为相似，无明显的优势频率，且大部分能量集中在0.4Hz以内，水流主要以低频大尺度旋涡为主。文献[64]对水垫塘底板脉动压力进行了模型试验分析，结果表明脉动能量主要集中在0～1.0 Hz范围，属于典型的低频脉动。文献[65]通过模型试验研究了水垫塘异型构造底板缝隙水流脉动压力特性，从脉动压力频谱特性分析来看，脉动压力能量在10Hz以内，能量集中频带较窄，主频在1Hz以内。文献[66]应用大涡紊流模型，对水跃区脉动壁压进行了数值模拟，并与实验结果进行了对比，从模拟结果来看，主旋滚区内脉动壁压的功率谱密度具有明显的峰值，峰值频率约为2.5 Hz，同样为具有突出峰值的窄带噪声谱特征。文献[67]将三峡左导墙泄洪振动原型观测结果与模型试验成果对比，发现水流的优势频率较明显，导墙低阶振动频率比水流脉动优势频率大，由水流脉动压力激励所致的结构低阶共振的可能性小。以上可见，脉动压力分布规律与水流流态关系密切，水流紊动强度越大的位置，脉动压力就越大；作用于导墙上的脉动压力是由低频大尺度漩涡引起，其压力谱属于窄带噪声谱。

2.1.3.2　作用于闸门上的脉动压力谱密度特性

闸门上的脉动荷载与很多因素有关，比如闸门结构类型、泄流条件、作用的闸门部位以及闸门开度等。本书主要对泄流结构中的弧形闸门、平面闸门和翻板闸门上的脉动压力谱密度特性进行总结分析。文献[68]～[70]以新政航电枢纽弧形闸门为例，对其进行了水动力学模型试验，依据实测脉动压力响应信号分析了作用于闸门面板上的脉动压力荷载特性。结果表明，作用于闸门上的脉动荷载能量大部分具有正态分布特征，且主要集中在0.5Hz以下，频带极窄，能量大于1.0Hz的几乎为零。弧形闸门面板上典型脉动压力谱密度如图2.1.4所示。文献[71]通过对边孔弧形闸门水流脉动压力进行分析表明，闸门部位的脉动主频不随闸门开度、上下游水位差的变化而变化，且分布没有固定规律；脉动压力的主要能量分布在0～0.25Hz的频率范围内，同样具有低频特征。文献[72]以一拱形钢闸门为例，开展了水流脉动压力荷载特性模型试验，试验结果表明作用于闸门门体上的水流脉动荷载的主要能量集中在1～10Hz范围，且优势频率在5 Hz以内，在某些工况下作用于闸门上的脉动荷载还出现了谐波现象，谐波主频约2.9 Hz。文献[73]对表孔弧形闸门进行了水动力荷载测试，发现弧形闸门面板所承受的水流脉动压力主要能量集中在15Hz以内，且脉动荷载的优势频率集中在5Hz以内。文献[74]对积石峡水电站平面工作闸门进行了试验研究，得到的平面闸门面板上典型脉动压力谱密度如图2.1.5所示，由图可知作用于平面闸门上的脉动压力能量集中在低频范围，主频在1 Hz以内，频带较窄。文献[75]以某一翻板闸门为例，基于模型试验研究得出不同闸门开度时作用于其面板上的整体脉动压力分布规律。翻板闸门开度变化时的脉动压力谱密度如图2.1.6所示。不同闸门开度工况下，作用于翻板闸门面板上的脉动能量均处于低频范围，优势频率不超过1 Hz，频带很窄，在10 Hz以内。综合以上研究成果来看，作用于闸门上的脉动压力荷载能量均集中在低频范围，且频带很窄，属于窄带噪声谱。

图2.1.4　弧形闸门面板上典型脉动压力谱密度

图2.1.5　平面闸门面板上典型脉动压力谱密度(www.xing528.com)

图2.1.6　翻板闸门开度变化时的脉动压力谱密度

2.1.3.3　作用于闸墩上的脉动压力谱密度特性

随着工程技术的不断更新与完善，水工建筑物结构逐步趋于轻型化（如水闸闸墩），结构泄流期间会因自身刚度变小而产生较大幅度的振动，对建筑物结构的安全运行十分不利。某水电站工程泄洪闸在运行期出现了较为强烈的振动，为分析产生振动的原型，文献[76]和文献[77]通过模型试验（图2.1.7）对其泄水运行期间作用于闸墩上的脉动荷载进行了分析。试验结果表明，作用于闸墩上的脉动压力谱密度在5年一遇和校核洪水工况下均很低，在0.05Hz以内，脉动频带能量多集中在2 Hz范围内，如图2.1.8和图2.1.9所示。低水位工况下的脉动能量频带稍微有变宽的趋势，但大部分集中在10 Hz以内，荷载谱密度峰值在0.5 Hz左右，总体上作用于闸墩上的脉动压力谱密度频带均较窄，属于窄带噪声谱，如图2.1.10所示。

图2.1.7　闸墩整体荷载试验图

图2.1.8　校核洪水工况下脉动压力谱密度

图2.1.9　5年一遇工况下脉动压力谱密度

图2.1.10　低水位工况下脉动压力谱密度

总体上，虽然作用于闸坝泄流结构上的水流脉动压力谱密度特征有所不同，但脉动压力主频率均很低，且能量多分布在超低频（＜20 Hz）频域内，属于低频脉动，脉动压力的谱密度为窄带噪声谱。