透水底板的上举力和稳定性分析优化

2.4.2.1 开孔率k对底板上举力的影响

在相同的水力条件下，只改变底板的开孔率，研究同一板块的上举力的变化规律。图2.80给出相同上下游水位差、同工况下底板上举力随开孔率的变化结果。图中纵坐标表示底板开孔后上举力与开孔前的比值。从图中可以看出，底板上添加透水孔能够有效地降低底板上举力。底板上举力的最大值和标准差随着开孔率的增加而减小，且底板上举力随开孔率增加减小的趋势变缓。当底板开孔率为4%，底板上举力最大值和标准差分别比没开孔的降低了约58%和50%。分析产生这一变化规律的原因：作用在底板上下表面的动水压力差形成了上举力，当板块中开有透水孔时，作用在底板上下表面的脉动荷载经过板块间的缝隙和板中透水孔相互传递，由于底板上下表面的脉动荷载方向不一致，结果使其上下表面的动水压强差减小了，因而减小了底板的上举力。

图2.80　开孔率k对底板上举力的影响

2.4.2.2 透水孔直径D对底板上举力的影响

在前期研究的基础上，保持底板开孔率相同，为了研究透水孔直径大小对底板上举力的影响，分别在模型消力塘中铺设均匀开9孔、36孔两种形式的底板块。研究这两种形式的底板在泄流时，开孔前后底板上举力比值的变化。图2.81、图2.82给出了在相同的水力条件下两种板块开孔前后上举力比值的比较结果。由图可以看出，两种底板块开孔后的底板上举力最大值与开孔前的比值比较接近。开孔率k为3.42%时，两种开孔形式的板块上举力与其开孔前的比值都分布在70%附近。因此，可以认为在同一开孔率下，透水孔的直径对底板承受上举力影响不大。

图2.81　孔径D对最大上举力的影响

图2.82　孔径D对脉动上举力的影响

2.4.2.3 板块位置x/h t对上举力的影响(www.xing528.com)

图2.83、图2.84给出了不同位置板块上举力随开孔程度的变化规律，图中板块位置x表示板块中心与水舌冲击点的距离。可以得出消力塘中各个位置的板块，开孔后其上举力都能得到有效的降低。但是不同位置的板块，其上举力随开孔率增加而衰减的程度不同。在冲击点附近的板块上举力随开孔率增加而衰减的速度要比别的位置上举力衰减得快，而且底板上举力的减小程度与板块与水舌冲击点的距离有关。在相同的开孔率（板块的开孔率为4.91%）下，冲击点处，底板块上举力比没开孔降低了65.5%，而据水舌冲击点36m（x/ht=5.625）处的板块上举力比没有开孔时降低了41.3%。在相同的开孔率下，随着底板所处位置的不同上举力衰减规律有所不同，这是由于水舌冲击区附近的板块直接承受射流冲击作用，而冲击射流在边壁的约束下，部分动能转化为压能并且水流强烈翻滚，使得底板上表面产生巨大的动水压强，脉动压强沿底板缝隙传播形成底板下表面的动水压强，因此，水舌冲击区附近的板块上下表面的动水压强都很大；而在其他区域，水流呈平稳流动，上下表面的动水压强相对较小。因此，在增加透水孔后，底板上下表面的压力释放的程度不同，导致塘内各区域板块上举力随开孔率变化的趋势不同。

图2.83　板块位置对最大上举力的影响

图2.84　板块位置对脉动上举力的影响

试验结果表明：消力塘中各个位置的板块在开孔后其上举力都得到有效的降低。但是，底板的上举力并不是随底板开孔程度的增大而无限制地降低。开孔率在3.5%以前，随开孔率的增大，板块上举力降低得比较显著；3.5%以后，随着开孔率的继续增加，底板上举力降低的趋势变缓。因此透水底板的开孔率应在3.5%左右。

2.4.2.4 板块开孔对上举力频谱特性的影响

图2.85　功率谱比较

面动水压力是由各点动水压强综合作用的结果，考虑到脉动压强基本符合正态分布（特别是在强紊动区）这一众所周知的事实，脉动上举力也应具有正态分布的特征。众多学者通过大量的试验研究得出消力塘不透水底板块上的脉动上举力基本符合正态分布，上举力脉动过程属于低频脉动。图2.85给出了无孔板块和开孔后板块典型上举力的功率谱。开孔后，上举力脉动过程仍属于低频脉动，脉动能量更集中。原因可能是在消力塘底板开孔后，底板上下表面的动水压强差减小，致使底板的上举力的波动比原来小，因而脉动能量集中于更低的频带。