冲击荷载的特性分析

高拱坝泄流时，冲击水垫塘的水流由于水头高、流量大，积累了很大的动能，其对水垫塘底板的冲击由基础传给坝体从而引起坝体振动，是重要的振源之一。作用于水垫塘底板上的冲击荷载属于大涡旋紊流情况下的脉动壁压，脉动壁压的主要影响因素为自由流区的大涡旋紊动的惯性作用，反映到边壁的脉动压强上为随机性的，且幅值大、频率低、频率分布不按正态分布[3]。

水垫塘底板上的冲击荷载可采用自制的面压力盒来直接测量。试验结果分析表明[4]：冲击水流的脉动压力（压强与荷载）大都具有正态分布的特性；跌落水舌冲击水垫塘实际脉动压力的瞬时值变幅都很大，但由于均化作用，就对一定面积上的荷载作用来说，其平均脉动压强随承压面积的增大而衰减，但是在水垫深度较大的情况下，又常和一定面积无关。同时，观测到的平均脉动荷载的幅值与均方差随下游水深的增大而逐渐减小，而且在一定水深趋于定值。在脉动荷载的频率特征方面，不管下游水深如何，冲击水流的脉动荷载都具有明显的“优势”频率，而且优势频率值随下游水深的减小而增加，即水越浅，能量越向低频域集中，随水深增加，脉动的漩涡特性才变得明显。冲击荷载的等效荷载谱图如图9.1所示。

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图9.1　水垫塘冲击荷载等效荷载谱图

冲击荷载的空间分布特征为在落点上游区域沿水流方向逐渐减小，但变幅不大，水舌落点处急剧增大，出现较大值，随后急剧减小，在下游区域沿水流方向冲击压强逐渐增大至二道坝位置。在横河向冲击压强则呈现中间大，两边小的分布。

试验研究表明，尽管作用于水垫塘的冲击荷载能量较大，但由于冲击荷载的作用点距坝体相对较远，因此它仅对高坝的下体振动产生较大的影响；同时，其下泄的巨大能量有可能造成下游水垫塘以及护坦的冲刷与破坏等。