孔口荷载特性优化探析

拱坝泄洪时孔口荷载产生机理主要是紊流边界层内区的垂直于边壁的脉动分速度。由于内区的水流结构主要由小的和较小的涡旋所组成，这些小涡旋的紊动频率高，而且是随机性的，因此其反应到边壁上，就使得所产生的脉动壁压频率高、幅值小、频率分布不按正态分布，而且有较大的偏离[3]。

作用于孔口脉动荷载由于它的作用方式和位置十分复杂，难以进行直接测量，可采用试验方法隔离作用于水垫塘底板和拱坝下游坝面的脉动荷载（图9.3），以得出泄流孔口上脉动荷载对拱坝动力响应的影响。试验研究表明：相对于冲击荷载、涌浪荷载来说，孔口荷载作用位置位于结构的约束远端，孔口过流产生的脉动压力是引起大坝振动的最主要因素，其动荷载为随机性的脉动压力，除了在低频区有一定的能量外，在其他频段也有一定的宽度，且能量较大。孔口荷载的等效荷载谱图如图9.4所示。

由以上分析可知，孔口过流脉动动荷载作用点较高，它对上部坝体的振动响应贡献较大，但随着高程的降低，地基对坝体的约束越来越强，由它引起的振动响应则迅速减小。同时，为了减轻泄洪诱发振动对坝体的危害，应尽量保证泄洪水流出流平顺，孔口型式采用简单流线体型，以利于降低孔口出流导致的脉动荷载，同时采取适当的消能措施降低水垫塘冲击荷载及下游涌浪荷载。

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图9.3　试验写真

图9.4　孔口过流荷载等效荷载谱图