压力特性竖井段C—C位于掺气环上游

4.4.6.1　闸门开启过程中压力变化特性

（1）进口段。测点F-YX-01S位于溢流面的下游侧，工作闸门开度小于17.5%时，测点压力接近0；工作闸门开度在17.5%～53.4%时，测点压力为负值，最小瞬时压力为－28.32kPa；当工作闸门开度大于53.4%时，测点压力迅速增加，闸门开度至81.3%时，压力趋于稳定。见图4.5。

图4.5　第三次运行试验闸门开启过程测点F-YX-01S压力时间过程线

测点F-YX-02S与F-YX-01S相对，闸门开度小于2%时，水流没有触及该点，测点压力为0；工作闸门开度小于50%时，水流冲击该测点部位，但冲击压力不大，最大时均压力小于33kPa；闸门开度在50%～80%范围内，测点压力迅速增加；闸门开度大于80%时，测点压力趋于稳定。见图4.6。在对应80%开度后，进水口已形成稳定的淹没流，这是溢流段压力渐趋稳定的主要原因。

图4.6　第三次运行试验闸门开启过程中测点F-YX-02S压力时间过程线

（2）竖井环形掺气坎及下游段。测点F-YX-03S～F-YX-06S位于环形掺气坎的空腔内，闸门开启过程中，4个测点的压力变化曲线基本相同。工作闸门开度小于13%时，竖井内为自由跌落流，环形掺气坎孔口不封闭，环坎上、下游空腔连通，各测点的压力与大气压力接近；闸门开度在13%～80%时，各测点压力迅速降低，4个测点的最小瞬时压力分别是：－78.14kPa、－67.89kPa、－68.06kPa和－64.27kPa；闸门开度大于80%时，各测点的压力在稳态值（闸门全开后的值）附近波动。典型测点F-YX-03S压力时间过程线见图4.7。

图4.7　第三次运行试验闸门开启过程中测点F-YX-03S压力时间过程线

测点F-YX-07S～F-YX-10S在掺气坎下游空腔的末端，闸门开启过程中，4个测点的压力变化特性相同。开度小于3%时，各测点压力等于大气压力；闸门开度在3%～20%时，扩散水流触及该断面，各测点压力大于大气压力，4个测点的最大时均压力分别是：26.8kPa、10.8kPa、16.86kPa和10.0kPa；闸门开度在20%～75%时，各测点压力迅速降低，实测最大瞬时压力为－65.76kPa、－62.28kPa、－31.55kPa和－86.67kPa；工作闸门开度大于75%后，各测点压力迅速增加，并趋于稳态值。在工作闸门全开后，4个测点压力在大气压附近波动，时均压力均小于零，表明第三次过水试验时，掺气坎空腔末端在E—E断面附近。典型测点F-YX-07S压力时间过程线见图4.8。

图4.8　第三次运行试验闸门开启过程中测点F-YX-07S压力时间过程线

F—F断面两个测点F-YX-11S和F-YX-12S在闸门开启过程中，压力变化曲线基本相同。闸门开度小于30%时，测点压力大于零；闸门开度在30%～68%时，测点FYX-11S的时均压力略小于大气压，测点F-YX-12S的压力小于零，最小瞬时压力为－82.55kPa；闸门开度大于68%，两个测点的压力迅速增加，至80%开度时，压力趋于稳态值。测点F-YX-11S压力时间过程线见图4.9。

（3）起旋室段。起旋室各压力测点在工作闸门开启过程中，压力的变化趋势基本相同。闸门开度小于2%时，各测点压力接近大气压力；闸门开度在2%～80%时，各测点压力逐渐增加；闸门开度大于80%后，压力趋于稳态值。F-YX-01P测点的压力时间变化曲线见图4.10。

图4.9　第三次运行试验闸门开启过程中测点F-YX-11S压力时间过程线

图4.10　第三次运行试验闸门开启过程中测点F-YX-01P压力时间过程线

闸门开启过程中C—C断面的两个测点中，下游侧测点F-YX-02S的脉动压力较大，最大脉动压力均方根值为20.93kPa。D—D断面各测点均在空腔中，其最大脉动压力均方根值为26.12kPa（测点F-YX-05S）。空腔末端E—E断面上，测点F-YX-10S的脉动压力最强，最大脉动压力均方根值为32.66kPa。竖井段脉动压力最强的区域位于F—F断面，其最大脉动压力均方根值为63.12kPa。起旋室段脉动压力较大的是测点F-YX-01P，其最大脉动压力均方根值为46.77kPa。闸门开启过程各测点最大脉动压力均方根值见表4.10。(www.xing528.com)

表4.10　闸门开启过程各测点最大脉动压力均方根值　单位：kPa

4.4.6.2　工作闸门全开后压力特性

竖井段C—C断面位于掺气环上游，测点F-YX-01S和F-YX-02S顺水平来流方向布置，下游侧F-YX-02S测点，受来流水平分量冲击的影响，压力相对较大。

竖井段D—D断面位于掺气环下游，距掺气环出口6.7m。3次过水试验中，断面上4个测点（F-YX-03S～F-YX-06S）的时均压力分别在－24.3～－25.4kPa、－30.5～－31.4kPa和－35.1～－36.6kPa范围内变化，各测点的脉动压力均方根值也很小，不超过3.6kPa。各测点间不仅负压值比较接近，且与坎后空腔负压的量级相同，说明该断面位于掺气空腔内。

竖井段E—E断面位于D—D断面下游10.5m。3次过水试验，该断面4个测点的时均压力相差较大，前两次试验表现为正压，第三次为负压。其中，第一次过水试验，FYX-07S的时均压力最大，为62.95kPa，F-YX-08S的时均压力最小，为25.12kPa；第二次过水试验，F-YX-07S的时均压力最大，为100.97kPa，F-YX-08S的时均压力最小，为49.74kPa；第三次过水试验，4个测点的时均压力均小于零，最大负压为－17.95kPa（F-YX-09S）。同时，4个测点的压力波动也很大，其脉动压力均方根值远大于D—D断面。环形掺气坎出口高程1963.20m，E—E断面高程1946.00m，两者高程差为17.2m。第一、第二次过水试验，该断面位于掺气空腔末端之下（断面时均压力为正），掺气空腔末端位置不对称且是波动的；第三次过水试验，该断面位于空腔的末端附近（断面时均压力为负）。若水垫层压力按静压分布来考虑，应为第三次试验空腔最长，第二次试验空腔最短，第一次试验介于二者之间。

3次过水试验的数据说明，环形掺气坎下游空腔长度至少已接近或超过了17.0m，大于模型试验值。

竖井段F—F断面两个测点F-YX-11S和F-YX-12S的时均压力比较接近，第二次过水试验，两测点的时均压力分别是335.14kPa和348.44kPa。测点F-YX-12S的脉动压力较大，3次过水试验中，脉动压力均方根值分别为30.40kPa、12.28kPa和27.89kPa。显然，受环形掺气坎下游空腔波动的影响，下游各断面的脉动压力有所增加。

起旋室两个断面各测点的时均压力较高，在300～650kPa范围内变化，脉动压力也较大，实测脉动压力均方根值为10～26kPa，表明起旋室段水流紊动比较强烈。

比较竖井段和起旋室各测点脉动压力均方根值，水流紊动比较强烈的区域在环形掺气坎空腔的末端附近，第一次过水试验，所有测点中，脉动压力均方根值最大的测点是F-YX-07S，其值为45.28kPa；第二次过水试验，脉动压力均方根值较大的测点是F-YX-07S和F-YX-10S，其脉动压力均方根值分别是35.01kPa和40.53kPa；第三次过水试验，水流紊动最强烈的测点是F-YX-12S，其脉动压力均方根值为27.89kPa。从频域特性看，竖井段、起旋室各测点脉动压力优势频率均不超过1.0Hz，属低频脉动。多数测点脉动压力优势频率为0.2Hz或其倍频，与掺气浓度的优势频率一致。

4.4.6.3　工作闸门关闭过程中压力变化特性

以第二次过水试验为例说明工作闸门关闭过程中，竖井和起旋室段各测点的压力变化规律。

测点F-YX-01S和F-YX-02S在工作闸门关闭时，两测点的压力逐渐减小，开度为70%左右时，测点压力迅速降低；闸门开度小于42.8%后，测点F-YX-01S的压力接近于大气压；闸门开度小于35%时，测点F-YX-02S的时均压力在0～52.5kPa范围内波动。表明工作闸门开度较小时，水流挑离溢流面边界，测点F-YX-01S处在空腔内，竖井内的流态与自由跌落流类似。

E—E断面在环形掺气坎下游空腔内，当工作闸门开度小于94%时，各测点的压力逐渐降低，闸门关至60%左右时，各测点的压力逐渐增加；闸门开度关至10%～15%时，各测点的压力接近大气压。测点F-YX-03S和F-YX-06S的变化趋势基本一致，测点F-YX-04S和F-YX-05S的压力时间变化曲线类似，说明竖井内水流并不对称。

F—F断面在掺气环下游空腔的末端，各测点压力变化规律基本相同。工作闸门开度关至85%左右时，各测点压力逐渐降低，压力小于零，各测点的最小压力分别是－62.73kPa、－72.62kPa、－38.11kPa（时均压力）和－66.28kPa；闸门开度关至60%左右时，各测点压力缓慢增加，闸门开度小于15%时，除测点F-YX-07S外，其他3个测点的压力趋于0。闸门开度小于20%时，测点F-YX-07S的压力大于零，其最大压力为31.49kPa。

F—F断面两个测点的压力变化曲线基本一致。工作闸门开始关闭时，两测点的压力略有降低，闸门开度关至65%时，压力迅速降低；闸门开度关至57%时，测点压力逐渐增加；闸门开度小于21%～25%时，测点压力接近大气压。

闸门关闭时，起旋室各测点的压力缓慢降低，当开度减小到63%～65%时，各测点的压力迅速降低。

闸门关闭过程中，C—C断面测点F-YX-02S的脉动压力较大，其最大脉动压力均方根值为22.97kPa；D—D断面脉动压力最大的测点是F-YX-05S，其最大脉动压力均方根值为31.41kPa；E—E断面测点F-YX-10S的脉动压力比较强烈，其最大脉动压力均方根值为46.52kPa；F—F断面测点F-YX-12S的最大脉动压力均方根值为43.96kPa；起旋室段脉动压力较大的测点是F-YX-01P和F-YX-09P，其最大脉动压力均方根值分别是41.15kPa和47.60kPa。所有测点中，脉动压力均方根值最大的测点是F-YX-09P。