王 容，王成林

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.北京八仙房地产开发有限责任公司，北京 100123)

0 前 言

在水利工程设计中，尤其是规模较大的泄水建筑工程中，对水的流态一定要做出认真的分析判定。对水流的性态，水力学中有着不少名词定义。例如：层流、紊流、势流、涡流、孔口出流、堰流、缓流、急流、临界流、均匀流、非均匀流、水跃以及高速水流等。文章拟对高速水流的概念。高速水流的观测等方面作以综述。

1 高速水流的概念

高速水流是流速较高并由此伴随着变化、空蚀、水流掺气、雾气、水激振动及明槽冲击波等现象的水流。

权威水利专家习惯上常将流速在15-20m/s以上的水流视为高速水流。但由实践得知，由于高速水流的概念内容广泛，不宜用一个固定的流速值作为判别的标准，往往需要根据工程布置、结构类型、材料特性及水流条件等综合因素加以判断是否属于高速水流。如空化空蚀问题，在布置失当，结构选型不佳，材料抗蚀性能不良时，流速高达10m/s时即可发生严重空蚀；反之，水流流速可以增大至40m/s时尚不致发生空化。又如，虽然水流在低流速时即可产生掺气现象，但流速一般要达到15-20m/s的情况下，才形成需要采取工程措施的掺气水流。再如，列入高速水流范围的脉动，常指由于脉动导致的水动力荷载足以引起工程振动，且对工程可能造成危害时的脉动。故高速水流虽验证确切规定流速判别界限，但可根据水流现象和所引起工程问题得出概括的判断范围。

因水流在流速增高过程中发生空化，水流挟入空气而形成再相掺混。水流剧烈脉动作用引起的振动等，都使得水的流动性质出现新的变化，故研究高速水流己不能简单应用经典的水流运动方程式和经验关系式，常规的水力学缩尺模型也难以正确地模拟。所以高速水流问题逐渐成为一个专门的水力学研究课题。因此，在泄水工程设计中应认真对待高速水流。在设计不当时，高速水流会导致结构物和水力机械工作条件恶化，甚至造成破坏[1]。

中国在1956年修订“十二年科学技术发展远景规划”时正式将高速水流列为研究课题，在乌江渡、白山、龙羊峡、东江、冯家山等水利水电工程中，较好地解决了高速水流方面的疑难问题。目前中国对高速水流的研究，己达到世界先进水平，并形成了独特的体系。

2 关于高速水流观测

2.1 主要观测部位

高速水流观测和部位大多是指对大型水库和巨型水库以及中大型水电站泄水建筑物中的溢流面、陡坡段、挑流鼻坎和隧洞内部等流速较高部位水流性态的观测。高速水流常常拌有掺气、空化、压强脉动等现象，这些现象对建筑物有不利的方面，也有有利的方面。如水流掺气会使水体膨胀，造成泄洪洞内明满流过渡、使溢洪道需要较高的边墙，但掺气也可以使水股分开，增加空中消能效果，掺气还可以减免空蚀。为了及时掌握高速水流对建筑物的作用，对工程施工期过水建筑物及竣工后泄水建筑物上的高速水流，都要进行现场观测，以便及时发现问题，制定有效措施，为工程正确运用提供可靠的依据。

2.2 观测项目内容与方法

观测内容主要有水流掺气观测、空化与空蚀观测、压强脉动观测及泄水建筑物振动观测，另外还要进行高速水流的流速及平均压力的观测。观测主要使用电测仪器，有时也辅以目测、录相、摄影等手段。

2.2.1 水流掺气观测

高速水流掺气以后，形成气水混合体，呈乳白色。这种现象至20世纪80年代初尚不能完全在室内模型中重演，主要靠原型观测取得定量的资料。掺气水流多发生在坝面溢流、鼻坎挑流、泄水道的通气槽后的水流中。在现场观测中主要是量水测水流中的掺气量。确定掺气量的方法有两种 ：①利用一般观测方法量测出掺气水流的水面线流速，用下列公式来估算出水流中空气的百分数

(1)

式中：Qα为水中的空气流量；QW为水流量；A为根据量测出的水面线计算出的断面面积；V为断面平均流速。在溢流坝面上、溢洪道泄槽中多采用这种方法；②利用电测仪器直接量测出水流的掺气量。

2.2.2 空化与空蚀观测

高速水充中的空化和由此而引起的空蚀破坏现象，过去因观测手段落后，多用目测、耳闻，有时只能在停止泄水以后进行检查，如有空蚀破坏，可用石膏或橡皮泥等材料填入空蚀处，按填入量换算出剥蚀下来的混凝土量，同时辅以绘图描述其空蚀的部位和剥蚀深度。我国在20世纪80年代以来，己采用电测仪器观测。电测仪器的工作原理是当水中空泡在建筑物边界上溃灭时，导致边界破坏，这里高频压力脉动以超波形成向外传播，当水流中发生空化时，其噪声级有明显的跳跃，这种噪声讯号比一般非空化水流的噪声高得多，利用超声换能的原理来控测空穴发生时超强度的变化，借以判断出空穴是否存在。这种方法可以在泄水过程中进行，只要将仪器的感应部分置于泄水建筑物的边壁上，就可以由接收部分记录出是否有空蚀破坏。如果没有这种仪器，也可以在建筑物表面设置底流速仪或毕托管，量测其高速水流的流速，用空穴指数(K)来预先判断是否要能产生空穴[2]。空穴指数为：

(2)

式中：Pα为当地大气压力；P0为估算部位的实际水压力；Pv为当地的蒸汽压力；γ为水重；V是现场观测到的实际流速；g为重力加速度。空蚀破坏常常发生在扩散段、弯道、岔管、消力墩等水流分离部位。在埋设仪器时，应特别注意这些部位。

2.2.3 压力脉动观测

压力脉动观测 水流的压力脉动是引起建筑物振动和空蚀的主要原因，其观测方法多采用电阻式压力脉动感应器和示波仪或磁带记录器，记录的时间一般不能少于10s。脉动压力是一种随机荷载，将记录下来的成果输入频谱分析仪，即可得出所需要资料。通常用四种特征值来表示：①均方差：②功率谱密度函度；③自相关函数；④概率密度函数。根据多年来的观测结果表明，溢流坝面或溢洪道中高速水能的脉动压力，一般为5%左右的流速水头，不会危及工程安全。在大波动或大漩滚部位，如水跃区某一点的脉动压力荷载量是相当大的，常常在40%-50%的流速水头范围内。在整个底板面的范围内，由于脉动荷载是随机性的，所以不会引起大的振动。

(3)

式中：P′为脉动压力；γ为水的容重。

2.2.4 泄水建筑物振动观测

将测震仪置于建筑物边壁上(如闸门或坝体内)，通过放大部分将永嘉号送入示波仪或磁带记录仪器。振动波是随机性的，分析资料的方法多采用将非周期性的波动视为周期T→∞的傅里叶级数的极限，然后用特制的快带傅里变换(FFT)随机数据处理程序来计算，其结果主要是振动强度方差及频谱密度函数。在脉动荷载作用下，建筑物振动的动力反应谱在结构的自振频率上，将会产生峰值，可利用这个谱的特性作为现场观测建筑物动力特性的方法。

3 成果整理

高速水流观测结果，要根据各个项目规定的不同表格进行记录，同时还要记录天气、风力、风向、闸门开启的各种水力要素组合情况，开启闸门的时间、观测历时等。同时以上均可通过电脑计算机网络系统进行整理汇存。

4 结 语

中国的水利工程建设规模与设计及施工技术水平以及取得巨大的效益可为世界一流。在20世界70-80年代，我国已建成新安江水电站、乌江渡水电站、碧口水电站及冯家山泄水闸等水利枢纽工程，均对其高速水流采用相应的工程措施和观测手段。进入20世纪90年代至21世纪初至今，我国更是建成长江三峡枢纽工程，葛州坝水利枢纽工程及金沙江多级水电站，还有北水南调系统工程。无疑，以上工程对高速水流采用的消能与综合观测技术措施都是各位水工设计人员应该前往调研学习借鉴的。

[1]水利水电泄水工程与高速水流信息网，中水东北勘测设计院有限责任公司科学研究院.泄水工程与高速水流[M].长春：吉林人民出版社，2010：26-30.

[2]崔宗培，徐乾清，吴以鳌，等.中国水利百科全书[M]。北京：水利电力出版社，1990：121-128.