高速水流观测

对溢流面、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。高速水流常常伴有掺气、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。为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。

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。还应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、录像、摄影等手段。

（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。这种现象尚不能完全在室内模型中重演，主要靠原型观测取得定量资料。掺气水流多发生在坝面溢流、鼻坎挑流、泄水道通气槽后的水流中。在现场观测中主要是量测水流中的掺气量。确定掺气量的方法有2种：①利用一般观测方法量测出掺气水流的水面线和流速，用下列公式来估算出水流中空气的百分数：

式中，Q_a是水中的空气流量，m³/s；Q_w是水流量，m³/s；A是根据量测出的水面线计算出的断面面积，m²；V是断面平均流速，m/s。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中的掺气量。

（2）空化与空蚀观测。高速水流中的空化和由此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的混凝土量，同时辅以绘图来描述其空蚀的部位和剥蚀深度。20世纪80年代以来，已采用电测仪器进行观测。电测仪器的工作原理：当水中空泡在建筑物边界上溃灭时产生高频脉动压力，高频脉动压力以超声波形式向外传播，导致建筑物边界破坏。水流发生空化时，其噪声级有明显的跳跃，这种噪声信号比一般非空化水流高得多，利用超声换能原理探测空化发生时超声强度的变化，借以判断空化是否存在。这种方法可以在泄水过程中进行，只要将仪器的传感器置于泄水建筑物的边壁上，就可以由接收部分记录超声波强度的变化过程，据此判断是否发生空蚀破坏。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，量测高速水流流速，用空化指数（K）判断是否可能产生空化。空化指数为

式中，P_a为当地大气压力；P₀为估算部位的实际水压力；P_ν为当地的蒸汽压力；ρ为水的密度；v是现场观测到的水流速；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。

（3）脉动压力观测。水流的脉动压力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应变片式脉动压力传感器和示波仪或磁带记录器，记录的时间一般不能少于10 s。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4种特征值来表示，即均方差、功率谱密度函数、自相关函数和概率密度函数。多年观测结果表明，溢流坝面或溢洪道中高速水流的脉动压力一般约为流速水头压力的5%，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，常常为流速水头压力的40%～50%。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。

（4）泄水建筑物振动观测。将测振仪置于建筑物边壁上（如闸门或坝体内），通过放大部分将信号送入示波仪或记录仪器。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，然后用快速傅里叶变换（FFT）随机数据处理程序计算，其结果主要是振动强度均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。

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、闸门开启的各种组合情况以及开启闸门的时间、观测历时等。同时应摄制电影或录像，作为辅助材料。

发展概况

中国高速水流观测始于20世纪60年代，从70年代末到20世纪末多次组织开展了大规模的高速水流观测研究项目。如新安江水电站、乌江渡水电站、冯家山泄洪洞、岩滩水电站、二滩水电站及小浪底水利枢纽等大型工程的高速水流观测，取得了对生产具有指导意义的成果。世界上其他国家的高速水流观测多以电影、录像为主，辅以量测流速、压力等。