不同条件下橡胶坝下泄水流水噪声研究

2016-03-23郭维东田茹妍赵光昱沈阳农业大学水利学院沈阳0866广东珠荣工程设计有限公司广州5060

中国农村水利水电 2016年3期

郭维东，田茹妍，赵光昱(.沈阳农业大学水利学院，沈阳 0866；.广东珠荣工程设计有限公司，广州 5060)

橡胶坝[1]是常见的水工建筑物，下游通常有与它相链接的消能设施。通常牵涉到水利工程的问题上，人们大都会将关注的重点放在水文计算及水工结构计算上[2]，即建筑物结构的功能性、稳定性和安全性、消力池内的消能和设计。关于在泄流过程中由于水的流动而产生剧烈振动，伴随巨大的水噪声，这方面问题的研究却非常有限。而出于对环境影响的考虑，尤其是随着亲水景观设施在城市、城郊等人口相对密集区域的逐渐普及，人们渐渐开始关注消力池内由于下泄水流入池后产生的水噪声问题[3,4]。故此次试验研究水噪声作为研究的新一面，需要进一步去探讨研究，分析水噪声的传播规律。

1 模型试验

1.1 试验模型

整个试验在自循环水槽里完成，自循环水槽利用0.5 cm厚的有机玻璃板制作，宽50 cm，中轴线长1 071 cm。整个供水系统由上下两个水箱共同完成，水箱利用聚乙烯板制作，上面的水箱为整个水槽提供恒流，下面的水箱为储水水箱，既为上面水箱供水同时接收水槽排出的水量，两个水箱利用3台MP-8500水泵和两台WQD6.8-15-0.75连续供水，水箱与水槽用塑料管相连接，最大设计流量8 L/s。具体见图1(a)。

该试验模型在水槽段，先设置一集水箱，然后设置稳流板，距离试验段为150cm，后接消力池，在该段进行水流噪声测量，该段总长90 cm，该段每隔30 cm设一卡槽，通过调节消力池长度和消力尾坎高度，即调剂下游水位，以改变消力池内的水流状态。详见图1(b)。

橡胶坝的尺寸见图2。

①水箱一；②水箱二；③上水区；④紊流区；⑤试验区；⑥尾水区；⑦紊流板；⑧测流区；⑨测流堰；⑩水箱水面高度；□球形阀门图1 试验水槽示意图(单位：mm)Fig.1 The plan of the experimental sink the sectional view of the experimental sink

图2 橡胶坝剖面图(单位：mm)Fig. 2 The size of energy dissipater of rubber dam

整个消力池的内部区域，为物理实验测量观测区域，主要观测内容为橡胶坝下泄水流噪声[5]。测量仪器包括：温度计，三角形量水堰，精度为1 mm的钢尺，ZonicBook/618专业振动噪声分析系统，Ez-Analyst实时振动声学分析软件。

1.2 试验方案

通过试验测量3种流量状态，3种消力尾坎高度，3种消力池长度下水流噪声，分别是Q1=4.8 L/s、Q2=5.9 L/s、Q3=8 L/s；3种消力尾坎高度：H1=1.0 cm、H2=2.0 cm、H3=3.0 cm；3种消力池长度：L1=30.0 cm，L1=60.0 cm，L1=90.0 cm。

由于数据量大且数据趋势一致，试验数据现选取典型数据进行分析。试验中有3种可变因素，设定其中两种为定性条件，另一种为可变条件，具体设定工况见表1。表中下脚标i表示流量Qi工况状态下，脚标j表示消力池区域长度Lj工况状态下，脚标k表示消力池下游尾坎高度Lk工况状态下。

表1 水噪声数据分析工况表Tab.1 The classification of water noise data analysis

1.3 测点布置

确定试验坐标系为：原点布置在消力池入口底部中点；X轴为水槽底部轴线，顺水流方向为正；Y轴指向水槽左岸并垂直于水流方向；Z轴为铅垂线，向上为正。

本实验目的分析水噪声最大值位置及声压值大小分布规律，水面以上噪声测点共布置3个高度，分别为10、15、20 cm；水面以下噪声测点布置在水槽的底板上，水槽底板布置的噪声测点在X、Y平面，Y轴方向共有3行测点，每一行的测点沿X轴成列排列，测点的行、列间距均为10 cm，下文对噪声测点分析按照测点的布置顺序进行分析，如提到2号测点指的是2号测点对应横断面处的数据，具体布置见图3。

图3 消力池内压强测点平面布置图(单位：mm)Fig.3 Pressure points plan of the stilling basin

2 试验结果分析

2.1 试验区内水噪声的产生和传播

泄流噪声来自于下泄水股产生强烈的撞击、摩擦、脉动、颤振等，可发生在水流内部、水与固体界面和气体界面之间，其不仅对周围建筑物结构稳定有影响，同时也是水流噪声声源。水跃发生在消力池内，对噪声起到了促进作用，高速水流通过，载有紊动旋滚及波动的水体时，势能与动能的转换，期间伴随着能量的损失现象，此种物理现象的出现因泄流型式及泄水建筑物结构而不同，且与下泄水流的型态、下游的承接条件、水流所挟带的能量及其消耗紧密相关[6]。

当水流从橡胶坝下泄后产生噪声，分别在空气、水槽边壁和水流中进行传播。并且在水面和空气的接触面产生折射、反射和衍射等物理学变化。本试验证实溢流堰下泄水流的噪声变化最大产生在下泄水流注入消力池内，噪声值从此处按横向和纵向距离逐渐减小[7]。

2.2 消力池尾坎高度变化对消力池内水噪声数值的影响分析

取工况X111、X112、X113作为讨论对象。三者具有相同的上游来水流量(4.8 L/s)、相同的消力池长度30 cm，消力池的尾坎高度分别是1、2、3 cm。

图4 X111工况2、3号测点噪声频谱图Fig.4 2,3 points noise spectrum of program X111

图5 X111工况4、5号测点噪声频谱图Fig.5 4,5 points noise spectrum of program X111

X111工况下，水槽中的测点处声压值总体上随着频率的增大而减小，越往下游的位置噪声值越小；由图可以看出，在0～2 000 Hz内，2号测点的声压值明显低于3号测点值，差值幅度为0～10 dB，噪声主频值产生在50 Hz附近，值为44 dB；在2 000～5 500 Hz内，两个测点数据相互重叠，变化范围一致，二者差值很小，在高频率段，2号测点声压值明显高于3号测点值，差值幅度为5～10 dB；4号、5号测点在0～1 500 Hz内变化一致，二者差值较小，二者噪声最大值产生在低频区域，在中频段，4号测点数据明显高于5号，在低频段二者声压值均小于0，声压值变化幅度为-20～-5 dB。

图6 X112工况2、3号测点噪声频谱图Fig.6 2,3 points noise spectrum of program X112

图7 X112工况4、5号测点噪声频谱图Fig.7 4,5points noise spectrum of program X112

X112工况：在0～1 500 Hz内，2号声压值变化幅度为20～30 dB，明显低于3号测点的变化幅度为30～50 dB，噪声产生最大值为48 dB位于3号断面处，4、5号在此范围内数据相互重合，数据值相差不大，声压值变化幅度为20～40 dB上下浮动；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值是随着频率的升高下降的，2、3号测点在2 500～5 000 HZ，从5～20 dB上下波动，两测点声压值相差不大，4、5号明显在0～10 dB上下波动，4号测点声压值普遍高于5号测点，5 000 Hz以后，高频段是频谱的低能量区，2号测点相比较其他三个测点数值偏大，而3、4、5处声压值均位于0 dB上下波动，直至消失。

图8 X113工况2、3号测点噪声频谱图Fig.8 2,3 points noise spectrum of program X113

图9 X113工况4、5号测点噪声频谱图Fig.9 4,5points noise spectrum of program X113

X113工况：在1 500 HZ内，2、3号声压值变化幅度均为30～50 dB，两处数据相重叠，声压值大小相差不大，在500 Hz处噪声最大值为50 dB左右，4、5号在此范围-内数据相互重合，数据值相差不大，声压值变化幅度为20～40 dB上下浮动；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值是随着频率的升高下降的，这四个测点位置处的声压值高低依次是2>3>4>5，测点的变化幅度依次为10～38、0～30、0～20、-10～20 dB；在高频段2号测点声压值从0～10 dB上下浮动，其余三处在0值上下浮动，5号测点有的频率下处于负值。

总结：从所有的频谱来看变化趋势，各工况噪声频谱图形状相似[8]，随频率升高而声压值逐渐下降的趋势，主频均位于1 000 Hz以内，越过主频后，声压值急速下降，声能量降低；图中声压值呈阶梯下降，在低频区，是声激励的高能量区，声压值较大，而高频段是能量的薄弱区，声压值最小，水声沿程是在损耗能量；在流量相同、消力池长度相同下，尾坎高度的改变会影响噪声值的大小，即尾坎高度越小，噪声值显著增大，一个工况下噪声产生的最大值位于2号测点，声压值随频率变化总体趋势一致。

2.3 消力池长度变化对消力池内水噪声数值的影响分析

取工况X313、X323、X333作为讨论对象。三者具有相同的上游来水流量(8 L/s)、相同的消力尾坎高度3 cm，消力池长度分别为30、60和90 cm。

图10 X313工况2、3号测点噪声频谱图Fig.10 2,3 points noise spectrum of program X313

图11 X313工况4、5号测点噪声频谱图Fig.11 4,5 points noise spectrum of program X313

X313工况：在1 500 HZ内，2号声压值变化幅度为30～40 dB，有三处峰值达到50 dB，3号声压值随频率变化为23～38 dB，从图可以明显看出此区域是声激励的高能量区，2号处声压值总体均大于3号声压值，最大声压值产生在2号测点500 Hz处为40 dB，4、5号在此范围内数据相互重合，二者声压值变化幅度均为25～40 dB上下浮动；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值总体上随着频率的升高下降的；在高频段各点处声压值均为负数。

图12 X323工况2、3号测点噪声频谱图Fig.12 2,3 points noise spectrum of program X323

图13 X323工况4、5号测点噪声频谱图Fig.13 4,5 points noise spectrum of program X323

图14 X323工况6、7号测点噪声频谱图Fig.14 6,7 points noise spectrum of program X323

X323工况：在1500HZ内，2号声压值变化幅度为30～40 dB，3号声压值随频率变化为18～33 dB，从图可以明显看出此区域是声激励的高能量区，2号处声压值总体均大于3号声压值，最大声压值产生在2号测点262 Hz处为47 dB。4、5号在此范围内数据相互重合，二者声压值变化幅度均为20～38 dB上下浮动，噪声产声最大值为5号测点上。6号测点在625 Hz以内的声值变化幅度为30～42 dB，相对7号测点声压值偏高，为主峰区；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值总体上随着频率的升高下降的；在高频段各点处声压值均为负数。

图15 X333工况2、3号测点噪声频谱图Fig.15 2,3 points noise spectrum of program X333

图16 X333工况4、5号测点噪声频谱图Fig.16 4,5 points noise spectrum of program X333

图17 X333工况6、7号测点噪声频谱图Fig.17 6,7 points noise spectrum of program X333

图18 X333工况8、9号测点噪声频谱图Fig.18 8,9 points noise spectrum of program X333

X333工况：在1500HZ内，声能的主能量区，2号声压值变化幅度集中在30～40 dB。0～1 000 Hz，3号声压值随频率变化为25～33 dB，1 000～1 500 Hz内声压值降低，变化幅度为18～28 dB，从图可以明显看出低频段是声激励的高能量区，2号处声压值总体均大于3号声压值，最大声压值产生在2号测点300 Hz处为45 dB。4、5号在此范围内数据相互重合，在800 Hz内二者声压值变化幅度均为23～38dB上下浮动，在800～1 500 Hz，声压值变化幅度为20～30 dB，二者声压值最大均为30 dB。6号测点在1 000 Hz以内的声值变化幅度为20～30dB，有两个峰值达到38 dB，相对7号测点相同频率下的声压值大，为主峰区。1 000～1 500 Hz内二者声压值均有下降，变化幅度为18～23 dB。8号测点在此频段内声压值明显低于9号测点处的声压值，在800 Hz内二者声压值变化幅度为20～30 dB，9号测点声压值达到最大为37 dB，800～1 500 Hz，声压值均变化在4～18 dB；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值总体上随着频率的升高下降的，声压值最开始从3 000 Hz以后出现负值的在最下游两个测点上即8、9号，2号测点声压值未出现负值；在高频段除2号测点为声压值均为负数。

总结：从图上可知当工况为X313时，声压值的变化幅度主要集中为30～45 dB，有三处峰值对应处的声压值达到了52～60 dB，352 Hz处的声压值为55 dB；X323时，声压值的变化幅度主要集中为20～40 dB，有四处峰值对应的声压值达到了40～47 dB，250 Hz处的声压值为47 dB；X333时，声压值的变化幅度主要集中为30～40 dB，有一处峰值对应处的声压值达到了45B，即300 Hz处值最大。可见，橡胶坝随着消力池长度的增长，声压值也是总体下降[9]。

2.4 流量的变化对水噪声数值的影响分析

取工况X113、X213、X313作为讨论对象。三者具有相同的消力池长度30 cm、相同的消力池尾坎高度3 cm，流量分别为4.8、5.9、8 L/s。

工况为X113，X313的水噪声频谱曲线分析见上文。

图19 X213工况2、3号测点噪声频谱图Fig.19 2,3 points noise spectrum of program X 213

图20 X213工况4、5号测点噪声频谱图Fig.20 4,5 points noise spectrum of program X213

X213工况：在1 500 HZ内，2号声压值变化幅度为26～40 dB，在1 000 Hz以内，有八处峰值达到42～44 dB，3号声压值随频率变化主要集中在16～30 dB，从图可以明显看出此频段是声激励的高能量区，2号处声压值总体均大于3号声压值，最大声压值产生在2号测点400 Hz处为45 dB，4、5号在此范围内数据相互重合，二者声压值变化幅度均为15～32 dB上下浮动，有一处4测号的峰值达到了36 dB；中频段在1 500～7 500 Hz范围内，声压值总体上随着频率的升高下降的；在高频段各点处声压值均为负数。

总结：在消力池长度及消力池尾坎高度相同的时，声压值是随着流量的增大而总体上升高，最大声压值的位置位于2号测点上的断面，其余测点声压值随频率的变化相差不大。