水流测量论文：桩柱水流测量技巧诌议

作者：姜利杰 邵卫云 周慧平 单位：浙江大学

桩柱水流作用力测量原理

为了较精确地测量桩柱在水流作用下的受力情况而不干扰水流运动，本文采用两个水平压力传感器和一个竖直拉压传感器，通过一个可以上下（竖直z方向）前后（纵向x方向）调节的支架来测量水流作用力，同时确保桩柱垂直来流方向（横向y方向）固定。为此，本文所指水平方向仅限于流向xOz平面内水平x方向。通过调整支架位置，使桩柱与渠底留有一个约5mm微小间隙，从而使桩柱在水平方向上只有两个压力传感器的作用力约束而不存在桩柱与渠底之间的摩擦约束，以保证测量结果的精度。BALL［6－7］的研究表明，该间隙测量损力在5％左右。桩柱前后两个水平方向上的压力传感器所测合力即为流向平面内水平方向水流的作用力，竖直方向上拉压传感器所测的力即为水流竖向作用力。水平方向上桩柱前后两个传感器与桩柱点接触，竖直方向传感器经一控制单向位移装置相连后与桩柱刚结，该装置由一个轴承和相应支架组成，允许桩柱在水流流向平面内发生微小位移而限制其它平面的位移。三个测力传感器经信号放大器放大后，转化为4mA～20mA电流信号，然后将电流信号输入记录仪不同通道及计算机，同步记录显示各个传感器的读数，记录仪和计算机可以每隔1s记录一次数据，通过对一定时段内记录的数据整理分析，可以得到该时段内水平方向和竖直方向上水流作用力的平均值、脉动值、最大值及最小值。通过记录两个水平压力传感器和一个竖直拉压传感器的测量结果，根据水平方向和竖直方向受力平衡即可以求得水流对桩柱的水平方向和竖直方向作用力。

测量精度校核与分析

桩柱在水平水流作用力下将受到沿流向的绕流阻力和沿横向的升力。而水流流向倾斜时，水流对桩柱沿流向方向的作用力将可以分为垂直于桩柱的法向力与平行于桩柱的切向力。为了测得这两个力，本文先校核水流流向与桩柱垂直时研制装置的测量精度，然后再分别校核不同水流来流夹角下的测量精度。直接运用水流桩柱绕流对该测量装置进行校核存在一定的难度，因为此时的真实水流作用力的大小未知。因此，本文利用标准砝码重量作为已知作用力代替水流作用力，来校核验证桩柱竖直条件下、恒定水流流向与水平方向的夹角θ为0°、±15°、±30°、±45°工况时该测量装置的测量精度，校核原理如图2所示。校核过程中，通过调整细线与水平方向的夹角θ和改变标准砝码的重量来模拟不同来流夹角和不同来流大小水流作用力，其中，θ沿水平顺时针向下为正，水平逆时针向上为负。2．1单一水平方向或垂直方向作用力的测量校核针对水流流向垂直于桩柱或沿着柱体的工况，本文分别对其受到的水平x方向作用力与竖直z方向作用力进行校核，方法如下：①维持细线沿水流x方向，即θ＝0°，改变标准砝码重量，通过传感器1、2测得桩柱受到的水平作用力，然后利用公式（3）即可获得水平力的量测值F′x，其中计算值采用相应的标准砝码重量Fw。②维持细线沿竖直z方向，即θ＝90°，改变标准砝码重量，通过传感器3测得竖向力，然后利用公式（4）即可获得竖向力的量测值F′z，其中计算值采用相应的标准砝码重量Fw，其中相对误差包含了在试验中没有测量的、在式（1）和式（2）中所考虑的摩擦力影响，量侧值为记录仪记录的传感器值在60s内的均值。针对水流流向垂直于桩柱的工况，通过改变标准砝码重量测得的不考虑摩擦力作用的x向作用力与标准砝码重量整体吻合较好，相对误差（含摩擦力）除了有2个点外均在±4％以内，其最大相对误差为5．87％（图略）。至于竖直作用力F′z，也有着同样的精度。同时，在校核范围内，随着作用力的增大，相对误差减小，摩擦力和试验误差对试验结果的影响减弱。由此可见，该试验装置用于竖直桩柱绕流的x向与z向作用力的测量时，具有较高的测量精度。2．2桩柱斜向水流作用力的测量校核针对桩柱竖直条件下水流流向与水平方向的夹角θ为±15°、±30°、±45°的斜向水流作用工况，本文分别对其受到的x方向作用力与z方向作用力进行了校核，步骤如下：①针对与水平方向夹角θ为15°的水流作用工况，维持细线与水平夹角θ为15°，改变标准砝码重量，通过传感器1、2测得水平力，利用公式（3）即可获得水平力的量测值，通过传感器3测得竖向力，利用公式（4）即可获得竖向力的量测值。其中，水平x方向作用力与垂直z方向作用力的计算值分别为标准砝码重量沿水平方向和竖直方向的分力，即分别为：Fwcosθ和Fwsinθ。②改变θ角，分别取－15°、±30°、±45°，重复上述过程即可得到不同来流夹角下该测量装置对桩柱受到的水平方向与竖直方向作用力及其测量相对误差。对实验结果进行分析，得到如图5～图10所示的量测值与计算值的相关关系及其相对误差。针对水流流向与竖直桩柱有一夹角的工况，通过改变标准砝码重量及夹角θ值，测得的x向及z向作用力与参照值－标准砝码重量沿x向及z向作用力的分力整体吻合较好（图略），总体上相对误差控制在±5％范围内，最大相对误差控制在9％范围内）。同时，在校核范围内，随着作用力的增大，相对误差减小，摩擦力和试验误差对试验结果的影响减弱。当水流来流方向与水平成±15°夹角时，水流作用力沿桩柱的切向分力即竖直分力较小（在4N校核作用力下，竖直分力为1．03N），导致其量测值的相对误差较大，但仍保持在±8％的范围以内，总体测量结果具有较高的精度。