水墊塘透水底板開孔率對上舉力的影響

水墊塘透水底板開孔率對上舉力的影響

幾十年來，中國的水電工程建設取得了令人矚目的成就，尤其是高速工程和建筑設計技術在世界領先水平，但消除貧困和預防能源沖突的問題越來越嚴重。目前，我國水力資源開發(fā)主要集中在西北、西南部的黃河和長江經濟帶。在這些地方建設節(jié)水項目時，必須面對高流量、高排放能力、高水面和狹窄河谷的問題。其中，高洪水頭帶來的高速行業(yè)問題十分突出。由于巨大的輸出能量，水庫的能源消耗任務艱巨，這是水庫下游河床設計的主要技術問題之一。為解決以上問題,目前在高壩特別是高拱壩的設計中常采用表孔、中孔聯(lián)合泄流,對下游一定范圍內河床進行混凝土襯砌防護,同時在下游適當位置修建二道壩,形成水墊塘,進而達到消能防沖的目的,確保大壩安全.目前,按體型可將水墊塘分為兩大類:一類是梯形復式斷面襯砌防護,簡稱為平底板;另一類是反拱形復式斷面底板,簡稱反拱底板,該型式可很好地利用天然河床的形狀,將底板做成與河床形狀相似的拱形,利用拱形的力學特點,提高了底板自身的穩(wěn)定和安全.然而這些方法有時仍不能發(fā)揮很大作用甚至只是事倍功半.因此,近年來有學者建議,采用透水底板即在水墊塘底板上設置連通底板上下表面的透水孔這一新型結構形式,來降低作用在底板上的動水壓力.本文通過具體工程模型試驗,結合前人的研究成果,分析了透水底板不同開孔率對上舉力及不同位置的底板動水荷載的影響.1設計洪水標準重慶市梅溪河渡口壩水電站為混合式引水發(fā)電工程.最低建基面高程470m,壩頂高程578.7m,最大壩高108.7m.擋水建筑物為拋物線型變厚雙曲混凝土拱壩.泄水建筑物由3個溢流表孔組成,孔口尺寸為12.0m×13.0m(寬×高),樞紐設計洪水標準為100年一遇(P=1.0%),相應下泄洪水流量Q=3130.0m3/s;校核洪水為1000年一遇(P=0.1%),相應下泄洪水流量Q=3840.0m3/s;消能防沖設計流量為30年一遇(P=3.33%),相應下泄洪水流量Q=2880.0m3/s.消能建筑物采用水墊塘消能,水墊塘長176.80m,底寬41.0～44.8m不等,底高程自大壩至二道壩分別為480.0,474.0和479.0m.底板厚3m,水墊塘末端設二道壩,二道壩壩頂高程498.0m,頂寬3m,底板單個板塊尺寸水墊塘中心線兩側為11m×9m×3m,兩側為11m×9.5m×3m,分4列布置,每列5塊.針對3種泄流情況,即正常蓄水位、設計水位、校核水位進行水墊塘穩(wěn)定性試驗.水墊塘設計見圖1.2水墊塘模型模型按重力相似準則設計.鑒于試驗場地及試驗精度限制,模型幾何比尺為50.消力池底板采用灰塑料板襯底上壓加重橡膠塊模擬水墊塘底板塊,模型底板平面尺寸為22cm×19cm×6cm和22cm×18cm×6cm.模型板塊與板塊之間預留有1mm的縫隙模擬止水破壞使得動水壓力能夠順利傳遞,在水墊塘模型中線順水流方向同一列5塊底板下各安裝1個上舉力傳感器.試驗中為保證測量數據的準確與精度,所有傳感器均在試驗現場進行率定,并在試驗前對儀器進行預熱和靜水標定歸零處理,從而消除由于板塊受到水的浮力而對試驗產生的影響.試驗中首先測量了不透水底板上舉力,然后在底板上增設透水孔并設計不同的開孔率以分析底板上舉力變化情況.在試驗數據的采集與分析中,通過安裝在傳感器內的應變片將上舉力信號傳遞給動態(tài)電阻應變儀,轉換為數字信號輸入到數據采集系統(tǒng),通過計算機內安裝的DASP數據處理系統(tǒng)進行處理,然后輸出結果.3底板開孔率對均方差的影響為了探尋透水孔開孔率對底板上舉力的影響,試驗中嚴格控制水力條件,在相同的上游水位以及相同孔徑的情況下,以水墊塘中心線兩側的透水底板為例,透水孔具體布置形式見圖2,透水孔在透水底板上采取的是均勻布置形式.圖3為不同開孔率下底板上舉力最大值及均方差的變化,圖中樁號為水墊塘底板距壩軸線的水平距離,開孔率(k)為底板上透水孔的面積占底板表面積的百分數,縱坐標是以不透水時上舉力最大值及均方差作為分母、不同開孔率的相應值分別作為分子的比值.從圖3可見,當底板增設透水孔后底板受到的上舉力均方差均有所降低.不同的開孔率對上舉力的減小幅度并不相同.但總體變化趨勢基本一致,在水舌跌落區(qū)(樁號0+60m附近)向下游一定范圍內上舉力沿程衰減.在樁號0+83m處上舉力最大值又有所升高,而對均方差的影響則表現為在水舌跌落點有一定的波動,隨后沿程衰減的趨勢.上舉力最大值的減小是由于開孔后底板下面的動水壓力得以有效釋放.在圖3(a)中,當開孔率達到0.5%以后,試驗數據顯現了較好的規(guī)律性,即隨著底板開孔率的增加,上舉力減小,在樁號0+80～0+90m之間有一較小的起伏.分析認為由于此處距離二道壩較近,下泄水舌進入水墊塘后,在二道壩上下游均產生強烈旋滾,其中,在上游側的旋滾位于修建二道壩形成的壅水區(qū)內,旋滾夾帶大量氣體,在降低水體密度的同時直接使作用在底板表面的壓力降低,使得靠近二道壩的底板上舉力有所增加.故在水墊塘內修建二道壩時應特別注意修建的位置,修建的距離過遠,則發(fā)揮的作用較小,距離較近,則會由于水流巨大沖擊作用,流態(tài)發(fā)生變化,使得消能效果變差.此外,底板上舉力主要影響區(qū)域為樁號0+60～0+80m之間,因此,該區(qū)域也是下游最需要保護和注意的地方.在圖3(b)中,均方差在樁號60m處波動,這是因為該處為水舌入射點,水流流態(tài)復雜、脈動壓力受上游水位影響較大,同時此處均方差隨開孔率的增加而減小,說明開孔后脈動壓力能較好地傳遞和釋放,隨著入射點的遠離,水流流態(tài)進一步穩(wěn)定,均方差也沿程衰減.4開孔率對底板上舉力的影響為進一步探尋水墊塘不同位置底板上舉力隨開孔率的變化情況,圖4分別給出了樁號0+71m與0+82m兩處的上舉力隨開孔率的變化趨勢.校核及設計水位下沖擊區(qū)在水墊塘60～70m范圍內,而近壁射流區(qū)位70～85m區(qū)域,故兩樁號前者較接近沖擊射流區(qū),后者則處于近壁射流區(qū).從圖4可見,在樁號0+71m處,上舉力隨開孔率的增加不斷減小且均小于不透水的情況;而在樁號0+82m處有所不同,尤其是在設計水位情況下,在開孔率為0.71%之前,所測上舉力數值均大于不透水情況,且在開孔率為0.4%之前上舉力隨開孔率的增加呈上升趨勢,隨后便沿程衰減.分析以上變化的原因,可以認為:在樁號0+71m處,由于該區(qū)域接近沖擊區(qū),水流條件較為復雜,水舌入水后主流發(fā)生轉向,流速迅速減小,壓力急劇增加,但由于有透水孔的存在,使得水墊塘該處底板的上下表面的壓力差減小,上舉力得到較好地釋放,所以總體趨勢是上舉力隨著k值的增大而減小.而在樁號0+82m處,由于接近近壁射流區(qū),主流貼底射出,并且攜帶有大量氣泡,使得底板上表面水體密度急劇降低.另外該工程水墊塘設計有其特點:雖然采用的是平底板,但并不是直接建在下游河床基巖上,而是先將河床進一步向下開挖一段,然后采用平底板的形式.考慮到工程中的止水與板塊間及板塊與基巖間的縫隙,這些縫隙就很可能成為脈動壓力傳遞到底板底部的良好傳遞路徑.同時由于水流在底板上表面貼底射出,并且沿程擴散躍起,底板上表面的壓力不斷減小,下表面的脈動壓力在開孔率較小時沒有很好地釋放,使得底板上舉力在k值較小的一定區(qū)域沒有得到有效減小,卻出現變大的趨勢,甚至超過了不透水的情況,但當開孔率超過一定值且布置合理后,上舉力便開始隨著k值的增加沿程減小,板塊的穩(wěn)定性隨之增強.從本工程試驗結果看,底板開孔率宜控制在大于0.71%的范圍.5脈動壓力水墊塘底板尺寸直接影響底板上下表面的脈動壓力,使得不同位置處底板上舉力不同,安全性也不一樣.上下表面壓力瞬時脈動的相關系數體現了兩者的同步性,同步性越好即相互抵消的可能性越大,可能的最大上舉力就越小,也越安全.而2個測點脈動壓力的最大相關距離又由脈動壓力的空間積分尺度決定,在沿水流縱向脈動壓力積分尺度的數學表達式為:LX=∫∞0ρx(ξ)dξ(1)ρx(ξ,η,τ)=R(x,ξ,y,η,τ)σp(x,y,t)σp(x+ξ,y+η,t+τ)(2)R(x,ξ,y,η,τ)=limΤ→∞1Τ∫Τ0p(x,y,t)p(x+ξ,y+η,t+τ)dt(3)LX=∫∞0ρx(ξ)dξ(1)ρx(ξ,η,τ)=R(x,ξ,y,η,τ)σp(x,y,t)σp(x+ξ,y+η,t+τ)(2)R(x,ξ,y,η,τ)=limT→∞1T∫T0p(x,y,t)p(x+ξ,y+η,t+τ)dt(3)式中:ρx為積分系數;p(x,y,t)為某點的脈動壓力;ξ,η,τ分別表示兩側點在x,y,z方向的間距.圖5以脈動壓力空間積分尺度與底板塊尺寸的比值LX/L作為y軸,以樁號作為x軸,顯示了在該工程中LX/L的沿程變化趨勢.從圖5可見,在順水流方向,LX/L的值逐漸增大,在沖擊區(qū)內積分尺度普遍較小,而在沖擊區(qū)的尾部及壁射流區(qū)LX/L值較大,本工程板塊尺寸11m,LX/L比值為1的位置位于下游沖擊區(qū)樁號0+80m附近,此處正是板塊容易失穩(wěn)的危險區(qū)域,這與試驗實測值相符合,所以在這個區(qū)域,底板的結構尺寸可依據脈動壓力的空間積分尺度在允許的條件下取得大一些或者小一些,避免產生LX/L=1的臨界狀態(tài),而對于靠近壩址的上游側,由于LX/L的值最大已達到0.8,所以可以采取適當的加固措施.此外,從圖中可以發(fā)現雖然采用了不同孔徑的透水孔導致開孔率的不同,但圖中點的分布并沒有發(fā)生明顯的變化,說明孔徑的大小、開孔率的不同,對脈動壓力空間積分尺度的影響十分有限.這一點與前人的研究成果也比較吻合.而由于在水墊塘水舌沖擊點上下游的水位不同,點的分布也呈現出不同的2個相對集中分布的區(qū)域,說明脈動壓力空間積分尺度與水位有著很大的聯(lián)系.圖6為不同樁號的底板上舉力時均值.對比圖5與圖6可見,空間積分尺度沿程分布與上舉力時均值有著比較相似的分布趨勢,在樁號0+60m既水舌沖擊點附近出現最小值,而在沖擊點兩側均有1個峰值出現.分析產生該現象的原因認為當板塊結構尺寸與脈動壓力空間積分尺度相當時,上表面的平均壓強和上下表面的脈動壓強轉換系數較大,這樣就可能導致在下表面壓力最大時,上表面壓力最小,造成結構物瞬時承受的上舉力最大.6上舉力外包線方程對于挑跌水墊塘來說,上舉力主要受到u0,水舌厚度d0,下游水墊深度h和水舌入水條件等的影響.而u0和d0分別與上下游水位差Z和入水單寬流量q有關,單位面積上舉力可以表述為:Fmax=f(ρ,g,Ζ,q,h,f)(4)Fmax=f(ρ,g,Z,q,h,f)(4)式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;f為水舌入水條件的綜合參數,具有多變性.取上舉力Fmax的單位為9.8kN/m2,得到3個參數:FmaxγΖ?qg0.5h1.5f,f,則式(4)可進一步寫成:FmaxγΖ=f(qg0.5h1.5,f)(5)將試驗實測數據繪制成圖7,可見本工程上舉力外包線的方程為:FmaxΖ=0.27qg0.5h1.5+0.047(6)式中:γ的單位取9.8kN/m3,其中0.04＜FmaxγΖ＜0.75.該式適用于本工程(單寬流量q=80～110m2/s);上下游水位差Z=70～80m;水墊塘水深h=26～30m.7透水孔長對底板上舉力的影響本文以重慶渡口壩模型試驗為基礎,研究了在一定的水力條件下,水墊塘底板在采用不同開孔率后上舉力的變化規(guī)律以及在相同位置上舉力隨開孔率改變的變化情況,通過本次研究得