水墊塘1100水彈性塊體穩(wěn)定性研究

水墊塘1100水彈性塊體穩(wěn)定性研究

0水墊塘底板破壞原因高流量上升的輸水設(shè)備的消能防沖裝置——水袋的研究和建設(shè)，在中國(guó)取得了很大的進(jìn)步和成果。例如壩高已達(dá)305m的錦屏一級(jí)、流量已超過(guò)30000m3/s的溪洛渡等大型水墊塘。已建成運(yùn)行的工程如,二灘、漫灣、小浪底、五強(qiáng)溪、安康等著名水墊塘都極具特色,但都是采用混凝土護(hù)砌的人工水墊塘。按規(guī)范分類(lèi),還有不護(hù)底的,如烏江渡水電站天然水墊塘。兩種水墊塘關(guān)鍵問(wèn)題是消能防沖。前者是底板穩(wěn)定,后者是局部沖刷情況,都不能影響泄洪安全,特別是拱壩壩肩穩(wěn)定。其實(shí)兩者工作狀況和防護(hù)原理乃至研究方法都是相通的。水墊塘作為防護(hù)下游河床的結(jié)構(gòu),其自身在高速水流作用下的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。導(dǎo)致水墊塘底板破壞直接原因是脈動(dòng)上舉力,即底板上、下表面的動(dòng)力壓差。這也是文獻(xiàn)推薦的分析概念。但這個(gè)脈動(dòng)壓差(上舉力)是難以確定的。常用底板表面測(cè)出的脈動(dòng)壓強(qiáng)代以估算。由于底板塊上、下表面相位關(guān)系,點(diǎn)面關(guān)系均難以確定,其結(jié)果會(huì)和實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。工程上也總想找個(gè)控制指標(biāo)。二灘找了一個(gè)沖擊動(dòng)水壓強(qiáng)(測(cè)壓管壓力與靜水壓力差)值Δp做指標(biāo),這是引入30多年前日本人的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)認(rèn)為,水舌時(shí)均沖擊壓強(qiáng)是一個(gè)比較簡(jiǎn)單、明白、富有內(nèi)涵的水力要素。后來(lái)有人質(zhì)疑。實(shí)際上沖擊動(dòng)水壓強(qiáng)Δp與沖刷坑深度、脈動(dòng)壓力強(qiáng)度、板塊的脈動(dòng)上舉力都存在數(shù)量上的相關(guān)關(guān)系,并與“q0.5z0.25”這一著名參數(shù)有直接關(guān)聯(lián),體現(xiàn)水舌對(duì)地基或底板的破壞能力。所以SL-282-2003《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》還是列上時(shí)均沖擊壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。在初步規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,用時(shí)均沖擊壓強(qiáng)值做方案比較,也是可行的。但這個(gè)指標(biāo)比較隱形,與底板上荷載關(guān)系不甚明確。最近研究這個(gè)關(guān)系雖有進(jìn)展,但還是希望明確內(nèi)部聯(lián)系。這就是直接表達(dá)上舉力、抗力與水力要素之間的明確關(guān)系。同時(shí)也是本研究追求的目標(biāo)。1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)有兩種:(1)塊體抗沖穩(wěn)定性條件;(2)板塊整體脈動(dòng)上舉力動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)試。幾何比尺都為1∶100。1.1水墊深度的影響板塊穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),如同一般局部沖刷實(shí)驗(yàn)做法。首先通過(guò)試驗(yàn)確定板塊最易失穩(wěn)位置,然后用特制的板塊代替該處的加重橡膠塊作為被沖塊體進(jìn)行板塊穩(wěn)定性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)做出,在給定上、下游水位、泄流量條件下,維持底板穩(wěn)定的最小(或臨界)水墊深度,也就是不失穩(wěn)的臨界安全水深。當(dāng)然,底板塊的容重大,抗力也會(huì)越大,安全水深就會(huì)越大。實(shí)驗(yàn)中改變了模型板塊的重量,以表示板塊的不同抗力。錦屏實(shí)驗(yàn)成果如圖1所示。從圖1可以看出:對(duì)于具有一定抗力的底板而言,上游水位越高或入水單寬流量越大,為維持其穩(wěn)定所需的水墊深度就越深,安全水墊深度與上游水位呈曲線關(guān)系;在相同的上游水位條件下,底板抗力越小所需的水墊深度越大。這一成果,與前人大量的巖石局部沖刷實(shí)驗(yàn)是一致的,只加入了一個(gè)抗力的概念。1.2統(tǒng)計(jì)特性分析根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范,底板抗浮安全系數(shù)按下式確定:Κf=浮重+錨固力壓力差+脈動(dòng)壓力(1)根據(jù)這一要求設(shè)計(jì)的傳感器裝置如圖2所示,作用在板塊上動(dòng)水荷載與自重(浮重)、4個(gè)彈簧支撐相互作用,通過(guò)二次儀表顯示作用過(guò)程。實(shí)驗(yàn)率定顯示,傳感器的線性十分良好。上舉力的典型時(shí)程曲線如圖3所示。由此可分析出上舉力的最大值、時(shí)均值和標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度分布等統(tǒng)計(jì)特性。結(jié)果顯示,大多數(shù)樣本服從正態(tài)分布。分析底板塊穩(wěn)定時(shí),上舉力最大值取較穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)值:Fmax=uF+3σF。上舉力的典型測(cè)試結(jié)果如表1。表1中(ˉF+3σ)/f的最大值為2.80,最小值為2.29,平均值為2.51。即在底板失穩(wěn)時(shí),Fmax≈(2.29～2.80)f,也即底板失穩(wěn)時(shí)抗力為最大上舉力的35.7%～43.7%。取其平均值作為底板穩(wěn)定的控制準(zhǔn)則,即Fmax<2.51f。這與類(lèi)似工作,該系數(shù)為2.57和2.23相近。上舉力的最大值超過(guò)底板有效抗力并不意味著底板一定會(huì)失穩(wěn),而是需要超過(guò)底板抗力一定值,也即底板動(dòng)力加速度要達(dá)到一定的值時(shí)才可能使底板失穩(wěn)。這是由于底板所受荷載的隨機(jī)性所致,當(dāng)某一瞬時(shí)的上舉力超過(guò)底板抗力時(shí),底板被抬起,但由于上舉力超過(guò)抗力的持續(xù)時(shí)間很短,底板被抬起后馬上又回落到原來(lái)的位置,這樣底板在座穴內(nèi)作隨機(jī)振動(dòng);隨著底板所受的上舉力的時(shí)均值和脈動(dòng)值增大,瞬時(shí)荷載幅值的大小和超過(guò)底板抗力的概率都增大,底板振動(dòng)的振幅增大,當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時(shí),底板可能在某一很短的時(shí)間內(nèi)被抬起或掀起出穴而失穩(wěn)。2回歸分析2.1水舌法回歸分析影響底板所受上舉力的主要因素:入水流速u(mài)0、水舌厚度d0、下游水墊深度h、水舌入水條件k等,而u0和d0分別與上下游水位差Z和入水單寬流量q有關(guān)。單位面積上舉力可表述為:Fmax=f(ρ,g,Ζ,q,h,k)(2)式中,最具多變性的是水舌入水條件k,是反映水舌入水條件的綜合性參數(shù)。如,實(shí)際工程的水舌形態(tài)、摻氣濃度、擴(kuò)散程度、對(duì)沖角度等變化,相當(dāng)復(fù)雜。下面是根據(jù)三個(gè)工程模型實(shí)測(cè)的底板最大上舉力的回歸分析。錦屏、溪洛渡都是二灘式的水墊塘。糯扎渡是岸邊溢洪道挑流水墊塘。分析的板塊為,同一實(shí)驗(yàn)條件下沿水流方向所受上舉力最大的底板塊。取最大值為Fmax=ˉF+3σ。分析時(shí)先按相應(yīng)模型和泄洪方式進(jìn)行分組,然后對(duì)每組進(jìn)行單獨(dú)分析。單獨(dú)分析時(shí),暫認(rèn)為水舌入水條件變化不大,忽略k值的影響,經(jīng)量綱分析,得到兩個(gè)無(wú)因次量Fmax/γZ,q/g0.5h1.5。擬合曲線如圖4。曲線方程為:FmaxγΖ=a(qg0.5h1.5)b(3)從表2可以看出,決定線型的參數(shù)b各組都為3.36,為一常數(shù);而決定數(shù)值大小的a值變化很大,倍受入水條件影響。錦屏表孔泄洪,水舌集中、擴(kuò)散小、入水角大(近乎垂直入射),對(duì)底板的沖擊力就大,a值也大;錦屏深孔泄洪時(shí),水舌在空中擴(kuò)散井水舌間有沖撞,入水角不大(約為45°),水舌厚度大,因此其值相對(duì)于表孔泄洪時(shí)就要小;溪洛渡七個(gè)表孔,七條水舌較擴(kuò)散,其值也小;聯(lián)合泄洪時(shí),由于水舌的對(duì)沖,水舌擴(kuò)散,a值就小;糯扎渡溢洪道泄洪為挑流消能,水舌在空中擴(kuò)散,其a值最小。因此,擬合公式中的a值應(yīng)按不同工程、不同泄洪方式而取不同的值。令底板失穩(wěn)臨界狀態(tài)上舉力最大值與底板抗力間的關(guān)系為:Fmax=wf(4)代入式(3)按水深整理,即得出安全水深公式:h=(aw)11.5bq2/3Ζ1/1.5bg1/3(fγ)1/1.5b(5)上式即為維持底板穩(wěn)定的安全水墊深度的計(jì)算公式。2.2曲線方程的參數(shù)值水墊塘內(nèi)底板所受的上舉力的時(shí)均值、方差與上下游水位差、入水水舌單寬流量、入水條件和水墊深度等間存在一定的關(guān)系。同3.1節(jié)中分析上舉力最大值一樣,在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图靶购榉绞较嗤臈l件下經(jīng)同樣的分析與擬合方法得出曲線方程和相應(yīng)的參數(shù)值如表3。μFγΖ=a1(qg0.5h1.5)b(6)σFγΖ=a2(qg0.5h1.5)b(7)從表3可以看出,各曲線方程中的參數(shù)和表2一樣,b為一常數(shù),表示曲線型式。參數(shù)a,a1,a2表示系數(shù)值大小,受水舌入水條件影響大。3安全水墊深度的測(cè)量結(jié)果設(shè)底板失穩(wěn)時(shí),上舉力超過(guò)底板抗力的概率為p。假定上舉力服從正態(tài)分布,即F～N(ˉF,σ),則F-ˉFσ～Ν(0?1)Ρ(F≥f)=Ρ(F-ˉFσ≥f-ˉFσ)=1-Φ(f-ˉFσ)(8)式(8)中P為事件發(fā)生的概率,Φ(Ζ)=∫?∞-∞1√2πe-u2/2du,即標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)。令Φ(sp)=1-p,即Ρ(F≥f)=1-Φ(f-ˉFσF)=p=1-Φ(sp),則f-ˉFσ=sp(9)令式(6)、(7)代入式(9)得f-a1(qg0.5h1.5)bγΖa2(qg0.5h1.5)bγΖ=sp(10)對(duì)式(10)進(jìn)行恒等變換得:h=(a1+spa2)11.5bq2/3Ζ1/1.5bg1/3(f/γ)1/1.5b(11)上式中的h即為維持底板穩(wěn)定所需的安全水墊深度。式(11)考慮了底板在水底作隨機(jī)振動(dòng),是從概率統(tǒng)的角度分析了底板的穩(wěn)定。從表2、3中可以看出,公式中的參數(shù)b為一常數(shù),實(shí)驗(yàn)得出的值為b=3.36,將其代入式(5)與(11)中得,h=kq2/3Ζ1/5g1/3Ηf1/5(12)k表示二公式系數(shù)k1或k2?k1=(a/w)1/5;k2=(a1+spa2)1/5;Ηf=(f/γ)式中f為底板抗力,即單位面積的底板浮重加上單位面積錨固力,除以γ表示以水柱高計(jì)。4安全水墊深度的計(jì)算本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的w平均值為2.51;底板失穩(wěn)時(shí)上舉力超過(guò)底板的概率p平均值為39.12%,據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得sp=0.28。計(jì)算出k1,k2如表4所示。從上表可以看出,k1要比k2大;但兩數(shù)值比較接近。本實(shí)驗(yàn)是在錦屏模型上進(jìn)行的,泄洪方式為四表孔泄洪,將實(shí)測(cè)的q、Z、f以及參數(shù)k1、k2代入式(5)與式(11),計(jì)算結(jié)果令人滿意。由于k1、k2值近相等,所以計(jì)算結(jié)果也是近相等的。將兩式合二而一為式(12)。式中q2/3Z1/5g1/3代表了下泄水流能量的大小,它是影響底板穩(wěn)定安全水墊深度的主要水力因素,單寬流量和上、下游水位差越大,所需的安全水墊深度也就越大。Hf代表了底板抗力的大小,底板抗力越小,Hf就越小,所需的安全水墊深度就越大;式(12)中的k1包含有參數(shù)a和w,k2包含有參數(shù)a1、a2和sp,參數(shù)a、a1、a2受水舌入水角和水舌入水摻氣分散度的影響。關(guān)于參數(shù)w和sp,除了與底板的結(jié)構(gòu)形式(平底板或反拱底板)有關(guān)外,還與采用的底板穩(wěn)定的控制準(zhǔn)則有關(guān),如果采用靜力穩(wěn)定控制準(zhǔn)則,則參數(shù)w=1,sp≈3;如果采用動(dòng)力控制準(zhǔn)則,則w>1,0<sp<3,在底板形式和采用的控制準(zhǔn)則一定的條件下,參數(shù)w和sp應(yīng)是一個(gè)穩(wěn)定的值。因此,式(12)中的無(wú)因次參數(shù)k為一主要反映入水水流結(jié)構(gòu)的綜合性參數(shù),水舌入水角越小、入水水舌越分散,其取值也就越小。在給定入水單寬流量q,上、下游水位差Z,底板抗力f以及確定參數(shù)k后,把式(12)計(jì)算的底板穩(wěn)定的安全水墊深度h(即維持底板穩(wěn)定的最小水墊深度)與實(shí)際的水墊深度h0比較,若H0>h,則判定底板處于穩(wěn)定狀態(tài),否則底板失穩(wěn)。因此,通過(guò)式(12)計(jì)算的安全水墊深度可以作為底板穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)。另一方面,在已知水墊深度的時(shí)候,可以確定抗力(底板度和錨固)的大小。該公式和巖基局部沖刷研究的水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)概念是一致的。而且與不砌護(hù)的基巖局部沖刷公式(規(guī)范推薦或陳椿庭公式)接軌,但系數(shù)的概念和含義有所不同。公式(12)的量綱也是和諧的。利用上述分析所得安全水墊深度的計(jì)算公式對(duì)錦屏、溪洛渡、糯扎渡不同工況下的底板穩(wěn)定性進(jìn)行分析,分析時(shí)公式中的系數(shù)按不同工程、不同泄洪方式分別代入。穩(wěn)定性分析的對(duì)象為實(shí)測(cè)所受上舉力最大的底板塊。由于各工況泄洪方式的不一樣,分析板塊的位置也不一致。表5給出的是對(duì)溪洛渡工程的結(jié)果。從上表可以看出,用安全水墊深度判斷底板穩(wěn)定的結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的結(jié)果是一致的,說(shuō)明運(yùn)用上述公式來(lái)判定底板穩(wěn)定是可行的。5板重加錨固力公式1.水墊塘安全主要受控于水力條件和抗力條件,兩者協(xié)調(diào)、平衡的關(guān)系。本文認(rèn)為相關(guān)影響所給于綜合安全度。聯(lián)系在一起的是公式(12),表達(dá)指標(biāo)是安全水深。但也表示,在一定水墊塘深度情況下所需要的抗力(板重加錨固力)條件。也可以用以計(jì)算在設(shè)定抗力條件下所必要的水墊塘水深或二道壩高