反拱水墊塘流場(chǎng)底動(dòng)水高壓試驗(yàn)研究

反拱水墊塘流場(chǎng)底動(dòng)水高壓試驗(yàn)研究

目前，中國(guó)已開始建設(shè)大型節(jié)水水庫(kù)。大壩下游通常修建二道壩形成襯砌水墊塘,以保護(hù)下游河床基巖免除水流沖刷,確保河床和兩岸坡的穩(wěn)定。因此,襯砌水墊塘的底板塊穩(wěn)定是至關(guān)重要的。襯砌水墊塘主要有平底和反拱兩種形式。VirgilioFiorotto、毛野、姜文超、趙耀南、劉沛清、張建民、孫建等學(xué)者對(duì)平底水墊塘中底板縫隙中動(dòng)水壓強(qiáng)的傳播規(guī)律、底板塊的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究。反拱水墊塘則是一種新型的消能防沖結(jié)構(gòu)。拱圈上底板塊的破壞機(jī)理與平底水墊塘底板塊不同,不僅與動(dòng)水壓強(qiáng)在拱圈底板縫隙中的傳播規(guī)律有關(guān),而且還與拱圈底板塊間傳遞的軸力、底板塊的振動(dòng)特性以及拱端的支撐條件等因素關(guān)系密切。文獻(xiàn)結(jié)合溪洛渡反拱水墊塘,對(duì)拱圈底板表面和底板縫隙中的動(dòng)水壓強(qiáng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了一些重要的結(jié)論。本文在此基礎(chǔ)上,對(duì)高水頭、大流量作用下,拱圈位于反拱水墊塘流場(chǎng)中任意位置時(shí)底板表面和底板縫隙中的動(dòng)水壓強(qiáng)進(jìn)行同步量測(cè),進(jìn)一步研究拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)的變化規(guī)律,以揭示拱圈底板的破壞機(jī)理。1反拱水墊塘和壓力傳感器圖1給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?。試?yàn)?zāi)Ｐ鸵阅掣邏嗡畨|塘為基礎(chǔ),按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型,同時(shí)滿足紊流阻力相似條件,比尺為1∶170。模型主要由供水系統(tǒng)、射流系統(tǒng)、反拱水墊塘和回水系統(tǒng)組成。射流系統(tǒng)主要是出口尺寸為0.57m×0.0098m(寬×厚)的固定噴頭,以此模擬高水頭、大流量的挑流水舌。反拱水墊塘由灰塑料板制作,其尺寸為5m×0.9m×0.6m(長(zhǎng)×寬×高)。在反拱水墊塘中部,安裝有一個(gè)有機(jī)玻璃制成的拱圈,其內(nèi)安裝有9個(gè)(①～⑨)底板塊。圖2給出了拱圈底板塊中壓強(qiáng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置。其中,底板塊表面與縫口共布置52個(gè)測(cè)點(diǎn),底板縫隙中布置58個(gè)測(cè)點(diǎn)。反拱水墊塘可在滑動(dòng)軸承上移動(dòng)以改變水舌沖擊點(diǎn)與量測(cè)拱圈的位置,達(dá)到拱圈位于反拱水墊塘流場(chǎng)中任意位置的目的,進(jìn)而同步量測(cè)拱圈底板塊表面、底板縫隙的動(dòng)水壓強(qiáng)。采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的MPX50D型壓力傳感器和DJ800多功能采集系統(tǒng)。取采樣時(shí)間間隔Δt=0.016s,采集時(shí)間T=160s,采樣總?cè)萘縉=1100000。試驗(yàn)中拱圈位于每一個(gè)固定位置上,重復(fù)采樣3次,使每次量測(cè)的動(dòng)水壓強(qiáng)的均值基本相等。2水墊塘底板微織構(gòu)設(shè)計(jì)圖3給出了坐標(biāo)系規(guī)定。沿水流方向?yàn)閤軸,y軸向上為正,沿拱圈方向?yàn)閦軸,o為坐標(biāo)原點(diǎn),也為水舌沖擊點(diǎn)。x表示拱圈中心的坐標(biāo),x′表示各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于拱圈中心的坐標(biāo)(以遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的方向?yàn)檎较?,X表示各測(cè)點(diǎn)沿縱向的坐標(biāo),其中,X=x+x′。水墊塘長(zhǎng)L=5m;水舌入水厚d0=0.0098m,寬B=0.57m;入水流速u0=6.31m/s,入水角β=72.99°;水墊深度ht=0.288～0.488m。試驗(yàn)從x=1.3m處開始采集,保持水舌入水條件和下游水深不變,逐漸把水墊塘向上游移動(dòng),減小至x=-0.9m。為了便于分析,用pumax、pumin、pua、puσ表示底板表面瞬時(shí)最大壓強(qiáng)、瞬時(shí)最小壓強(qiáng)、時(shí)均壓強(qiáng)、均方根;用pdmax、pdmin、pda、pdσ表示底板塊縫隙瞬時(shí)最大壓強(qiáng)、瞬時(shí)最小壓強(qiáng)、時(shí)均壓強(qiáng)、均方根。試驗(yàn)中對(duì)不同水墊深度下底板塊上的動(dòng)力荷載進(jìn)行量測(cè),經(jīng)信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理后得出以下試驗(yàn)結(jié)果。2.1動(dòng)水壓力值對(duì)比圖4給出了拱圈底板動(dòng)水壓強(qiáng)沿流程的變化曲線。從中可見(jiàn),反拱水墊塘拱圈底板上動(dòng)水壓強(qiáng)幅值沿程分布曲線上有明顯特征點(diǎn),一個(gè)是峰點(diǎn),另一個(gè)是谷點(diǎn),兩點(diǎn)之間是動(dòng)水壓強(qiáng)驟降區(qū),驟降區(qū)以外是回升區(qū)。在沖擊點(diǎn)附近,水舌動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?拱圈底板表面與底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)幅值(除底板表面瞬時(shí)最小值外)出現(xiàn)峰點(diǎn),但底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)幅值小于底板表面的,底板縫隙瞬時(shí)壓強(qiáng)最小值均大于底板表面,底板塊形成負(fù)上舉力。在動(dòng)水壓強(qiáng)驟降過(guò)程中,底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)遞減梯度大,而底板縫隙內(nèi)的遞減梯度小,沿程形成了底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)時(shí)均值大于底板表面的一個(gè)條帶,形成了較大上舉力。隨距沖擊點(diǎn)距離的增大,動(dòng)水壓強(qiáng)幅值沿程分布曲線上出現(xiàn)谷點(diǎn);谷點(diǎn)之后,動(dòng)水壓強(qiáng)的幅值逐漸回升并趨于平穩(wěn)。2.2拱圈底板與底板裂隙振動(dòng)的差異圖5給出了拱圈底板塊上動(dòng)水壓強(qiáng)沿拱圈橫向的分布曲線。從中可見(jiàn),在沿拱圈方向,底板表面、底板縫隙時(shí)均壓強(qiáng)沿拱圈分布形態(tài)基本相似,總體上,從拱冠附近的最大值沿拱圈向兩岸遞減。時(shí)均壓強(qiáng)沿拱圈方向的最小值出現(xiàn)在拱端附近的底板塊上。這反映了拱圈底板曲率對(duì)動(dòng)水壓強(qiáng)的衰減作用。底板表面的瞬時(shí)最大壓強(qiáng)、瞬時(shí)最小壓強(qiáng)分布規(guī)律性較差;而底板縫隙內(nèi)的與時(shí)均壓強(qiáng)相似,都是從拱冠附近的最大值沿拱圈向兩岸遞減。在沖擊區(qū)和壁射流區(qū),底板表面脈動(dòng)強(qiáng)度在拱冠附近較小,在拱端附近較大;沖擊區(qū)大,壁射流區(qū)小。在整個(gè)流場(chǎng)范圍內(nèi),底板縫隙脈動(dòng)強(qiáng)度沿拱圈方向變化不大。圖6給出了拱圈底板表面與底板縫隙Z3、Z5斷面上時(shí)均荷載沿拱圈橫向的差值(用Δpa表示)。從中可見(jiàn),在沖擊區(qū),距沖擊點(diǎn)近的Δpa小,甚至為負(fù);在距沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)的斷面,Δpa較大。因此,水舌沖擊區(qū),拱圈底板塊受力荷載不均勻。距離沖擊點(diǎn)近的上舉力荷載小,遠(yuǎn)的荷載大,底板塊上舉力的作用點(diǎn)離水舌沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)。底板塊如果發(fā)生振動(dòng)位移,則距沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)的一側(cè)首先抬頭,在其振動(dòng)位移過(guò)程發(fā)生翻轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖7a)。在壁射流區(qū)及漸變流區(qū),距沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)、近的橫向斷面上,Δpa基本相等。因此,在這兩個(gè)區(qū)域,拱圈底板塊受力荷載基本均勻。底板塊若發(fā)生振動(dòng)位移,則其會(huì)懸浮而起(見(jiàn)圖7b),擠壓兩側(cè)底板塊,并產(chǎn)生底板塊軸力或拱端力。2.3底板裂隙的動(dòng)水壓力分布圖8給出了拱圈位于不同位置時(shí),底板塊⑤的縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)沿縫隙長(zhǎng)度x′的分布曲線。從中可見(jiàn),拱圈位于水墊塘內(nèi)不同位置時(shí),底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)分布有“遞減形”、“遞增形”和“平穩(wěn)形”三種形態(tài),分別位于M、E、S三個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖3)。M區(qū)在沖擊區(qū)對(duì)應(yīng)的底板縫隙內(nèi),縫內(nèi)上游端的動(dòng)水壓強(qiáng)比下游端大,底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)沿流程呈遞減形,且其遞減的速率比底板表面的小,底板表面與底板縫隙壓強(qiáng)的最大動(dòng)水壓強(qiáng)都出現(xiàn)在該區(qū);E區(qū)在沖擊區(qū)與壁射流區(qū)之間對(duì)應(yīng)的底板縫隙內(nèi),隨拱圈中心|x|增大,底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)沿流程的遞增趨勢(shì)逐漸變緩,而底板表面pua呈逐漸遞減趨勢(shì);S區(qū)包括部分壁射流區(qū)及其下游漸變流區(qū)對(duì)應(yīng)的底板縫隙內(nèi),其動(dòng)水壓強(qiáng)沿縫長(zhǎng)分布呈“平穩(wěn)形”。從底板縫隙內(nèi)和底板塊縫口處最大瞬時(shí)壓強(qiáng)的比較來(lái)看,在M、E、S區(qū)中,縫內(nèi)上游端pdmax比對(duì)應(yīng)縫口底板表面pumax小,縫內(nèi)下游端pdmax比對(duì)應(yīng)縫口底板表面pumax大,但縫隙上下游端兩者相差的幅度不同。在縫內(nèi)上游端,在M和E區(qū)中,底板縫隙pdmax比對(duì)應(yīng)縫口底板表面pumax小得多,底板縫隙pdmax約為底板表面pumax的1/2;在S區(qū)中,底板縫隙pdmax比對(duì)應(yīng)縫口底板表面pumax的略小,兩者相近。這說(shuō)明底板縫隙對(duì)由上游縫口傳入的動(dòng)水壓強(qiáng)具有阻尼作用。同時(shí),在M區(qū)對(duì)應(yīng)的底板塊表面,脈動(dòng)壓強(qiáng)急劇變化,且均方根值大;而S和E區(qū)對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化較為平緩,且均方根值小。在底板縫隙中的M區(qū)內(nèi),底板表面puσ變化大,底板縫隙pdσ相對(duì)S和E區(qū)大,但比其縫口底板表面的小,約為縫口底板表面的1/7～1/2,這表現(xiàn)為縫口的阻尼作用較大;在底板縫隙的S區(qū)或E區(qū),脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿縫長(zhǎng)基本不變,這是由于底板塊上下游縫口脈動(dòng)壓強(qiáng)變化不大所致?？梢?jiàn),底板縫隙對(duì)由縫口傳來(lái)的動(dòng)水壓強(qiáng)具有阻尼作用,且縫口處脈動(dòng)壓強(qiáng)越大,底板縫隙的阻尼作用越明顯。2.4脈動(dòng)壓電譜密度圖9給出了拱圈底板表面、底板縫隙測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)譜密度。從中可見(jiàn),拱圈底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)頻率分布范圍較廣,主要集中在0～4Hz之間;而底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)頻率分布范圍主要集中在0～1.0Hz,低頻(小于1.0Hz)的脈動(dòng)能量占主要部分,相對(duì)于底板表面,其頻率較為集中。拱圈底板表面和底板縫隙內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)的峰值頻率都集中在0～1Hz之間。在沖擊區(qū)內(nèi),高頻域和低頻域內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)譜密度的值較大,能量分布較廣;其它區(qū)域較窄。當(dāng)下游水墊深度較淺時(shí),脈動(dòng)壓強(qiáng)譜密度在低頻域或高頻域內(nèi)值大,能量在頻域上分布較寬;隨著水墊深度的增加,高頻域內(nèi)的譜密度值減小,低頻域內(nèi)的脈動(dòng)能量占主要部分。3試驗(yàn)結(jié)果分析本文采用一種新的思路,建立反拱水墊塘水力學(xué)精細(xì)模型,研究高水頭、大流量作用下反拱水墊塘拱圈底板塊表面、底板縫隙內(nèi)的動(dòng)水壓強(qiáng)的變化規(guī)律,探討反拱水墊塘拱圈底板的失穩(wěn)機(jī)理。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得出:1)在整個(gè)反拱水墊塘流場(chǎng)范圍內(nèi),拱圈底板表面和底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)沿