水墊塘透水底板水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

水墊塘透水底板水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

0水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究狹窄河谷中的高壩下游消能防沖是影響水庫(kù)穩(wěn)定性的中心問(wèn)題。通常采用的工程措施是以混凝土保護(hù)河床基巖,用鋼筋錨固底板于基巖形成水墊塘底板,靠塘內(nèi)一定深度和一定量的水體,以三元水躍旋滾消殺水流能量,確保水流與下游合理銜接。目前,已經(jīng)運(yùn)行和正在設(shè)計(jì)的水墊塘底板的形式有兩種:一種是梯形斷面底板(簡(jiǎn)稱平底板),依靠自重和錨固力維持底板穩(wěn)定;另一種是反拱形斷面底板(簡(jiǎn)稱反拱底板),利用河床基巖的天然形狀把底板做成拱形,將射流沖擊荷載傳遞到兩岸山體或拱座,提高了底板的整體和局部穩(wěn)定性。近年來(lái),眾多學(xué)者在射流擴(kuò)散規(guī)律、脈動(dòng)壓強(qiáng)沿縫隙傳播規(guī)律、防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理、防護(hù)結(jié)構(gòu)的體形等諸多方面進(jìn)行了較深入的研究。但是,迄今為止,關(guān)于水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究都局限于一種“被動(dòng)防護(hù)”的模式,即在特定荷載作用下,研究如何使結(jié)構(gòu)具有抵抗這一荷載的能力,相應(yīng)的措施包括設(shè)抽排、加錨固,或加大結(jié)構(gòu)尺寸。然而,由于技術(shù)上的原因,抽排設(shè)施可能會(huì)發(fā)生機(jī)械或電氣故障而不能正常工作,或滲水量太大無(wú)法滿足要求;錨固力不可能無(wú)限制地加大;而增加底板厚度的效果只能是事倍功半。為此,有學(xué)者在水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究上作了一些工作,力圖尋求新的突破,從根本上改變防護(hù)的理念。20世紀(jì)60年代,北京水利水電科學(xué)研究院的哈煥文曾研究過(guò)消力池透水底板的水力特性。天津大學(xué)王繼敏在1995年結(jié)合烏江構(gòu)皮灘拱壩水墊塘,研究了透水反拱底板的穩(wěn)定性。烏江索風(fēng)營(yíng)水電站水墊塘的透水底板目前已經(jīng)施工。本文通過(guò)模型試驗(yàn),研究開孔率對(duì)底板水動(dòng)力荷載的影響,為水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)“主動(dòng)防護(hù)”模式在工程中的應(yīng)用作積極探索。1沖擊區(qū)底板穩(wěn)定性分析水墊塘底板塊所受上舉力的定義為上下表面動(dòng)水壓力之差。在射流沖擊區(qū)底板上下表面的時(shí)均壓強(qiáng)出現(xiàn)峰值,主要是因?yàn)楦咚偕淞鞯竭_(dá)底板后流向改變,所余動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,即對(duì)底板的沖擊壓強(qiáng)。底板上表面比下表面的時(shí)均壓強(qiáng)大,因而沖擊區(qū)底板在時(shí)均壓強(qiáng)意義上處于穩(wěn)定。但是此區(qū)域沖擊射流碰撞、水流強(qiáng)烈翻滾從而產(chǎn)生很大的脈動(dòng)壓強(qiáng),能導(dǎo)致板塊失穩(wěn)。這種水流的翻滾向水墊塘各個(gè)方向擴(kuò)散并衰減。對(duì)于不透水底板,在止水破壞的情況下,板塊間的伸縮縫和板塊與基巖間縫隙相互貫通,射流沖擊區(qū)板塊上表面的較大壓強(qiáng)勢(shì)必要沿著縫隙傳到底板的底部。脈動(dòng)壓力波幾乎瞬時(shí)傳遍縫隙,因?yàn)榈装迳舷卤砻鎵簭?qiáng)的相位不一樣,能使底板在某一瞬時(shí)產(chǎn)生很大的上舉力,可能導(dǎo)致底板失穩(wěn)。當(dāng)?shù)装彘_孔后,底板上下表面的動(dòng)水壓力經(jīng)過(guò)板間縫隙以及底板透水孔相互傳遞,使其上下表面的壓力得到釋放,減小上下表面的動(dòng)水壓力差,也就減小了底板上舉力。從這個(gè)意義上說(shuō),底板上添加透水孔能夠減小底板承受的上舉力,即減小底板的動(dòng)水荷載。2模型的建立與測(cè)量系統(tǒng)本文以某高壩水墊塘底板穩(wěn)定性研究為背景。攔河大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高250m,泄水建筑物由壩身3個(gè)表孔和2個(gè)深孔組成,壩下采用水墊塘型式集中消能。水墊塘長(zhǎng)度約217.30m,從上游到下游等寬布置,2227.0m高程處寬度為72.0m,按平底板鋪設(shè)。模型采用重力相似準(zhǔn)則,按照泄洪激振的水彈性試驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì),比尺λL=100。板塊采用加重橡膠制作,模型底板平面尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=12cm×12cm×4cm。所有板塊間都留有1mm左右的間隙以保證動(dòng)水壓力傳遞的相似性。每個(gè)傳感器都在測(cè)量前與整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)一起現(xiàn)場(chǎng)率定并在靜水中調(diào)零。在試驗(yàn)中,為了研究底板的透水性對(duì)底板整體荷載的影響,首先在模型中測(cè)量不透水底板的動(dòng)水荷載作用下的上舉力,然后在底板上增加透水孔并測(cè)量其在水荷載作用下的上舉力。本文采用透水孔在底板上均勻分布的結(jié)構(gòu)形式作為研究對(duì)象,模型示意見圖1。圖中符號(hào):H為上游水位到底板上表面高程之差,D為孔徑,x為板塊中心和沖擊點(diǎn)之間的距離,ht為水墊塘內(nèi)水墊深度。3地板力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果3.1板開孔面積與板塊面積的相關(guān)性為研究底板上舉力隨開孔率的變化規(guī)律,在相同的水力條件下,只改變底板的開孔率,研究同一板塊的上舉力的變化規(guī)律。圖2給出相同上下游水位差、同工況下底板上舉力隨開孔率的變化結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)表示底板開孔后上舉力與開孔前的比值。開孔率k為底板的開孔面積與板塊總面積比值的百分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出,底板上添加透水孔能夠有效地降低底板上舉力。底板上舉力的最大值和標(biāo)準(zhǔn)差隨著開孔率的增加而減小,且底板上舉力隨開孔率增加減小的趨勢(shì)變緩。當(dāng)?shù)装彘_孔率為4%,底板上舉力最大值和標(biāo)準(zhǔn)差分別比沒(méi)開孔的降低了約58%、50%。分析產(chǎn)生這一變化規(guī)律的原因:作用在底板上下表面的動(dòng)水壓力差形成了上舉力,當(dāng)板塊中開有透水孔時(shí),作用在底板上下表面的脈動(dòng)荷載經(jīng)過(guò)板塊間的縫隙和板中透水孔相互傳遞,由于底板上下表面的脈動(dòng)荷載方向不一致,結(jié)果使其上下表面的動(dòng)水壓強(qiáng)差減小了,因而減小了底板的上舉力。3.2種開孔形式的底板上舉力比較在前期研究的基礎(chǔ)上,保持底板開孔率相同,為了研究透水孔直徑大小對(duì)底板上舉力的影響,分別在模型水墊塘中鋪設(shè)均勻開9孔、36孔兩種形式的底板塊。研究這兩種形式的底板在泄洪時(shí),開孔前后底板上舉力比值的變化。圖3給出了在相同的水力條件下兩種板塊開孔前后上舉力比值的比較結(jié)果。由圖可以看出,兩種底板塊開孔后的底板上舉力最大值與開孔前的比值比較接近。開孔率k為3.42%時(shí),兩種開孔形式的板塊上舉力與其開孔前的比值都分布在70%附近。因此,可以認(rèn)為在同一開孔率下,透水孔的直徑對(duì)底板承受上舉力影響不大。3.3開孔率對(duì)底板上舉力的影響圖4給出了不同位置板塊上舉力隨開孔程度的變化規(guī)律,圖中板塊位置x表示板塊中心與水舌沖擊點(diǎn)的距離?？梢缘贸?水墊塘中各個(gè)位置的板塊開孔后其上舉力都能得到有效的降低。但是不同位置的板塊,其上舉力隨開孔率增加而衰減的程度不同。在沖擊點(diǎn)附近的板塊上舉力隨開孔率增加而衰減的速度要比別的位置上舉力衰減的快,而且底板上舉力的減小程度與板塊與水舌沖擊點(diǎn)的距離有關(guān)。在相同的開孔率(板塊的開孔率為4.91%)下,沖擊點(diǎn)處,底板塊上舉力比沒(méi)開孔降低了65.5%,而距水舌沖擊點(diǎn)36m(x/ht=5.625)處的板塊上舉力比沒(méi)有開孔時(shí)降低了41.3%。在相同的開孔率下,隨著底板所處位置的不同上舉力衰減規(guī)律有所不同,這是由于水舌沖擊區(qū)附近的板塊直接承受射流沖擊作用,而沖擊射流在邊壁的約束下,部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能并且水流強(qiáng)烈翻滾,使得底板上表面產(chǎn)生巨大的動(dòng)水壓強(qiáng),脈動(dòng)壓強(qiáng)沿底板縫隙傳播形成底板下表面的動(dòng)水壓強(qiáng),因此,水舌沖擊區(qū)附近的板塊上下表面的動(dòng)水壓強(qiáng)都很大;而在其他區(qū)域,水流呈平穩(wěn)流動(dòng),上下表面的動(dòng)水壓強(qiáng)相對(duì)較小。因此,在增加透水孔后,底板上下表面的壓力釋放的程度不同,導(dǎo)致塘內(nèi)各區(qū)域板塊上舉力隨開孔律變化的趨勢(shì)不同。試驗(yàn)結(jié)果表明:水墊塘中各個(gè)位置的板塊在開孔后其上舉力都得到有效地降低。但是,底板的上舉力并不是隨底板開孔程度的增大而無(wú)限制地降低。開孔率在3.5%以前,隨開孔率的增大,板塊上舉力降低的比較顯著;3.5%以后,隨著開孔率的繼續(xù)增加,底板上舉力降低的趨勢(shì)變緩。因此透水底板的開孔率應(yīng)在3.5%左右。3.4水墊塘不透水底板塊脈動(dòng)上舉力特征分析面動(dòng)水壓力是由各點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)綜合作用的結(jié)果,考慮到脈動(dòng)壓強(qiáng)基本符合正態(tài)分布(特別是在強(qiáng)紊動(dòng)區(qū))這一眾所周知的事實(shí),脈動(dòng)上舉力也應(yīng)具有正態(tài)分布的特征。眾多學(xué)者通過(guò)大量的試驗(yàn)研究得出水墊塘不透水底板塊上的脈動(dòng)上舉力基本符合正態(tài)分布,上舉力脈動(dòng)過(guò)程屬于低頻脈動(dòng)。圖5給出了無(wú)孔板塊和開孔后板塊典型上舉力的功率譜。開孔后,上舉力脈動(dòng)過(guò)程仍屬于低頻脈動(dòng),脈動(dòng)能量更集中。原因可能是在水墊塘底板開孔后,底板上下表面的動(dòng)水壓強(qiáng)差減小,致使底板的上舉力的波動(dòng)比原來(lái)小,因而脈動(dòng)能量集中于更低的頻帶。4底板開孔率對(duì)底板上舉力的影響本文以某拱壩模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了平底板上舉力隨開孔率k增大而衰減的規(guī)律,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)適當(dāng)?shù)耐杆啄軌蛴行У販p小底板上的最大上舉力,作者認(rèn)為底板的開