高坝高水头大流量泄水处理的水垫塘流道冲击模型试验研究

高坝高水头大流量泄水处理的水垫塘流道冲击模型试验研究

一、群落水舌对塘底的冲击作用水库高流量消能一直是一个问题。为了提高消能效果防止河床免受冲刷,人们对下泄水流从出口——空中——塘内等环节采取挑流——碰撞——动水垫等多种形式来消刹能量。从经济、技术等方面考虑,人们允许跌落水舌对塘底有一定的冲击作用。但是,对于如何估算跌落水舌底板的冲击作用力,从理论上和实践上来说并不完善。这给水垫塘的优化设计带来很多困难。以水动力学观点,跌落水舌对塘底的影响主要是动水压力及其脉动。影响水垫塘底板所受动水压力及脉动的因素除与坝高、泄量、泄洪布置以及地形、地质条件关系密切外,最重要的水力学条件就是水垫深度。本文主要通过实验的方法,研究涉及在单宽泄量一定的条件下,不同下游水垫深度时冲击易失稳区底板块表面及底面动水压力及脉动特性。二、模型配置和土壤维护2.1水舌下垫型图1为某工程水垫塘局部水工模型示意图。模型比尺1∶100,按重力相似准则设计,泄水表孔堰顶至下游水垫塘底落差2.60m,水槽宽度0.66m,槽底为固定的0.02m厚的PVC板模拟底板下的基岩,槽底高程965m(原型)。溢流表孔净宽11cm,溢流堰堰顶高程1225m(原型),出口俯角下倾20°,出口净宽17.5cm。试验流量取校核洪水位(堰顶水头18cm)对应的单宽流量17.20l/s。水垫深度范围29～45cm,变换5～7个水位。在上述实验条件下,水舌自由扩散,不受边墙约束,并在水槽中产生淹没射流。水舌入水流速u0为6.07m/s,入水水舌厚度0.63cm,入水角θ为71°～74°,底板块尺寸取13×13×3cm,用混凝土制成,容重取γ=2.4t/m3,底板块直接铺设在槽底板上,底板块之间无连结,即模拟底板块四周止水完全破坏后的情况;底板块与槽底之间无任何连结,即模拟锚固失效的情况。此时,底板块完全可以视为脱离体。2.2底板块振动的稳定性在上述实验条件下,试验结果为:在校核洪水位条件下,水垫深度为41cm以下时,容重为2.4t/m3的底板块开始振动,进一步降低水垫深度到36cm时,底板块振动加剧并可能上浮出穴。重复上述试验所得的结果基本一致(试验详细分析另文发表)。三、底板块底板脉冲压力根据上述实验,测量出射流挑距为130cm左右(泄流出口距水舌在底板上的冲击点之间的水平距离),据此将压力测点布置在冲击点附近,具体布置如图1所示。五个测点沿水槽的中心线布置,第一个测点距溢流表孔出口100cm(原型100m),各测点之间的距离为13cm(原型13m)。本实验对冲击区底板块的底面和表面分别进行的脉动压力的测量,各测点编号如下:测量底板块表面脉动压力时测点编号依次为表面1#、表面2#、表面3#、表面4#、表面5#(在以后分析中分别用A1#、A2#、A3#、A4#、A5#表示);测量底板块底面脉冲压力时测点编号依次为底面1#、底面2#、底面3#、底面4#、底面5#(在以后分析中分别用B1#、B2#、B3#、B4#、B5#表示),底面测点与表面测点在同一垂线上。测点位置安装直径为0.003m的单晶硅压阻式传感器(CY型),压力信号用TEAC公司生产的动态应变仪放大,最后经动态信号分析仪HP3567A由微机控制完成数据采集和处理,采样步长为0.01s,采样历时为20.48s。这里指明,以下涉及动水压力值均扣除了水垫深度所表示的静水压力。在校核洪水位下,底板表面时均冲击动压ΔP、最大冲击动压ΔPmax及脉动压强均方根σ的纵向分布如图2。从图2中可以看出,底板表面2#(即A2#)测点的压力脉动最为剧烈,其它测点压力强度均较小。以后在分析中把A2#测点所在的位置视为压力滞点。实验也对底板底面脉动压力进行了测量,底板块底面脉动压力特性与底板表面脉动压力分布相似(如图3)。在脉动压力测试过程中,当水垫深度ht在45cm时,所有底板块处于稳定状态,当水垫深度在39cm附近时,可以观察到底面3#(即B3#)测点位置上的底板块偶而作微小的上下振动,继续降低水垫深度,直到水垫深度降低到25cm底板块出穴时测量停止。比较图2和图3中可以看出,时均动水压力对底板失稳的影响是很重要的。在研究射流冲击作用下冲坑内岩块的起动和水垫塘底板的失稳时,大多数研究者认为脉动压力是造成破坏的主要因素。随着研究的进一步深入,人们对时均上举力的研究越来越重视。文献的研究也表明,冲击底部岩块的时均上举力最高可达到岩块静水浮力的165%,如对于3m厚的岩块(或砼板),即相当于4.8m的水头,而且这只是冲击点岩块的实验结果,在冲击点下游这种数值可能更大。因此,本文对易失稳区底板块所受的时均上举力也进行了研究。四、第1类:底板受动水压力从上节的实验结果可知,3#测点位置上的底板块最容易失稳。把被测底板块放置在如图1所示的模型中的3#测点位置,其它条件如2节所述,试验流量取校核洪水位(堰顶水头18cm)对应的单孔流量17.20l/s。水垫深度范围29～45cm,变换5～7个水位。被测底板块表面及底面上的脉动压力测点布置如图4所示。沿水流方向在被测底板块表面及底面的中心线等间距各布置3个脉动压力传感器。压力测点编号如下:底板块表面测点顺水流方向依次为d#、e#、f#,底板块底面测点顺水流方向依次为D#、E#、F#。本试验对3#测点位置上的底板块表面及底面的脉动压力同步进行了测量。所谓同步测量就是对底板块表面及底面各测点的脉动压力同时进行采集,它得到的是同一时间内各个测点的脉动压力信号。为便于以后分析,将底板所受动水压力作如下定义:图5为被测单体板块三个不同位置上的时均上举力。这里用底板块底面与表面时均动水压力差来计算底板块受到的时均上举力,即pDd,pEe,pFf。从图中可以看出,随着下游水垫深度的增加,板块时均上举力有减小的趋势。时均动压分布呈现“中间大,两边小”的特点,而且上游边的时均动压略大于下游边,这是导致底板块在振动时出现抬头现象的原因之一。将底板块三个位置上的时均上举力求算术平均值,可以得到整个底板块的时均上举力。在本实验条件下其时均上举力已经达到底板块静水浮力的2倍以上,其对于底板稳定性的影响是相当重要的。不过,实验同时发现,当水垫深度为39cm时,底板块的时均上举力并没有大于底板的自重,但底板块已经出现振动,因此,仅仅是时均上举力的作用是不能导致底板失稳的。最终导致底板失稳是时均上举力和脉动上举力共同作用的结果。表1为被测底板块实测脉动压力的统计结果。用底板底面时均压力减去底板表面时均压力的压力值和同步测量叠加所得到的时均上举力进行比较(见表1),其数值一致,这表明测试方式(指底板底面与表面的动水压力分别测量和同步测量)对底板所受上举力的时均值影响不大。分别对应比较p′Ddmax,p′Eemax,p′Ffmax与p′Dmax-p′dmin,p′Emax-p′emin,p′Fmax-p′fmin,可以看出,前者比后者减小约20%～40%,叠加后脉动上举力均方差也大大减小,产生上述较大差别的原因在于板块上、下表面对应位置上的各点脉压具有一定的相关性。表2为板块各测点脉动压力互相关系数(表面以d#为参考点,底面以D#为参考点)。从图中可看出,随着水垫深度的增加,各点相关性增强,而且底面各测点的相关性明显大于表面各点。严格地说,底面各点的脉压应该与缝口的脉压有关。若用的脉动压力近似作为底板块缝口的脉动压力,则从表2中可以看出,底板底面脉动压力与缝口脉压仍具有一定的相关关系,但要小于底板底面各点之间相关性。本文的实验结果与文献的实验结果相比,表面各点互相关系数偏大,底面各点互相关系数大致相等。但从总体来说规律基本上是一致的。五、水垫塘底板稳定性计算应考虑底板的时均上举力通过以上测试结果的分析,对射流冲击作用下,水垫塘底板脉动压力特性可得出以下几点认识。1.水垫深度是影响底板所受脉压幅值和相关特性的最主要因素,随着水垫深度的增加,脉压幅值减小而相关性增大。2.在一定的水垫深度下,底板所受时均上举力很大,水垫塘底板稳定性计算应考虑时均上举力的作用。3.通过板块表、底面脉压的同步测量结果的分析表明,表、底面脉压有一定的相关性,因此,有必要深入研究底板的表面和底面脉动压力传播特性及其相互关系。应该指出,底板所受脉动压力及其相互关系极其复杂,本文主