透水底板防护结构的安全稳定性分析

透水底板防护结构的安全稳定性分析

“宽尾墩消耗池”的联合消能工是中国首次消能方法。目前，它已广泛应用于康安、五强溪、朝阳山、岩滩、索峰营等高洪水消能机。实践表明，它具有良好的消能效应。但由于宽尾墩射流冲击下消力池水流流态及水动力荷载特性异常复杂,工程中不乏有底板锚筋被拔出,甚至底板被掀翻的破坏实例。因此射流冲击下消力池防护结构的安全稳定性是实现消能防冲目的的关键所在。近年来,众多学者对防护结构的安全稳定性进行了大量研究,研究成果主要集中在两方面:一是作用在防护结构上的荷载;二是在荷载作用下防护结构的安全稳定性。但迄今为止,水垫塘防护结构稳定性研究大都陷于一种“被动防护”的状态,即在既定荷载作用下,研究如何使结构具备抵抗这一荷载的能力,或设抽排,或加锚固,亦或加大结构尺寸。然而,由于技术上的原因,有时上述各种手段在巨大的动水荷载面前显得无能为力。即便像二滩那样目前运行状态良好,一旦底板止水遭到破坏,后果将很严重。这种被动防护理念势必会造成上述被动的局面,几乎所有已建、在建和拟建工程都将面临同样威胁。面对潜在威胁,人们提出了一种有效抵抗水动力荷载的防护结构——透水底板,其从“主动防护”的观念出发,通过改变防护衬砌的结构形式,主动降低作用在防护结构上的荷载,达到防护结构安全稳定性的目的。20世纪60年代,哈焕文曾研究过透水护坦的水力特性,研究表明:透水护坦可减小作用在其上的水流脉动荷载。杨敏和孙勉结合拉西瓦拱坝消力塘研究了反拱透水底板水动力特性,试验结果表明:板块开孔对射流冲击区板块上举力减小作用明显,上举力随开孔率的增加而减小且减小趋势变缓;文中建议底板开孔率k=3.5%为宜;透水孔直径D对底板上举力影响不大。张少济和杨敏结合拉西瓦消力塘透水底板水工模型试验初步阐述了透水底板减压降载机理。乌江索丰营水电站消力池透水底板目前正处于施工中。透水防护结构的优势更体现在检修和非泄洪期间,其可释放因排水不畅而产生的扬压力,因而可以不设(或简化)抽排设备,简化消力塘设计,减少工程投资,同时提高防护结构的安全性。前人研究大都局限于挑跌流水垫塘反拱形透水底板,而对底流消力池平底透水底板的研究很少涉及。研究消力池平底透水底板的脉动压力特性,能够促进人们对这一新型防护结构的认识,丰富透水底板水动力特性的相关研究,为科研设计单位提供技术参考,推动“主动防护”模式的防护结构在工程上的应用。1实验模型与传感器本文依托阿海水电站宽尾墩消力池,研究了宽尾墩射流冲击下消力池平底透水底板脉动压力特性。该水电站坝型为混凝土重力坝,最大坝高138m,最大单宽流量178m2/s,临底流速达40m/s,装机容量2000MW。溢洪道泄洪表孔由5孔组成,堰顶高程均为1484m,其后为阶梯坝段,阶梯坝坡度1∶0.75,阶梯尺寸1.2m×0.9m,阶梯末端为半径27.5m的反弧段。闸墩末端设置“X”型宽尾墩。消能区采用平底等宽底流消力池,池长95.5m,净宽93m。溢洪道布置示意图见图1。模型按重力相似准则设计,比尺λL=80。板块采用加重橡胶制作,模型板块尺寸长×宽×厚=26.25cm×22.50cm×5cm。所有板块间均留有1mm左右的间隙以保证动水压力传递的相似性。在消力池中间顺水流向两列板块安装传感器:一列板块下安装5个测力传感器,测量底板所受上举力;另一列板块上下表面布设32个脉动压力传感器(上表面编号s1～s16,下表面编号x1～x16),同步测量底板上下表面的水流脉动压力。实验前,将所有传感器与测量系统在现场率定并在静水中调零。传感器布置见图1,采用透水孔在底板上均匀分布的透水底板形式,两种开孔孔径(原型数据)d=7.6cm(k=0.06%),d=16cm(k=0.07%,k=0.16%,k=0.26%)。点脉动压力测量采用中国水利水电科学研究院的64通道DJ800采集系统进行数据采集与分析,脉动传感器为硅压阻式差压传感器。根据Nyquist采样定理,对于频带宽度为A(Hz)的随机信号,采样频率应满足f≥2A,由前人的试验资料,消力塘内水流脉动压力能量主要集中在0～15Hz低频段,所以本试验取采样频率f=50Hz,样本容量N=4096,数据分析时的截断频率为25Hz。图2为典型工况实测点脉动压力时程线,可见消力塘内水流脉动过程属于平稳随机过程,因此可以利用概率统计理论对随机信号进行幅域、时域和频域指标分析。2土壤上下表面的动脉压特性2.1底板下表面脉动压力用点脉动压力传感器同步测量底板上下表面点脉动压强,并用脉动压强系数ξ=√¯p′2/Η(其中p′表示实测脉动压强)表示其幅值特性,其沿程分布见图3。由图3可知,点脉动压强系数ξ分布具有“底流+挑跌流”分布特性:在宽尾墩射流冲击的消力池首部出现峰值,之后迅速降低,在x/h=0.3左右出现最小值,之后沿程升高,并在水流强旋滚区x/h=0.6～1.0区域再次出现峰值,之后平稳减小,受二道坝影响在消力池尾部有所上升。底板下表面脉动压强系数ξ与上表面有相似的分布规律,只是幅值有所衰减,原因是板块上下表面的压强脉动为同源脉动,下表面脉动压强是底板上部水体强烈紊动所产生的脉动压强沿缝隙传播到底板下表面所致。底板开孔前后,底板上表面ξ基本不变,下表面ξ则在消力池前部随开孔率的增大而增大,消力池后部则相反,这是由于消力池前部板块表面水流紊动剧烈,通过缝隙及透水孔进入底板下表面的强烈紊动水流沿程难以有效释放,而消力池后部板块表面水流紊动相对较弱,下表面的水流脉动压力得以有效释放,且随开孔率的增大,释放强度提高。脉动压力幅值的一个重要特性就是概率密度分布函数,往往关心其分布的正态性。由图4可知:底板上下表面水流脉动压力概率密度近似符合正态分布,下表面测点的概率密度分布比上表面的显瘦高,且随底板开孔率的减小而更显瘦高,其幅值范围也相应减小,这与图3反应的规律相符。此外注意到底板下表面概率密度函数随着开孔率的增大更接近于正态分布,这对于最大振幅估计参数K(脉动压力均方差的倍数)的取值具有指导意义。2.2空间积分尺度的沿程变化时空相关系数表征不同空间点在不同时刻脉动压力间的相互依赖关系,反映大尺度涡旋在一定空间范围内保持其尺度随时均流向下游传播。顺水流向时空相关系数表示为ρ(x,l,τ)=¯p′(x,t)⋅p′(x+l,t+τ)[¯p′2(x,t)⋅¯p′2(x+l,t+τ)]1/2(1)式中τ为时间延迟,s;当τ=0时,ρ(x,l)为瞬时空间相关系数;l为两测点顺流向间距,m;p′(x,t)表示顺流向点x处t时刻的脉动压力;p′(x+l,t+τ)表示与x点相距l的点x+l处t+τ时刻的脉动压力;¯p′(x,t)⋅p′(x+l,t+τ)为x和x+l两点处脉动压力时间平均值。ρ(x,l)反映涡旋特征尺度大小。考虑两种极端的情况:当l小于水流中最小涡旋的尺度时,ρ(x,l)=1;当l大于水流中最大的涡旋尺度时,ρ(x,l)=0。紊流大涡旋尺度的平均尺度可以用脉动压力空间积分尺度来表征。脉动压力的空间积分尺度决定具有同相位变动的脉动壁压区间的大小。顺水流向脉动压力空间积分尺度Lx定义如下:Lx=∫l00ρ(x,l)dl(2)其中l0为第一个使ρ(x,l)=0的l值。其它参数含义同上。图5给出了板块表、底面脉动压力顺水流向空间积分尺度的沿程变化规律,由图5可知,底板下表面空间积分尺度明显大于上表面;板块开孔前后,底板下表面脉动压力空间积分尺度沿程分布一致,但开孔后的值有所降低,这符合瞬变流理论。底板下表面空间积分尺度图中出现明显的峰值点a1、a2、a4,且峰值点a1、a2、a4分别对应顺水流向板块与板块间的接缝测点x1、x5、x11,这是由于板块表面水流通过板块间的接缝进入板块底面并沿缝隙传播开来,下游各测点与缝隙处测点相关性较高,由式(2)可知接缝处空间积分尺度较大,至于与缝隙测点x8对应的点a3未出现峰值,原因是缝隙测点x5处强大的水流脉动压力沿缝隙传播将其掩盖的结果。此外注意到峰值点a2(a4)前一点b1(b2)值较小,原因是缝隙测点x5(x11)入口水流脉动压力沿缝隙往下游传播,而上一缝隙处的水流脉动压力沿程衰减,传到此处(b1、b2)时脉动强度已经很弱,故此处(b1、b2)与下游各测点相关性较小,所以空间积分尺度较小。综合分析图5空间积分尺度在板块开孔前后的变化,可知板块下表面水流脉动压力相关性明显好于上表面,表明脉动压力在缝隙中有传播;板块开孔后,总体降低了底板下表面水流脉动压力的互相关性,改变了底板下表面脉动压力传播规律。取射流冲击下消力池首部板块为研究对象,考察板块上下表面脉动压强的互相关性,以期初步探讨透水底板减压降载机理。图6为板块上下表面互相关函数图,可知底板开孔增大了板块上下表面脉动压强互相关性,且均为正相关,说明底板上下表面脉动压力变化具有相似的趋势,即底板上表面压力变大,下表面压力也变大,反之亦然。由2.1节可知,底板开孔增大了底板下表面的脉动压强,这就更清楚地说明板块上举力随板块开孔率的增大而降低。这是因为板块开孔率越大,脉动压强传到底板下表面的机会越多,由于透水底板上下表面的相关性提高,且发生相位差,作用在板块上的动水压差因板块均化作用加强而降低,进而降低上举力。可见透水底板“主动”降低了作用在其上的动水荷载,有助于提高底板的安全稳定性。图7为水流脉动压力的自相关函数图,反映出底板表、底面水流脉动压力自相关函数具有相似的变化规律。板块上举力定义为板块上下表面动水压力之差,为板块表、底面动水压力综合作用的结果。为了研究底板开孔前后,底板所受的整体荷载的变化,用测力传感器测量板块上举力。图8给出了消力池首部板块最大上举力随开孔率的变化,可知板块最大上举力随开孔率的增大而降低。图8中Fk为开孔率为k(k=0、0.06%、0.16%、0.26%)时最大上举力。2.3脉动能量分析功率谱密度表征脉动能量在频域上的分布情况。图9为典型工况点脉动压力功率谱密度。由图9可知:宽尾墩射流冲击下消力池底板上下表面水流脉动压力具有明显低频特性,脉动能量主要分布在0～1.5Hz以内。透水底板下表面脉动能量较不透水底板有所升高,这是由于底板开孔,增大了底板上下表面的相关性(图6),使得透水底板下表面水流受上表面影响较大,水流紊动加剧所致。3底板下表面水流脉动压力基于某宽尾墩消力池水工模型试验,系统地研究了宽尾墩射流冲击下消力池平底透水底板的脉动压力特性,主要得出以下结论:(1)底板开孔(开孔率k<0.3%)后,底板上表面水流脉动压力基本不变,而消力池前部底板下表面水流脉动压力有所增大,消力池后部则有所降低。与底板上表面相比,底板下表面水流脉动