水垫塘透水底板水动力特性试验研究

水垫塘透水底板水动力特性试验研究

0水垫塘防护结构稳定性研究狭窄河谷中的高坝下游消能防冲是影响水库稳定性的中心问题。通常采用的工程措施是以混凝土保护河床基岩,用钢筋锚固底板于基岩形成水垫塘底板,靠塘内一定深度和一定量的水体,以三元水跃旋滚消杀水流能量,确保水流与下游合理衔接。目前,已经运行和正在设计的水垫塘底板的形式有两种:一种是梯形断面底板(简称平底板),依靠自重和锚固力维持底板稳定;另一种是反拱形断面底板(简称反拱底板),利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形,将射流冲击荷载传递到两岸山体或拱座,提高了底板的整体和局部稳定性。近年来,众多学者在射流扩散规律、脉动压强沿缝隙传播规律、防护结构失稳机理、防护结构的体形等诸多方面进行了较深入的研究。但是,迄今为止,关于水垫塘防护结构稳定性的研究都局限于一种“被动防护”的模式,即在特定荷载作用下,研究如何使结构具有抵抗这一荷载的能力,相应的措施包括设抽排、加锚固,或加大结构尺寸。然而,由于技术上的原因,抽排设施可能会发生机械或电气故障而不能正常工作,或渗水量太大无法满足要求;锚固力不可能无限制地加大;而增加底板厚度的效果只能是事倍功半。为此,有学者在水垫塘防护结构的研究上作了一些工作,力图寻求新的突破,从根本上改变防护的理念。20世纪60年代,北京水利水电科学研究院的哈焕文曾研究过消力池透水底板的水力特性。天津大学王继敏在1995年结合乌江构皮滩拱坝水垫塘,研究了透水反拱底板的稳定性。乌江索风营水电站水垫塘的透水底板目前已经施工。本文通过模型试验,研究开孔率对底板水动力荷载的影响,为水垫塘防护结构“主动防护”模式在工程中的应用作积极探索。1冲击区底板稳定性分析水垫塘底板块所受上举力的定义为上下表面动水压力之差。在射流冲击区底板上下表面的时均压强出现峰值,主要是因为高速射流到达底板后流向改变,所余动能一部分转化为势能,即对底板的冲击压强。底板上表面比下表面的时均压强大,因而冲击区底板在时均压强意义上处于稳定。但是此区域冲击射流碰撞、水流强烈翻滚从而产生很大的脉动压强,能导致板块失稳。这种水流的翻滚向水垫塘各个方向扩散并衰减。对于不透水底板,在止水破坏的情况下,板块间的伸缩缝和板块与基岩间缝隙相互贯通,射流冲击区板块上表面的较大压强势必要沿着缝隙传到底板的底部。脉动压力波几乎瞬时传遍缝隙,因为底板上下表面压强的相位不一样,能使底板在某一瞬时产生很大的上举力,可能导致底板失稳。当底板开孔后,底板上下表面的动水压力经过板间缝隙以及底板透水孔相互传递,使其上下表面的压力得到释放,减小上下表面的动水压力差,也就减小了底板上举力。从这个意义上说,底板上添加透水孔能够减小底板承受的上举力,即减小底板的动水荷载。2模型的建立与测量系统本文以某高坝水垫塘底板稳定性研究为背景。拦河大坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高250m,泄水建筑物由坝身3个表孔和2个深孔组成,坝下采用水垫塘型式集中消能。水垫塘长度约217.30m,从上游到下游等宽布置,2227.0m高程处宽度为72.0m,按平底板铺设。模型采用重力相似准则,按照泄洪激振的水弹性试验模拟设计,比尺λL=100。板块采用加重橡胶制作,模型底板平面尺寸为长×宽×厚=12cm×12cm×4cm。所有板块间都留有1mm左右的间隙以保证动水压力传递的相似性。每个传感器都在测量前与整个测量系统一起现场率定并在静水中调零。在试验中,为了研究底板的透水性对底板整体荷载的影响,首先在模型中测量不透水底板的动水荷载作用下的上举力,然后在底板上增加透水孔并测量其在水荷载作用下的上举力。本文采用透水孔在底板上均匀分布的结构形式作为研究对象,模型示意见图1。图中符号:H为上游水位到底板上表面高程之差,D为孔径,x为板块中心和冲击点之间的距离,ht为水垫塘内水垫深度。3地板力学试验的结果3.1板开孔面积与板块面积的相关性为研究底板上举力随开孔率的变化规律,在相同的水力条件下,只改变底板的开孔率,研究同一板块的上举力的变化规律。图2给出相同上下游水位差、同工况下底板上举力随开孔率的变化结果。图中纵坐标表示底板开孔后上举力与开孔前的比值。开孔率k为底板的开孔面积与板块总面积比值的百分数。从图中可以看出,底板上添加透水孔能够有效地降低底板上举力。底板上举力的最大值和标准差随着开孔率的增加而减小,且底板上举力随开孔率增加减小的趋势变缓。当底板开孔率为4%,底板上举力最大值和标准差分别比没开孔的降低了约58%、50%。分析产生这一变化规律的原因:作用在底板上下表面的动水压力差形成了上举力,当板块中开有透水孔时,作用在底板上下表面的脉动荷载经过板块间的缝隙和板中透水孔相互传递,由于底板上下表面的脉动荷载方向不一致,结果使其上下表面的动水压强差减小了,因而减小了底板的上举力。3.2种开孔形式的底板上举力比较在前期研究的基础上,保持底板开孔率相同,为了研究透水孔直径大小对底板上举力的影响,分别在模型水垫塘中铺设均匀开9孔、36孔两种形式的底板块。研究这两种形式的底板在泄洪时,开孔前后底板上举力比值的变化。图3给出了在相同的水力条件下两种板块开孔前后上举力比值的比较结果。由图可以看出,两种底板块开孔后的底板上举力最大值与开孔前的比值比较接近。开孔率k为3.42%时,两种开孔形式的板块上举力与其开孔前的比值都分布在70%附近。因此,可以认为在同一开孔率下,透水孔的直径对底板承受上举力影响不大。3.3开孔率对底板上举力的影响图4给出了不同位置板块上举力随开孔程度的变化规律,图中板块位置x表示板块中心与水舌冲击点的距离。可以得出,水垫塘中各个位置的板块开孔后其上举力都能得到有效的降低。但是不同位置的板块,其上举力随开孔率增加而衰减的程度不同。在冲击点附近的板块上举力随开孔率增加而衰减的速度要比别的位置上举力衰减的快,而且底板上举力的减小程度与板块与水舌冲击点的距离有关。在相同的开孔率(板块的开孔率为4.91%)下,冲击点处,底板块上举力比没开孔降低了65.5%,而距水舌冲击点36m(x/ht=5.625)处的板块上举力比没有开孔时降低了41.3%。在相同的开孔率下,随着底板所处位置的不同上举力衰减规律有所不同,这是由于水舌冲击区附近的板块直接承受射流冲击作用,而冲击射流在边壁的约束下,部分动能转化为压能并且水流强烈翻滚,使得底板上表面产生巨大的动水压强,脉动压强沿底板缝隙传播形成底板下表面的动水压强,因此,水舌冲击区附近的板块上下表面的动水压强都很大;而在其他区域,水流呈平稳流动,上下表面的动水压强相对较小。因此,在增加透水孔后,底板上下表面的压力释放的程度不同,导致塘内各区域板块上举力随开孔律变化的趋势不同。试验结果表明:水垫塘中各个位置的板块在开孔后其上举力都得到有效地降低。但是,底板的上举力并不是随底板开孔程度的增大而无限制地降低。开孔率在3.5%以前,随开孔率的增大,板块上举力降低的比较显著;3.5%以后,随着开孔率的继续增加,底板上举力降低的趋势变缓。因此透水底板的开孔率应在3.5%左右。3.4水垫塘不透水底板块脉动上举力特征分析面动水压力是由各点动水压强综合作用的结果,考虑到脉动压强基本符合正态分布(特别是在强紊动区)这一众所周知的事实,脉动上举力也应具有正态分布的特征。众多学者通过大量的试验研究得出水垫塘不透水底板块上的脉动上举力基本符合正态分布,上举力脉动过程属于低频脉动。图5给出了无孔板块和开孔后板块典型上举力的功率谱。开孔后,上举力脉动过程仍属于低频脉动,脉动能量更集中。原因可能是在水垫塘底板开孔后,底板上下表面的动水压强差减小,致使底板的上举力的波动比原来小,因而脉动能量集中于更低的频带。4底板开孔率对底板上举力的影响本文以某拱坝模型试验为基础,研究了平底板上举力随开孔率k增大而衰减的规律,得出以下几点结论:(1)适当的透水孔能够有效地减小底板上的最大上举力,作者认为底板的开