折坡消力池在江湖中的抗浮稳定性研究

折坡消力池在江湖中的抗浮稳定性研究

为了改善嘉江地区的客运状况，根据嘉江航空公司的发展计划，嘉江通往重庆的航道上计划建设17个枢纽。嘉陵江属典型的山区河流,具有坡降陡,水流急,洪、枯水位变幅大等特点,受这些特点的限制,嘉陵江上已建、在建或规划的枢纽梯级大多为低坝枢纽,其消能工多采用折坡消力池底流消能。为了解决好消能问题,在消力池内一般布置有消力墩,以形成强迫水跃。水跃内部存在强烈的流速脉动并在护坦表面产生强烈的脉动压力。当脉动压力的方向和护坦面的方向相同时,对底板产生上举力;反之则产生下座力。在这种反复载荷作用下,底板会产生一定强度的振动,导致消力池护坦与基岩产生裂缝;若伸缩缝间止水不良,动水脉动压力可能会传至底板下面。由于紊动脉动在空间和时间上都是随机性的,因而有可能在瞬时使整个护坦的上、下两面同时受到上举力,若上举力比消力池护坦的重力和钢筋的抗拉应力大,护坦则可能被上抬,最终导致失事。湖南省沅水五强溪水电站1996年7月遭受特大洪水,受到闸门开启方式的限制,消力池较长时期处于十分恶劣的水流运行状态,右消力池(宽尾墩-消力池),部分底板块被水流掀起冲走,基岩冲坑深度超过30m。事故分析表明,板块失事的主要原因是:闸孔的非常开启运行,造成消力池内出现极不稳定的远驱式水跃,高速水流冲击、紊动剧烈,底板上紊流脉动压力加剧,使脉动压力传入板块下的缝隙层中,在板块上形成强大的脉动上举力,从而引起板块揭底破坏。消力池护坦的稳定是关乎枢纽消能乃至影响整个大坝安全的重要因素之一,而低坝枢纽中水跃产生的脉动上举力又直接影响护坦稳定。本文通过对嘉陵江苍溪枢纽的研究,为嘉陵江其他相似工程消力池护坦稳定性计算提供依据。1防洪闸和消力池苍溪枢纽位于嘉陵江干流中游,是嘉陵江广元至重庆段17级梯级渠化开发方案中的第3级。苍溪枢纽大坝轴线全长515.26m,从左至右依次布置有左岸挡水坝、电站厂房、1孔冲砂闸、15孔泄洪闸和船闸。苍溪枢纽泄洪(冲沙)闸净宽12.0m,净高27.8m,闸室长30m,底板高程363.0m。泄洪(冲沙)闸后采用1∶4斜坡接消力池,用底流(水跃)方式消能,消力池底板高程360.5m,池深3.5m,池长48m。其中1~6号闸室后消力池护坦相对较厚,约为4m,其余闸段护坦相对较薄,约为2.5m。消力池护坦板块尺寸为15.5m×12m,用间排距为2.0m×3.5m的钢筋进行锚固。护坦上设“T”形消力墩和差动式齿坎两种辅助消能工,其中“T”形消力墩位于护坦中部,差动式齿坎位于护坦末端。2模型试验结果分析和讨论试验选取了2.5m厚的3孔闸(7~9号)进行模拟(见图1),受到模型边界条件的影响,选用中孔闸(8号)后消力池护坦进行研究。为了保证模型制作的相似性,根据重力相似准则,选取1∶45的模型比尺,其他比尺均遵从佛汝德定律。对于水流脉动频率的模型相似率,目前存在两种见解。其一是由流体力学的基本方程出发导出的模型相似率,该结论与重力相似准则一致。而另外一种则是由原形观测和不同比尺的模型试验得出的经验模型相似率。根据SL158—95《水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程》,选用第一种见解,即认为水流压力脉动仍然服从佛汝德模型相似定律。试验时对护坦底部和顶部同时布置传感器,对底面和顶面所受到的脉动压力进行同步测量。脉动压力测量系统主要由压力传感器、动态应变仪、A/D转换板和计算机处理系统组成。脉动压力传感器采用陕西宝鸡华瑞传感技术研究所生产的固态压阻传感器,测量前需要对压力传感器进行标定,以保证压力传感器的压强水头与输出电压之间保持良好的线性关系;传感器输出信号由动态应变仪转换成标准输出信号,后经A/D转换板输入计算机进行处理;采样后的数据直接以数据文档形式储存在硬盘上,数据处理和分析是通过自行开发的c++语言程序来完成的。为了保证采样的有效性,根据动态数据采样的奈奎斯特定理,对于带宽为B(Hz)的随机信号,采样频率应选取fc≥2B,考虑到消力池水跃区的频谱分布主要集中在低频区,一般为0~10Hz,选取采样频率fc=50Hz,相应的采样间隔时间为0.01s,采样容量N=1024,采样记录的总历时T=10.24s。为了确保每个测点采用的可靠性和代表性,试验采用10组采用样本结果的平均值作为最终结果。3护坦顶面脉动压力根据承载极限状态规定,对消力池护坦进行抗浮稳定性计算时应该选取最不利的工况。通过试验资料分析,上下游水头差越大、下游水位越低则消力池护坦越不稳定。为了加强计算的可靠性,根据试验工况的特点,选取水头H=16m,上游来流量Q=2000m3/s和5000m3/s作为代表工况。此外,试验中还在消力池不同位置布置了若干测点,根据试验资料分析,消力墩前形成强迫水跃,其后水流相对较为平静,故脉动上举力最大区域位于消力墩前最不稳定区域,即消力墩前1号测点所在板块(见图1),本文中选取该板块上测点作为脉动压力稳定性分析的代表测点。对脉动压力信号的处理主要包括:脉动压力波形图、时均压强,均方根σ,脉动压力最大值p′max和最小值p′min,脉动强度系数Cp′、紊动强度系数CV和功率谱密度S(f)。代表测点脉动压力波形见图2。从图2中可以看出,随机数据平均值波动很小,时域波形的峰谷变化较均匀,波峰和波谷、高峰和低峰交错出现,无明显相对集中现象;波形的频率结构基本一致,疏密相间,无明显的连续低频段或连续高频段,因此,可认为该随机数据是平稳的。代表工况下代表测点的脉动压力特征值见表1。代表测点功率谱密度曲线见图3。由图3可知,消力池底板上水流能量集中于0~10Hz(按重力相似准则计算为0~1.5Hz),显示出明显的低频优势,表明消力池内底板上的脉动压力主要是由强紊动水流所造成的,其低频大尺度涡漩对脉动压强的幅值起主要作用。其优势频率远低于消力池护坦的自振频率,因此该低频脉动将不会引起消力池护坦共振。根据苍溪枢纽工程消力池护坦的布置特点,其板块尺寸为15.5m×12m,厚度为2.5m,采用间排距均为2m×3.5m的锚筋锚固。其稳定性条件的数学形式为:式中,G为底板的重力,G=γcAd,其中,γc为混凝土容重,取24kN/m3,A为护坦板块的面积,d为护坦的厚度;FR为底板和基岩的锚筋力,FR=(γr-10)ηTA,其中,γr为基岩容重,取27kN/m3;η为锚固地基有效深度折减系数,取0.95,T为锚固地基有效深度,T=S-L/3,S为锚筋锚入地基的深度,L为锚筋间距;F上为上举力,它是时均上举力和脉动上举力的总和,对于时均上举力和脉动上举力的计算都应采取同步叠加的方法进行。,其中,为作用在护坦底面的时均压力,为护坦顶面时均压力,为了计算的可靠性,通常取护坦顶面所受到的最小时均压力,即:主要是指护坦底面所受到的扬压力Fu,其中包括渗透压力Fs和浮托力Fb。对于本试验,由于测量了护坦顶面所受到的压力,其可取底面所受到的最大时均压力,即。由于采用同步叠加计算,则则是作用在护坦顶面脉动压力代表值P顶fr′与作用在护坦底面最大脉动压力P底fr′的和,同样采用同步叠加方式计算,即。作用在一定面积上的脉动压力代表值Pfr′=βmpfr′A,其中,βm为面积均化系数,pfr′为脉动压强代表值,pfr′=2.31σ。为了表达护坦的稳定性,引入稳定系数K,K可按下式计算,K越大,结构越稳定。根据上述计算公式,计算出最不稳定时的上举力、自重力及稳定系数见表2。从表2中可以看出,在最不利工况下,计算出稳定系数K=1.73>1,表明此时消力池底板是稳定的。4水跃动力池护坦抗浮稳定验算本文结合嘉陵江苍溪枢纽工程,对低坝下游折坡消力池抗浮稳定性进行了初步的研究,研究表明:(1)苍溪枢纽工程采用底流消能形式,利用水跃产生的强烈紊动消能,根据实测的水跃脉动压力信