水垫塘消能布置的整体模型研究

水垫塘消能布置的整体模型研究

平山水库是一个集能源、防洪、防洪于一体的大型节水灌溉。但白山大坝泄洪时引起的飞石、溅水、降雨对坝下两岸影响比较严重,两次较大的泄洪如:1986年、1995年,由河中溅起的飞石砸碎了开关站的设备,开关站受到暴风骤雨的袭击,二期厂房由门窗进水,一期厂房前公路冲毁,布满了碎石等等,严重影响了电站的正常运行及两岸人们的生活、工作。此外拟建的白山抽水蓄能电站位于白山水电站大坝下游140m左右,于大坝冲坑下游。通过水工模型试验证明该泵站进/出水口的布置受到大坝泄洪冲刷的制约,泵站进/出水口的引渠淤堵现象严重,将影响泵站的正常运行。针对上述问题,决定在白山大坝下游修建水垫塘加以解决。试验即是为水垫塘底板块的设计与防护提供了科学依据。水垫塘设计体形为浅宽型,底宽80m,底高程270.0m,在表孔和深孔联合泄洪工况下水垫深度仅有30.2m。水垫塘底板块间横向设有键槽、纵向设有矩形直缝,并设有塑料和紫铜两层止水。1试验模型和模块系统结构介绍1.1试验运行及沿程布置本项研究是在1:35的白山水电站整体模型上进行的。白山水电站为单曲三圆心混凝土重力拱坝,坝顶高程423.5m,最大坝高149.5m,坝身设有4表孔和3深孔,下游设水垫塘消能型式。其中表孔宽度12m、高度13m,堰顶高程404m,表孔编号依次为14#、16#、18#、20#(由左岸向右岸),表孔水流通过坝面溢流下泄在坝脚附近挑出,出坎挑角分别为20°、12°、23°、35°,出坎高程分别为314.508m、312.437m、313.59m、315.617m,出坎宽度为18.0m、20.0m、20.5m、19.5m。深孔编号依次为15#、17#、19#(由左岸向右岸),深孔进口宽度6.0m、高度7.0m,进口高程350m,出坎挑角分别为25°、4°、18°,出坎高程分别为352.31m、353.47m、351.19m,出坎宽度为9.18m、8.89m、9.14m。下游水垫塘底高程270.0m,底宽80.0m,水垫塘长度189.0m,水垫塘两岸为复合边坡,水垫塘底板块厚度3.0m、长度13m、宽度13m。为了探明各运行工况下水垫塘底板块的受力,本项试验在水垫塘中心线附近沿程布置了6个测力板块(板块原型尺寸为13×13×3m3,按模型比尺缩小成37.14×37.14×8.57cm3的有机玻璃模块),各板块的沿程位置如图1所示,各泄流工况如表1所示。其中,板块B1的中心桩号为222.5m、B3为235.5m、B3为248.5m、B4为2615m、B5为274.5m、B6为287.5m。1.2板块的力测量系统(1)s型梁结构分析试验用的测力传感器是由北京航空航天大学流体所研制的。传感器的基本构件由一直径80mm、厚20mm的钢块制成S型梁结构,电阻应变片分别粘贴在上下弹性粱上,应变片采用全桥电路,每片电阻R=350Ω,最后进行防水处理后把测力构件固定在基座上,而测力板块固定于测力平台上,如图2所示。(2)动态标定测试传感器的自振频率和阻尼系数在正式用于试验之前,必须对传感器进行静、动态标定。经过水下多次测试,传感器的静态标定曲线为:F=-0.0014174+42.2417(V-V0)(1)F=−0.0014174+42.2417(V−V0)(1)式中,F为传感器的受力(单位牛顿),正号表示压力,负号表示上举力。V为传感器的输出电压,单位伏特,V0为传感器初始输出电压。动态标定测试传感器的自振频率和阻尼系数,并计算传感器的幅频特性。动态标定的结果是:传感器的自振频率f0=184.2Hz,阻尼系数ζ=0.2,并由幅频特性分析获得,对于动力频率小于55Hz的随机信号,其测量误差小于8%。(3)随机信号的监测测力传感器输出的信号,经放大器放大、滤波器滤波后,通过A/D转换器进入计算机进行直接采取随机信号,同时在测量过程中用示波器监测随机信号。(4)脉动上举力量测算根据随机信号的采样定理,要求采样频率fC大于等于两倍的随机信号频带宽度。由大量的试验资料表明,脉动上举力的主要能量集中于0～20Hz之间,为保险起见,取采样频率fC=100Hz,相应的采样时间间隔Δt=1/fC=0.01s,采样容量N=4096,记录总时间T=40.96s。2试验结果与分析2.1时均上举力比静水重力更强对各工况不同位置测力板块的随机信号取时均值Fa,并与静水浮力Fsb(=γL2h,其中L=13m,h=3m)进行了比较。一般作用于板块上的时均上举力与板块所处的位置有关,在射流冲击区附近板块上的时均荷载为压力,在射流冲击区以外为上举力。在本次试验中,绝大多数板块所受的时均上举力比静水浮力偏高些,但平均最大者不超过静水浮力的75%如图3所示。对所有Fa/Fsb的数据取平均,得平均值为1.17,这说明促使板块起动的主要动力不是时均上举力,而是脉动上举力,这与文献的结果是一致的。2.2泄流工况下底板块上举力概率分布对于时均值为零的随机变量X,如其概率密度为:p(X)=1√2πσpexp(-X22σ2p)(2)p(X)=12πσp√exp(−X22σ2p)(2)则称X服从正态分布,且其偏态系数CS=0,峰态系数Ce=3.0。现对测力传感器输出的随机信号进行数据处理,可得各泄流工况下底板块上脉动上举力的概率密度分布图。图4给出板块B3在泄流工况3下,脉动上举力过程线和相应的概率分布(图中实线为标准正态分布曲线),正的脉动力表示压力,负的脉动力表示向上的上举力。对于其它工况,不同位置板块脉动上举力的Ce和CS试验结果表明,在不同泄流工况下各位置处板块脉动上举力的Ce和CS值绝大多数满足Ce→3.0和|Cs|≤0.3的条件,说明水垫塘底板块上的脉动上举力概率分布基本符合正态分布,这与前人的试验结果是吻合的。2.3脉动上举力的积分时间尺度根据随机信号R(τ)和G(f)的定义,对各工况下不同位置板块的脉动上举力过程进行快速Fourier变换,可给出脉动上举力的自相关函数R(τ)和在频域空间上的能谱密度分布函数G(f),如图5所示。对R(τ)在时间域上积分,可得脉动上举力的积分时间尺度,它实质上反映了进底涡体的平均时间尺度。即Τ=∫∞0R(τ)/R(0)dτ(3)T=∫∞0R(τ)/R(0)dτ(3)试验结果表明,在不同泄流工况下板块B1～B6脉动上举力的积分时间尺度模型值T=0.062-0.146s,相应原型中的值为0.37～0.86s(Froude数准则换算);脉动上举力的能量集中频带宽度模型值为0～15Hz,如按Froude数准则换算成原型值为0～2.54Hz。说明脉动上举力是由低频大振幅的脉动压强产生的。2.4水垫塘底板中amx值的表现对随机信号进行数据处理,可获得单位面积板块上脉动上举力的均方根值和可能最大脉动上举力。即:CF=√¯F′2LB,Amax=F′maxLB(4)其中,L为板块的长度,B为板块的宽度,F′max为作用于测力板块上最大的脉动上举力。整理试验数据,由表2给出各工况下板块上的CF和Amax值,并根据Froude准则已换算成原型值,图6给出Amax值在不同泄流工况下的沿程分布。试验结果表明,在不同泄流工况下,水垫塘底板上大的Amax值出现在板块B3和板块B5区,区间分别位于桩号235m～255m和270m～280m,这与板块稳定性试验观测的结果是一致的。由于水垫浅,使得工况2和工况3的Amax值变化不大,在工况3下最大的Amax/γ值为10.90m,发生于板块B5区,主要由表孔和深孔水舌碰撞后的混合水舌造成的,位于混合水舌的下游壁射流区;在工况4下,最大的Amax/γ值为11.56m,仍然发生于板块B5区,也是由表孔和深孔水舌碰撞后的混合水舌造成的。3最大脉动上举力的形成机理为了提高上述试验成果的可信度,本文利用刘沛清等提出的一套高坝泄洪消能水力计算方法,对白山泄流工况2和工况4进行了初步分析。该两文献认为在射流冲击下,水垫塘底板块在冲击区受到较大的冲击压力,促使强烈脉动压力的水体挤压入底板块缝隙层中,并沿缝隙迅速传播开来。脉动压力在缝隙层中的传播具有急剧变化的特征,利用一维和二维瞬变流模型,分析底板块缝隙层中脉动压力波的传播规律,即可得出作用于底板块上的脉动上举力是由板块表、底面上脉动压力波传播速度不同引起的,而非简单的相位差问题,阐述了脉动上举力的形成机理,并导出可能最大脉动上举力的预报公式。即:Amax=3σp√1+α2p(LSL)2(5)式中:Amax为作用于底板块单位面积的最大脉动上举力,具有压强的量纲(N/m2);σp为板块接缝入口处脉动压强的均方根值;LS为临底涡体的积分尺度;L为板块的尺度;αp为脉动压强系数,实验表明αp≈1.08。当LS≫L时,式(1)可简化为Amax≈3σp(6)式(5)和(6)已得到试验资料的证实。通过整理大量实验资料,刘沛清给出的Amax另一个经验公式为:Amaxγ=(4.01sin2β+8.85)φ2Ηq2gΗ31√1+α2p(LSL)2(7)式中:φ为射流流速系数,φ≈0.75-0.95;H为上下游水位差;q为射流入水单宽流量;g为重力加速度;H1为下游水垫深度。计算结果表明,在泄流工况2下,对于表孔水舌,射流入水角度位于26.7°～43.0°,射流入水流速约37.8m/s,射流水平挑距为90.4～140.9m,桩号为168.2～218.7m;对于深孔水舌,射流入水角度位于53.9°～57.0°,射流入水流速约39.3m/s,射流水平挑距为85.6～101.5m,桩号为144.1～160.0m;上下水舌的碰撞角为45.8°,碰撞点高程为323.6m,碰撞后混合水舌的入水角度为45.2°,入水流速35.1m/s,水平挑距为95.6m,桩号为173.4m,碰撞消能效率13.9%。用公式(6)和(7)计算出的估算值与试验结果的比较。由表3给出。从表中看出,计算值与模型实测值相当吻合,说明成果是可靠的。4水垫塘底板块易失稳区根据本项试验研究,可得下列几点结论:(1)在不同泄流工况下水垫塘底板块上的时均上举力虽然沿程各区有所不同,但与板块的静水浮力之比平均值为1.17。说明促使板块失稳破坏的主要动力不是时均上举力,而是脉动上举力。(2)脉动上举力是由板块表面上脉动压强分布不均产生的,属于低频大振幅的脉动,与瞬变流模型的分析结果是吻合的。(3)脉动上举力的概率分布,在绝大多数情况下沿程各区基本符合正态概率分布。(4)脉动上举力的能量集中频带宽度在模型中约为0～15Hz。(5