高速反拱水垫塘的水力学特性

高速反拱水垫塘的水力学特性

0坝上下游水垫塘峡谷高坝工程具有高坝、高排水、窄河的特点。水库下的高速水流通过下游河流，巨大的动能对岩石河床产生了很大的磨损。因此，应采取必要的消能措施来加固河床，集中消能，提高河流的抗冲能力。在坝的下游修建水垫塘是目前最为常用的方式,其断面形式一般为倒梯形。近几年来随着人们对水垫塘失稳破坏研究的不断深入,反拱底板形式的水垫塘引起工程设计和科研人员的极大关注:峡谷天然河道通常具有较好的反弧形式,将水垫塘设计成中间低、两岸高的反拱形,对维护坝基稳定、不刻意开挖十分有利;另外反拱体底板支撑在基岩上,两端伸入两岸岩体内,结构整体受力条件好,为更好地推广应用,本文对反拱水垫塘的水力学特性进行了以下分析和总结。1反弧水垫的水力特性1.1水跃消能分析坝身下泄的高速水流射入水垫塘时,主流方向与下游水平面存在一定的夹角,一般为30°～70°,首先表现出冲击射流的特征。反拱水垫塘内的基本流态与入水单位水体的能量及其分布的均匀度、下游水垫深度有关。在来流不变的情况下,通过观察可知:随着下游水垫深度的由浅到深,在入塘射流的下游通常会出现远驱水跃、临界和淹没水跃。对于远驱水跃,高速射流直接射冲底板,冲击力大而且跃前急流段长、临底流速大,底板易产生空蚀破坏,这一流态对工程不利,应尽可能避免。临界水跃消能效果好,但其不稳定,下游水位稍有变动即将转为远驱水跃。从水跃的稳定性和消能效果来考虑,选择淹没度较小的淹没水跃进行衔接与消能较为合理,因为这种水跃即能保证有较高的消能率,又不致因下游水位的变动而转化为远驱水跃,是工程设计上所要求的流态。因此后面仅就射流冲击后形成淹没水跃这一流态的水力学特征进行讨论。对于高坝射流,下游水垫较深,水舌入水后被淹没,在其上下游两个漩涡区。主流沿程进行扩散,冲击底板后迅速跃起,其后形成淹没水跃,上层为漩滚区,下层为射流扩散区,是水流的主流区,水流流速较高(图1a为流态示意图)。从流态总体特点来看,反拱水垫塘与平底相似。刘沛清教授在文献中对平底塘内的淹没冲击射流进行过总结,可看作淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态,沿主射流区可分成淹没射流区、冲击区和壁射流区。在塘底高程相同的情况下,反拱主流两侧水流翻滚、紊动程度强,水面波动相对大些。1.2冲击区脉动流速射流入水后扩散,主流沿程流速减小。由于主流受底板的折冲,使得流速迅速减小,压力急剧增大而产生大的冲击力,时均压力最大值位于冲击处主流前部附近,图1b给出反拱底板主流纵向动水压强分布示意图。由于水流强紊动和流速的变化引起水流的脉动,冲击区的脉动压力往往很大,为水垫塘受力分析和稳定性的重要影响因素。一些工程失事的研究结果表明,底板上脉动压力是造成板块破坏的重要原因。跃前收缩断面受到下游水垫的淹没,底部流速仍较大,具有底流射流特征。水跃区沿程断面平均流速减小,分布同典型水跃,漩滚区流向指向上游,而且量值小。压力及流速沿水垫塘的横向分布,受来流入水宽度影响明显。主流一般位于中线时,底部压力中间大而左右两侧压力小,两侧平均流速也小,表流速相对大些。反拱底横向曲面有利于水流的平顺衔接,而倒梯形断面存在隅角,临底高速水流由此会产生较大的压力梯度,这也是反拱底与平底流态与压力分布的不同之处。1.3水跃区消能及消能反冲设计利用射流和水跃的消能原理进行消能,射流在沿程变化的过程中,通过与各漩滚区间的强紊动、剪切和扩散进行能量传递、再分配和耗散,水跃在动能转化为势能过程中也伴随着水流质点间的摩擦和撞击转化为热能而散失。单纯水跃区消能率一般可达到50%左右,因此通过水跃区的扩散、翻滚消能,再加上射流冲击的能量损失和入塘水舌的充分扩散,综合可实现消能防冲需要。必要时,还可以在水垫塘内加设消力墩等措施,进一步提高消能效果。2水流特征和冲击区脉动压力某高坝工程坝址区为高山峡谷地貌,坝身泄洪采用3表孔+2深孔的分层多孔形式,坝下采用水垫塘集中消能,塘末设二道坝。水垫塘设计有平底和反拱两种形式,二者塘底高程和塘长相同。反拱半径为66m,中心角为64°,拱深10m。表深孔联合泄洪,水舌通过纵向拉开和横向扩散,以减小入塘水流单宽流量,入水宽度60～70m。最大流速位于冲击点下游收缩断面坝中心线下150m处,其值为10.9m/s,塘末断面平均流速为6m/s左右。从流态来看(图2),水垫较深,塘内水流大范围漩滚和不断混掺,消能充分,下游河床的冲淤情况也说明了这一点。设计水位反拱水垫塘底板中线压强分布曲线见图2,最大时均压强均位于冲击点附近。表深孔联合泄洪时,塘内最大时均压强为309kPa,最大脉动压强140kPa,最大冲击压强137kPa,位于冲击点坝下144m处的主流中线附近,紊动系数Cv为15.6%;水舌冲击区脉动压强的观测结果表明:脉动能量集中在低频范围内,属低频大尺度涡动性质,高频区能量逐渐衰减。反拱水垫塘时均压强和冲击压强均比平底小,同时由于反拱的体形特点以及消能容积比平底略小,其脉动特性与平底相比,具有时均压强小而脉动压强大的特点,水流的紊动程度也高于平底塘,出塘水流较平稳,水力学特性满足相关要求。3圆形曲面底板抗剪强度对于高坝泄洪消能采用反拱水垫塘,一是适宜峡谷地形条件,二是水流在水垫塘内利用射流和水跃的消能原理进行消能,三是拱形曲面底板有利于水流横向扩散的平顺衔接和减少开挖量。除此之外拱形结构可加强底板的整体稳定性。该文