有關(guān)溢洪道襯砌板塊厚度設(shè)計(jì)的探討

李愛(ài)華，劉沛清

（1．中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266555；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

有關(guān)溢洪道襯砌板塊厚度設(shè)計(jì)的探討

李愛(ài)華1，劉沛清2

（1．中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266555；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

脈動(dòng)上舉力是導(dǎo)致消力池或水墊塘底板發(fā)生揭底破壞的主要原因之一。在設(shè)計(jì)溢洪道襯砌板塊的厚度時(shí)必須考慮脈動(dòng)壓力的作用。該文對(duì)脈動(dòng)上舉力的形成進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)。得出板塊所承受的瞬時(shí)最大脈動(dòng)上舉力的表達(dá)式。并據(jù)此給出襯砌板塊的設(shè)計(jì)厚度公式，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果等的比較，認(rèn)為這一結(jié)果是合理的。

溢洪道；襯砌；脈動(dòng)上舉力

1 前言

水利水電工程中的溢洪道陡槽、消力池、水墊塘底板的主要破壞型式有揭底破壞、空蝕破壞和沖磨撞擊破壞等。其中揭底破壞具有歷時(shí)短、范圍大等特點(diǎn)，整塊底板被水流翻起、掀走，對(duì)工程的危害很大。

在實(shí)際工程中，大多數(shù)的底板破壞屬于揭底破壞。例如：1961年6月建成的孟加拉國(guó)Karnafuli溢洪道工程［1-3］，以1/5的設(shè)計(jì)泄流量運(yùn)行一個(gè)月，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)陡槽末端板塊發(fā)生大面積沖毀破壞，破壞面積達(dá)到寬180m、長(zhǎng)23m。1967年開(kāi)始運(yùn)行的墨西哥Malpaso Project［4］溢洪道在1970年連續(xù)兩周宣泄流量3000m3/s（設(shè)計(jì)泄流量的1/3），發(fā)現(xiàn)消力池底板有較大破壞，破壞范圍達(dá)46%。重達(dá)720t的底板塊，每塊由12根錨筋錨固，竟然被洪水掀起沖走，錨筋被折斷或拉斷。中國(guó)劉家峽水電站溢洪道［5］在1969年10月泄洪42d（泄量2240m3/s）后，底板發(fā)生沖毀事故。陡槽下游340m范圍內(nèi)，3處底板被水流掀起沖走，板下基巖的沖坑深度達(dá)13m。中間一塊底板被整塊掀起，翻轉(zhuǎn)180°后反壓在下游底板上。五強(qiáng)溪水電站［5］在1996年7月下泄流量26400m3/s。由于池內(nèi)水墊較淺，消力池長(zhǎng)時(shí)間處于十分惡劣的折沖水流運(yùn)行狀態(tài)。洪水過(guò)后，經(jīng)查明溢洪道右消力池（寬尾墩消力池）的部分底板塊被水流掀起沖走，基巖沖坑深度超過(guò)30m，危及大壩安全。

水工模型試驗(yàn)和工程失事調(diào)查均表明：板塊的失事并非由滲透壓力和揚(yáng)壓力引起，也非由水流中雜物沖擊所致，而是由于水躍中大尺度紊流脈動(dòng)壓力，通過(guò)排水孔或者板塊間的止水縫隙進(jìn)入板塊下表面縫隙層中，作用于板塊上下表面的瞬時(shí)壓力差可能形成很大的脈動(dòng)上舉力，將板塊從坐穴中拔起，引起板塊揭底破壞。因此，在溢洪道襯砌板塊的設(shè)計(jì)中，必須考慮高速水流在襯砌表面強(qiáng)烈的脈動(dòng)壓力作用。

2 脈動(dòng)上舉力的生成

脈動(dòng)壓力通過(guò)板塊接縫處進(jìn)入板塊底面縫隙層中，并迅速傳播開(kāi)來(lái)是產(chǎn)生脈動(dòng)上舉力和造成板塊揭底破壞的重要原因，這一事實(shí)早被人們所認(rèn)識(shí)。然而，對(duì)于脈動(dòng)上舉力產(chǎn)生的原因，主要存在以下兩種觀點(diǎn)。

（1）脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生是由板塊表、底面壓力波的相位不同引起的。國(guó)內(nèi)崔廣濤［6-7］由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出板塊表、底面的脈動(dòng)壓力相關(guān)系數(shù)不超過(guò)0.4，據(jù)此推論塊體所承受的脈動(dòng)荷載是由于塊體表、底面脈動(dòng)壓力相位非同步導(dǎo)致。還有一些學(xué)者認(rèn)為，脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生是由板塊表、底面流速不同、脈動(dòng)壓力波幅值和相位不同引起的。這兩種觀點(diǎn)并沒(méi)有切實(shí)的理論依據(jù)，相位差的說(shuō)法只是對(duì)板塊最不利運(yùn)作環(huán)境的一種假設(shè)。

（2）F.Harung等人［8-10］認(rèn)為脈動(dòng)壓力波在縫隙中的傳播類似于水壓機(jī)原理。由于脈動(dòng)壓力是一個(gè)隨機(jī)變量，溢洪道排水孔處或者板塊止水接縫處的脈動(dòng)壓力在某時(shí)刻可能達(dá)到極大值。脈動(dòng)極大值可以在瞬時(shí)無(wú)衰變的傳入板塊與基巖的縫隙層中。與此同時(shí)，如果板塊上表面脈動(dòng)壓力剛好處于脈動(dòng)壓力極小值，這時(shí)脈動(dòng)壓力的瞬時(shí)時(shí)空結(jié)構(gòu)形成最為不利的脈動(dòng)上舉力。

兩種觀點(diǎn)的比較見(jiàn)表1。

表1 兩種不同觀點(diǎn)的比較

事實(shí)上，板塊上脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生絕非是相位差問(wèn)題，而是由于板塊表、底面脈動(dòng)壓力的傳播速度不同引起的。在板塊縫隙中，脈動(dòng)壓力并不是以縫隙中水流的速度傳播，而是以壓力波的形式傳播，傳播速度可以近似為O（102～103m）；而在板塊上方，脈動(dòng)壓力的傳播速度與河床臨底流速同量級(jí)。

板塊表、底面所承受的脈動(dòng)壓力應(yīng)當(dāng)是兩列隨機(jī)壓力波的組合。如圖1所示，根據(jù)隨機(jī)過(guò)程和統(tǒng)計(jì)理論，脈動(dòng)上舉力應(yīng)滿足：

圖1 板塊上、下表面脈動(dòng)壓力分布示意圖

式中 p′a、p′d分別為板塊表、底面中點(diǎn)脈動(dòng)壓力；L為板塊幾何尺度；I為p′a積分尺度；p′為縫隙入口端脈動(dòng)壓力。

求解式（1）中脈動(dòng)上舉力的方差，有：

通常p′a與p′d互不相關(guān)，而p′d與p′具有很好的相關(guān)性（姜文超［10］、張建民［11］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出：板塊底面各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力相關(guān)性最強(qiáng)，底面脈動(dòng)壓力與縫口脈動(dòng)壓力的相關(guān)性次之，板塊上表面各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力的相關(guān)性最弱），因此有：

式中 σp為入口脈動(dòng)強(qiáng)度。

式（5）即為板塊上可能出現(xiàn)的最大脈動(dòng)上舉力的預(yù)報(bào)公式。 若=1，由于0≤αp≤1，有：

這與劉沛清［5-7］在三峽斷面模型沖坑內(nèi)對(duì)板塊脈動(dòng)上舉力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)量測(cè)所得出的結(jié)果Δp′max=（2.5～4.2）σpL十分接近。

3 水墊塘襯砌板塊設(shè)計(jì)

由諸多工程失事分析得出：傳統(tǒng)的基于恒定滲透揚(yáng)壓力的溢洪道襯砌板塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)于高水頭泄洪建筑中溢洪道或者水墊塘的襯砌底板設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不再適用。對(duì)襯砌板塊制定新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，必須考慮脈動(dòng)壓力在沖刷破壞中的重要作用。

為確保板塊升浮穩(wěn)定，應(yīng)滿足下式：

式中 G、Fb分別板塊所受的重力和浮力（認(rèn)為板塊表、底面所承受的時(shí)均動(dòng)水壓力近似相等）；s為板塊的等效設(shè)計(jì)厚度（是指如果板塊與巖基相錨固，應(yīng)在厚度設(shè)計(jì)中考慮錨筋斷裂強(qiáng)度）；γw、γc分別為水和混凝土的容重。

對(duì)應(yīng)于前兩種脈動(dòng)上舉力的生成觀點(diǎn)，有：

可得板塊設(shè)計(jì)厚度應(yīng)滿足：

但是，V.Fiorotto通過(guò)研究證實(shí)，應(yīng)用式（11）估計(jì)板塊厚度過(guò)于保守，而且大大增加了水墊塘的防護(hù)消耗。V.Fiorotto在文獻(xiàn)［3］中引入修正系數(shù)α<1（與脈動(dòng)壓力積分尺度與板塊幾何尺度的比值有關(guān)），建議取α=0.5～0.8。則有：

可以認(rèn)為：

由本文推導(dǎo)的理論結(jié)果ΔAmax=（3～4.2）σp，板塊的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)滿足：1表2給出了幾種不同觀點(diǎn)下板塊設(shè)計(jì)最小厚度的比較。

表2 板塊設(shè)計(jì)最小厚度的比較%

可見(jiàn)，本文給出的理論分析結(jié)果是合理的。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及V.Fiorotto的推薦結(jié)果都吻合較好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)脈動(dòng)上舉力的形成原因進(jìn)行分析，認(rèn)為導(dǎo)致水墊塘板塊失事的脈動(dòng)上舉力并不是由于板塊表、底面脈動(dòng)壓力分布的相位不同而導(dǎo)致的，而是由于板塊表、底面脈動(dòng)壓力波的傳播速度不同而導(dǎo)致的。脈動(dòng)壓力在板塊縫隙中以波的形式傳播。由此可給出關(guān)于溢洪道或水墊塘襯砌板塊的合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及以往研究成果的比較可以認(rèn)為，

本文給出的板塊最小設(shè)計(jì)厚度的公式是合理的。

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Discussion of Thickness Design of Lining Slabs in Spillway

LI Ai-Hua1,LIU Pei-qing2
（1.China University of Petroleum,Qingdao266555,China；2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China）

Fluctuating uplift force within rock or block cracks is one of the main causes of spillway damage.The effect of fluctuating pressure must be concerned in the design of thickness of lining slabs.In this paper,the generation of fluctuating uplift is studied by theoretical analysis and deduction.The endurable transient maximum fluctuating uplift for slabs is expressed.Based on this,the design thickness expression of slabs is deduced.Through comparing with the experimental result,it is validate that this inequation is an acceptable model for lining design.

spillway;lining;fluctuating uplift force

TV651.1

A

1672-9900（2011）05-0052-03

2011-08-15

李愛(ài)華（1978—），女（漢族），山西祁縣人，博士，主要從事流體力學(xué)及計(jì)算流體力學(xué)方面的研究，（Tel）15054230680。