高壩聯(lián)合泄洪消力塘底板上舉力分布特性研究

王懷明，楊 敏

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

1 研究背景

多孔聯(lián)合泄洪是高拱壩常用的泄洪方式，尤其在我國(guó)，大多高拱壩壩址處具有高水頭、大流量、窄河谷的典型特點(diǎn)，壩后水墊塘承擔(dān)著巨大的消能壓力，多孔聯(lián)合泄洪應(yīng)用更為廣泛。水墊塘底板穩(wěn)定性是泄洪安全的關(guān)鍵，而上舉力是底板穩(wěn)定性的重要控制指標(biāo)。由于上舉力產(chǎn)生的原因尚未從理論上得到完善的解釋?zhuān)Ｐ驮囼?yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律顯得十分重要。文獻(xiàn)［1－8］從理論分析、公式推導(dǎo)、點(diǎn)面轉(zhuǎn)換、功率譜、概率密度、統(tǒng)計(jì)規(guī)律、板塊尺寸影響等各方面對(duì)底板上舉力進(jìn)行了研究。

前人對(duì)水墊塘底板上舉力已經(jīng)做了大量的研究，但是對(duì)高壩表深孔聯(lián)合泄洪下，表孔泄洪對(duì)深孔泄洪水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力的影響或者深孔泄洪對(duì)表孔泄洪水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力的影響研究較少。

本文通過(guò)某工程模型試驗(yàn)，對(duì)表深孔無(wú)碰撞聯(lián)合泄洪下，表深孔水流對(duì)各自水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力的影響做了較為詳細(xì)的分析，對(duì)類(lèi)似工程水墊塘底板上舉力的探討及水墊塘底板的設(shè)計(jì)有一定的參考。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某水電站是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站，樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物和地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。拱壩最大壩高305m，壩址區(qū)河谷狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜、邊坡穩(wěn)定條件較差，樞紐設(shè)計(jì)洪水流量(p=0.1%)為13 600m3/s，校核洪水流量(p=0.02%)為15 400m3/s。泄洪建筑物具有高水頭、大流量、窄河谷的特點(diǎn)，泄洪消能和泄洪霧化問(wèn)題成為該工程樞紐布置的控制因素之一。壩身泄洪消能采用4表、5深孔無(wú)碰撞聯(lián)合泄洪消能方式，表孔采用窄縫形式。泄洪時(shí)表孔水舌從深孔水舌中間穿過(guò)，空中無(wú)碰撞。

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ退畨|塘底板塊分為4列，中間2列板塊較大，靠近邊坡板塊較小。水墊塘及上舉力傳感器布置見(jiàn)圖1及圖2。

圖1 上舉力傳感器布置側(cè)視圖Fig.1 Side view of the layout of uplift force sensors

圖2 上舉力傳感器布置平面圖Fig.2 Plan view of the layout of uplift force sensors

模型試驗(yàn)采用一套獨(dú)有的上舉力測(cè)試采集系統(tǒng)，在水墊塘巖基模型上鋪設(shè)橡膠塊底板，模型板塊尺寸與原型板塊尺寸成比例，比尺為50。在橡膠塊底板上安裝上舉力傳感器，測(cè)試整個(gè)底板塊所受到的上舉力。上舉力測(cè)試采集方法見(jiàn)圖3。

圖3 上舉力測(cè)試框圖Fig.3 Block diagram of the uplift force test

由前人的試驗(yàn)資料表明，水墊塘底板上舉力的能量主要集中在0～15Hz。在本試驗(yàn)的采集過(guò)程中，取采樣頻率fs=50Hz，樣本容量N=8 192，采樣長(zhǎng)度 T=163.84 s。

3 上舉力分布特性試驗(yàn)

高拱壩多孔聯(lián)合泄洪時(shí)水墊塘內(nèi)水流流態(tài)極其復(fù)雜，上舉力大小和分布也與表孔或深孔單獨(dú)泄洪時(shí)有一定區(qū)別，為研究多孔聯(lián)合泄洪對(duì)上舉力分布的影響，對(duì)多孔聯(lián)合泄洪時(shí)的上舉力大小及分布進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)多孔聯(lián)合泄洪和表、深孔單獨(dú)泄洪時(shí)的最大上舉力大小和分布進(jìn)行了比較。

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分為多個(gè)工況，分別測(cè)試了在相同上下游水位、不同開(kāi)孔情況下的上舉力大小。測(cè)試工況上下游水位、流量關(guān)系見(jiàn)表1，下文中所提到的試驗(yàn)工況與表1中的工況相對(duì)應(yīng)。本文旨在研究聯(lián)合泄洪與表、深孔單獨(dú)泄洪時(shí)上舉力的不同分布規(guī)律，所以試驗(yàn)結(jié)果是在相同上下游水位的條件下測(cè)得的，不考慮上下游水位變化對(duì)上舉力的影響，總流量和單寬流量只與開(kāi)孔情況有關(guān)，水墊塘底板高程為0+1595m，水墊塘水深始終為59.72m。

3.2 上舉力分布特性

影響上舉力的主要因素有上下游水位差H，入水單寬流量q0，水墊塘水深 ht，水舌入水條件k。上舉力的一般表達(dá)式可寫(xiě)成

式中水舌入水條件k隨水舌形態(tài)、摻氣濃度、對(duì)沖角、擴(kuò)散程度等的不同而變化。取上舉力FL的單位為9.8 kN/m2，經(jīng)無(wú)量綱運(yùn)算，得到3個(gè)參式(1)可進(jìn)一步寫(xiě)成

表1 典型工況水位流量關(guān)系Table 1 Water level-discharge relations in typical working conditions

將最大上舉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)作無(wú)量綱化處理，繪制成曲線如圖4所示。圖中曲線是由大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后線性回歸擬合所得，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，3條直線分別表示4表孔或5深孔泄洪、4表+3深孔泄洪、4表+5深孔泄洪的情況，3條直線的k，b值見(jiàn)表2。圖5為相同上下游水位條件下，表孔水舌沖擊點(diǎn)附近，4表孔單獨(dú)泄洪與4表+5深孔泄洪情況下的上舉力分布對(duì)比。圖6為深孔水舌沖擊點(diǎn)附近，5深孔泄洪與4表+5深孔泄洪情況下的上舉力對(duì)比。圖5、圖6中:FLmax為4表孔和5深孔單獨(dú)泄洪時(shí)水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力最大值;縱坐標(biāo)表示相同水流條件下，不同開(kāi)孔情況下板塊實(shí)測(cè)沿程上舉力與表孔或深孔單獨(dú)泄洪時(shí)水舌沖擊點(diǎn)附近最大上舉力的比值;x為上舉力測(cè)點(diǎn)到水舌沖擊點(diǎn)的距離。圖5、圖6中的曲線是在圖中先繪制點(diǎn)，再通過(guò)這些點(diǎn)經(jīng)高斯擬合得到，每條曲線均在某一開(kāi)孔情況下，以表孔或深孔水舌沖擊點(diǎn)附近的5塊板塊的上舉力為依據(jù)，同圖4一樣是將大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后繪制而成的。其中每一板塊的上舉力是在相應(yīng)水流條件下多次采集得到，每條曲線繪制的上舉力數(shù)值不少于14組。

試驗(yàn)中單寬流量較難測(cè)得，本試驗(yàn)中先測(cè)得各工況下水舌入水寬度，用相應(yīng)工況下的下泄流量除以水舌入水寬度得到單寬流量。

表2 曲線參數(shù)Table 2 Parameters of curve

圖4 最大上舉力對(duì)比Fig.4 Comparison of maximum uplift forces

圖5 表孔水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力對(duì)比Fig.5 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from surface outlets

圖6 深孔水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力對(duì)比Fig.6 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from bottom outlets

3.3 上舉力分布特性分析

上舉力是水墊塘底板上下表面脈動(dòng)壓力綜合作用的結(jié)果，是底板所受點(diǎn)脈動(dòng)壓力在板塊上的均化，反應(yīng)的是脈動(dòng)壓力對(duì)底板作用的整體效果。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(2)單開(kāi)表孔或單開(kāi)深孔，相應(yīng)水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力值，與相同上下游水位條件下表深孔全開(kāi)相比，上舉力值明顯偏大。表深孔全開(kāi)聯(lián)合泄洪時(shí)，表孔水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力峰值與單開(kāi)表孔泄洪時(shí)相比，要明顯后移;而表深孔全開(kāi)聯(lián)合泄洪時(shí)，深孔水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力峰值與單開(kāi)深孔時(shí)相比，要明顯前移。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

針對(duì)以上上舉力分布特點(diǎn)，分析結(jié)果如下:之所以相同上下游水位條件下，表深孔全開(kāi)聯(lián)合泄洪時(shí)，表深孔水舌沖擊點(diǎn)附近上舉力值，與表孔或深孔單開(kāi)時(shí)相比要明顯偏小，原因是表深孔水舌落入水墊塘后形成大的旋滾，表深孔水舌所形成的大的旋滾之間相互作用、相互影響，使相互之間大旋滾對(duì)底板塊的卷吸作用得不到充分的發(fā)揮，而表孔或深孔單獨(dú)泄洪時(shí)，水舌入水后旋滾充分發(fā)展，不受其他水舌的影響，故而要比相應(yīng)表深孔聯(lián)合泄洪時(shí)上舉力要大。相件下，單開(kāi)表孔或深孔比表深孔全部打開(kāi)聯(lián)合泄洪情況下，最大上舉力要大，也是同樣的道理。聯(lián)合泄洪時(shí)，表孔水舌入水后受深孔水舌的影響，所形成的強(qiáng)旋滾后移，進(jìn)而導(dǎo)致表孔水舌沖擊點(diǎn)附近的最大上舉力后移;深孔水舌入水后形成的旋滾受表孔水舌的影響而前移，進(jìn)而導(dǎo)致深孔水舌沖擊點(diǎn)附近的最大上舉力前移。4表孔+3深孔泄洪時(shí)由于深孔流量明顯減小，表深孔水舌入水后相互之間的影響減小，致使最大上舉力值介于表深孔全開(kāi)與單開(kāi)表孔或單開(kāi)深孔之間，也證實(shí)了以上的說(shuō)法。

4 結(jié)論

本文研究了高拱壩多孔聯(lián)合泄洪水墊塘底板上舉力的分布特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:相同上下游水位情況下，多孔聯(lián)合泄洪上舉力大小與分布不同于表孔或深孔單獨(dú)泄洪，相應(yīng)位置上舉力最大值比表孔或深孔單獨(dú)泄洪時(shí)要小，且最大上舉力的位置，表孔水舌沖擊點(diǎn)附近要后移，深孔水舌沖擊點(diǎn)附近要前移。分析其原因主要是表深孔水舌入水后形成大的旋滾，旋滾之間相互影響，得不到充分發(fā)展，對(duì)底板的卷吸作用明顯減弱，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)上舉力值明顯減小，最大上舉力的位置也有所改變。本試驗(yàn)結(jié)論對(duì)高壩水舌空中無(wú)碰撞多孔聯(lián)合窄縫泄洪工程具有參考意義，同時(shí)要求表深孔水舌在水墊塘中的落點(diǎn)不重合，要有一定距離。對(duì)高壩泄洪表深孔水舌空中碰撞消能的情況需要單獨(dú)試驗(yàn)，另作分析。

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