反拱形水墊塘結(jié)構(gòu)在拉西瓦水電站上的研究與應(yīng)用

陳 亮,盧 亮,張 瑩

(1.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810000;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098)

反拱形水墊塘結(jié)構(gòu)在拉西瓦水電站上的研究與應(yīng)用

陳 亮1,盧 亮2,張 瑩2

(1.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810000;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098)

通過(guò)自行設(shè)計(jì)的拉西瓦水電站反拱型水墊塘模型,并通過(guò)在模型底板上鋪設(shè)脈動(dòng)壓力傳感器和流速傳感器的方法,研究了在不同的上下游水位時(shí)反拱形水墊塘的動(dòng)水荷載特性。研究表明:脈動(dòng)壓強(qiáng)的概率密度曲線與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律,最大流速發(fā)生在水舌沖擊點(diǎn)下游的壁射流區(qū),其結(jié)果可為反拱形水墊塘的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

水墊塘;反拱形;拉西瓦;傳感器

1 工程概況與研究現(xiàn)狀

拉西瓦水電站位于青海省貴德縣及貴南縣交界處,是黃河上游龍羊峽—青銅峽河段的第二個(gè)大型梯級(jí)電站,該電站消能區(qū)采用水墊塘形式集中消能,反拱水墊塘在國(guó)內(nèi)250 m級(jí)高拱壩首次采用,雖然國(guó)內(nèi)在建或擬建的高拱壩壩后水墊塘如小灣、構(gòu)皮灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)等水電站均進(jìn)行了反拱型水墊塘研究,但這些工程因其各自的地形、地質(zhì)和其它原因沒(méi)有采用或目前還處在論證階段。與同類工程相比,拉西瓦水電站水墊塘短、下游水深淺、單位水體的消能率較大。本次試驗(yàn)通過(guò)自行設(shè)計(jì)的水墊塘模型,通過(guò)在水墊塘模型底板上安裝傳感器的方法,研究水墊塘底板上的脈動(dòng)壓強(qiáng)和流速分布情況,對(duì)不同工況下的反拱水墊塘的動(dòng)水荷載特性做細(xì)致的研究,為施工設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)于水墊塘的研究與應(yīng)用,在我國(guó)已有幾十年的時(shí)間,呂陽(yáng)泉[1]用熱膜流速儀在比尺為1∶380的精細(xì)模型上量測(cè)了拱壩挑跌流在水墊塘內(nèi)的流速場(chǎng),研究表明,要想提高水墊塘的消能效率,就必須設(shè)法增大強(qiáng)紊動(dòng)剪切層區(qū)的范圍;王常讓[2]考慮采用部分混凝土襯砌水墊塘和不襯砌水墊塘預(yù)挖沖刷坑加二道壩的消能防沖布置方案,并對(duì)以上兩種方案可行性進(jìn)行了初步探討;鄭春城[3]通過(guò)消能方案優(yōu)化及模型試驗(yàn)研究,確定了多級(jí)消力坎消能優(yōu)化方案。關(guān)于反拱形水墊塘在我國(guó)也有不少研究;孫健[4]分析了平底水墊塘和反拱水墊塘的穩(wěn)定性原理,論證了反拱水墊塘底板具有超載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn);侯慶國(guó)[5]分析了水墊塘反拱形底板拱端推力的影響因素,擬合出反拱形底板拱端推力的經(jīng)驗(yàn)公式;馬斌[6]的研究也表明,反拱型底板具有較好的受力條件,其穩(wěn)定性能夠得到保證;王繼敏[7]對(duì)長(zhǎng)潭崗水電站反拱型水墊塘的動(dòng)水荷載、底板揚(yáng)壓力、錨固鋼筋應(yīng)力、拱端推力等進(jìn)行了原體觀測(cè),結(jié)果表明反拱型水墊塘可較好地協(xié)調(diào)地形、結(jié)構(gòu)和水流條件,曲線形狀可使水流平順。常云華[8]以實(shí)際工程高拱壩水墊塘底板穩(wěn)定性研究為背景,分析了底板上舉力的分布規(guī)律,給出了最大上舉力經(jīng)驗(yàn)公式。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

水墊塘全長(zhǎng)約218.27 m。從拱壩下游～壩下0+055.40 m為梯形斷面;壩下0+055.40 m～壩下0+240.0 m為反拱形水墊塘,等寬布置。反拱內(nèi)半徑60.5 m,底板最低點(diǎn)高程2 214.5 m;底板及兩岸邊坡高程2 265.0 m以下均采用鋼筋混凝土襯砌?；炷炼缐挝挥趬魏?40.00 m處,最大壩高31.5 m,二道壩后設(shè)混凝土護(hù)坦,長(zhǎng)30 m。另外對(duì)抽排水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),原設(shè)計(jì)水墊塘有7條橫向排水廊道,三條縱向排水廊道,優(yōu)化后水墊塘底板下無(wú)橫向排水廊道,僅在水墊塘上游和二道壩內(nèi)分別設(shè)一橫向排水廊道;優(yōu)化后的三條縱向排水廊道,其中兩側(cè)縱向廊道由水墊塘底部移到拱座內(nèi),并抬高了5 m左右。

該模型比尺為1∶100。本次試驗(yàn)采用水彈性模型試驗(yàn)為主,數(shù)值計(jì)算為輔的綜合方法進(jìn)行研究。通過(guò)水彈性模型試驗(yàn)研究新型水墊塘水力學(xué)問(wèn)題及水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

2.2 傳感器的布置

2.2.1 脈動(dòng)壓力傳感器布置

本次試驗(yàn)在水墊塘底板上共布置42個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器,其分布圖如圖1所示。

脈動(dòng)壓強(qiáng)測(cè)量采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的DJ800采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,測(cè)試框圖見(jiàn)圖2。

圖1 脈動(dòng)壓力傳感器布置(單位:m)

圖2 脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與分析框圖

2.2.2 水墊塘臨底流速測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)在水墊塘底板上共布置40個(gè)流速測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖3。

臨底流速采用自制畢托管測(cè)量,其裝置如圖4。

在難以事先判斷流速方向的測(cè)點(diǎn)上,安裝兩個(gè)方向相反的動(dòng)壓管,取其與靜壓管讀數(shù)差,大者為該點(diǎn)的流速測(cè)量值并判別其方向。

圖3 水墊塘臨底流速測(cè)點(diǎn)布置(單位:m)

圖4 臨底流速測(cè)量裝置(自制畢托管)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究不同工況下的反拱形水墊塘的動(dòng)水荷載特性,本次試驗(yàn)共進(jìn)行了9種工況下的測(cè)試,各工況下的上下游水位如表1所示。其中工況1為表、深聯(lián)合泄洪校核洪水位,工況2為表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計(jì)洪水位。

表1 各工況下的上下游水位變化

3.1 水墊塘底板上表面脈動(dòng)壓強(qiáng)分布

將各工況下的不同樁號(hào)處的壓強(qiáng)繪于圖5中,從圖中可以看出,工況1時(shí),最大脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值為8.87×9.8 kPa,概率密度曲線均具有一個(gè)峰值,且峰值點(diǎn)兩側(cè)的曲線具有相似的變化規(guī)律,具有很好的對(duì)稱性,與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律出現(xiàn)概率大于99.7%的測(cè)點(diǎn)其最大可能脈動(dòng)幅值A(chǔ)max=3σ(σ為脈動(dòng)壓強(qiáng)的強(qiáng)度)。按3σ計(jì)算,脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值是26.61×9.8 kPa,為總水頭(242.5 m)的11%。峰值的樁號(hào)為0+150 m。由于測(cè)點(diǎn)距沖擊區(qū)最近,故其脈動(dòng)壓強(qiáng)最大。壩址處和二道壩附近的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值相對(duì)較小。工況2(表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計(jì)洪水位)時(shí),最大脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值為4.69×9.8 kPa。按3σ計(jì)算,脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值為14.1×9.8 kPa,為總水頭(237.5 m)的5.9%。峰值的樁號(hào)為0+150 m,對(duì)應(yīng)于圖上的150處,其他的類同。

圖5 各工況下的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化值

圖6是按各工況最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值繪出的關(guān)系曲線,由圖6可以看出,其它工況的脈動(dòng)壓強(qiáng)強(qiáng)度比校核工況小很多。

圖6 各工況下最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值

3.2 水墊塘反拱形底板縱向流速分布試驗(yàn)結(jié)果

將各工況下不同樁號(hào)的流速曲線繪于圖7中,從圖7中可以看出,工況1(表、深聯(lián)合泄洪校核洪水位)時(shí),水墊塘臨底最大流速為21.7 m/s。工況2(表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計(jì)洪水位)時(shí),水墊塘臨底最大流速為17.5 m/s。工況5水墊塘臨底最大流速為20.1 m/s。各工況最大臨底流速(水墊塘中線)如圖8所示。一般來(lái)說(shuō),最大流速發(fā)生在水舌沖擊點(diǎn)下游的壁射流區(qū),最大值水舌沖擊點(diǎn)上游,流速在8 m/s以內(nèi)。

圖7 各工況下的中線流速分布圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究了反拱形水墊塘的動(dòng)水荷載特性,研究了不同工況下的水墊塘底部的脈動(dòng)壓強(qiáng)和水流速度變化規(guī)律,得出如下規(guī)律:

圖8 各工況下的最大流速分布

(1)對(duì)于底板的脈動(dòng)壓強(qiáng),各工況下不同樁號(hào)處的脈動(dòng)壓強(qiáng)的概率密度曲線與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律,在壩址處和二道壩附近的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值相對(duì)較小。

(2)對(duì)于地板上的水流速度,最大流速發(fā)生在水舌沖擊點(diǎn)下游的壁射流區(qū),最大值水舌沖擊點(diǎn)上游,流速在8 m/s以內(nèi)。

[1]呂陽(yáng)泉,李永祥,冬俊瑞.水墊塘的水流特征和消能規(guī)律研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2001,18(1):10-12.

[2]王常讓,周述椿,周 勇.水墊塘結(jié)構(gòu)形式問(wèn)題探討[J].水力發(fā)電,2010,36(10):31-33,44.

[3]鄭春城,何占斌.多級(jí)消力坎加水墊塘綜合消能的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)水運(yùn),2012,12(3):237-238.

[4]孫 建,陳長(zhǎng)植.反拱水墊塘與平底水墊塘底板穩(wěn)定性諸方面之比較[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2003,20(4):3-6.

[5]侯慶國(guó),郭東平.水墊塘反拱形底板拱端推力的試驗(yàn)研究[J].東北水利水電,2005,23(12):55-56.

[6]馬 斌,練繼建,楊 敏.水墊塘反拱型底板襯砌結(jié)構(gòu)的非線性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(5):536-541.

[7]王繼敏,練繼建,崔廣濤.溢流拱壩反拱型水墊塘性能的原型觀測(cè)與模型試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(7):805-812.

[8]常云華,王秀杰,李宗偉.反拱形水墊塘底板上舉力特性的試驗(yàn)研究[J].震動(dòng)與沖擊,2010,29(5):228-229,234.

Study and Application of Reverse Arch Water Cushion Pond in Laxiwa Hydropower Station

CHEN Liang1,LU Liang2,ZHANG Ying2
(1.Engineering Construction Branch Office,Qinghai Hydropower Development Co.,Ltd.of Upper Course of Yellow River,Xining,Qinghai810000,China;2.Key Laboratory of Ministry of Enducation for Geomechanics
and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Through the Laxiwa Hydropower Station's arch-typed water cushion pond model which is self-designed,and by laying the pulse pressure sensor andvelocity sensor on the model'sbase,the water cushion pond'shydrodynamic load characteristics are researched under different downstream water level.The research shows that the pulsation pressure's probability density curve and normal distribution curve would have the similar change rule,and the maximum velocity would happen in the wall jet area in the downstream reach of water-tongue impact point.The research result could provide references for the design and construction of the arch-typed water cushion pond.

water cushion pond;reverse arch;Laxiwa;sensor

TV653

A

1672—1144(2013)02—0196—04

2012-08-13

2012-09-10

陳 亮(1984—),男,江蘇鹽城人,工程師,主要從事水電站建設(shè)方面的施工與管理。