與寬尾墩聯(lián)合使用的臺(tái)階面破壞問題研究

李昕堯，尹進(jìn)步

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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與寬尾墩聯(lián)合使用的臺(tái)階面破壞問題研究

李昕堯，尹進(jìn)步

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

寬尾墩+臺(tái)階式溢洪道的消能形式已被許多工程所應(yīng)用，但從近年工程運(yùn)行情況看，個(gè)別工程出現(xiàn)臺(tái)階面破壞現(xiàn)象。根據(jù)工程模型試驗(yàn)資料，結(jié)合同類工程原型觀測資料，對有可能在寬尾墩水舌作用下，影響臺(tái)階面出現(xiàn)破壞的時(shí)均壓強(qiáng)、近底流速、摻氣濃度等水力學(xué)參數(shù)分別進(jìn)行了測試分析；同時(shí)，依據(jù)臺(tái)階面脈動(dòng)壓強(qiáng)和時(shí)均壓強(qiáng)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，采用材料力學(xué)方法，對臺(tái)階面混凝土分層后的受力情況也進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：若臺(tái)階面碾壓混凝土出現(xiàn)分層與表面止水破壞，則脈動(dòng)壓強(qiáng)就會(huì)通過表面縫隙與層面間隙作用于混凝土，混凝土也可能因此出現(xiàn)最大正應(yīng)力，而當(dāng)最大正應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，臺(tái)階面混凝土就可能出現(xiàn)破壞。

臺(tái)階面破壞；寬尾墩；流速；摻氣濃度；脈動(dòng)壓強(qiáng)

1 研究背景

融合了寬尾墩與臺(tái)階面的寬尾墩+臺(tái)階面聯(lián)合消能工，既推動(dòng)了RCC筑壩技術(shù)的發(fā)展，又發(fā)揮了寬尾墩大單寬泄洪消能工的優(yōu)勢，尤其是寬尾墩后面的無水區(qū)或薄水區(qū)在保證臺(tái)階壩面通氣的同時(shí)，還解決了臺(tái)階面大、小單寬流量泄洪的問題[1]。國內(nèi)最早采用寬尾墩+臺(tái)階面聯(lián)合消能工的工程是福建水東水電站[2]。其后，又相繼建成了大朝山[3]、索風(fēng)營和思林[4]等多個(gè)該消能形式的工程。這些工程分別采用了不同壩高、不同寬尾墩與臺(tái)階面的布置形式，且分別經(jīng)歷了100～200 m3/(s·m) 不同單寬流量的洪水泄洪運(yùn)行考驗(yàn)。

上述工程良好的運(yùn)行結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)說明，寬尾墩+臺(tái)階面消能形式完全可以解決臺(tái)階面大單寬泄洪的問題。但同樣采用這種消能形式的個(gè)別工程，在建成之初的首場洪水泄洪時(shí)就出現(xiàn)了臺(tái)階面破壞現(xiàn)象，特別是有些破壞竟然發(fā)生在小單寬流量泄洪條件下，如圖1所示。

同樣的布置形式，為什么其它工程運(yùn)行良好，而個(gè)別工程會(huì)產(chǎn)生破壞，因此很有必要對這些工程臺(tái)階面出現(xiàn)破壞的原因進(jìn)行探索研究。由于本文研究在參考部分工程原型資料基礎(chǔ)上，主要圍繞水工水力學(xué)模型試驗(yàn)資料的測試研究進(jìn)行，因此首先簡介模型試驗(yàn)并進(jìn)行了測試結(jié)果分析簡介。

2 臺(tái)階面模型試驗(yàn)測試與分析

2.1 模型試驗(yàn)簡介

考慮到邊孔寬尾墩體型與中間孔不同，可能影響寬尾墩水舌對臺(tái)階面的作用，試驗(yàn)選擇原型中靠近邊墻的2個(gè)閘孔制作局部試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＤＰ烷L度比尺Lr=40，原型閘孔寬度15 m，堰上最大水頭21.6 m，堰面布置X型寬尾墩，臺(tái)階面坡比為1∶0.75，臺(tái)階高度為1.2 m，共有50個(gè)臺(tái)階。

試驗(yàn)先后進(jìn)行了上、下游不同水位、閘門不同開度的臺(tái)階面時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)、流速及水流近底摻氣濃度等主要水力學(xué)參數(shù)的測試。其中每個(gè)臺(tái)階共布置3個(gè)壓強(qiáng)測點(diǎn)，水平面2個(gè)，垂直面1個(gè)，垂直面測點(diǎn)c布置于距離上平面大約0.16 m處，水平面第1個(gè)測點(diǎn)a布置于距離內(nèi)側(cè)垂直面0.3 m處，第2個(gè)測點(diǎn)b布置于距離外測邊緣0.16 m處，模型布置與壓強(qiáng)測點(diǎn)位置如圖2所示。流速測點(diǎn)布置于10#，16#，24#，32#，40#，48#臺(tái)階的閘孔中心線，摻氣濃度測點(diǎn)布置于16#，24#，32#，40#，48#臺(tái)階的閘孔中心線及距離中心線3.75 m處。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾肍ig.2 Layout of testing model

2.2 測試結(jié)果分析

臺(tái)階面時(shí)均壓強(qiáng)整體趨勢與同類工程研究資料的壓強(qiáng)分布是相同的[4]，呈鋸齒狀分布，就單個(gè)臺(tái)階來說，臺(tái)階水平面從內(nèi)到外，壓強(qiáng)從小變到最大，垂直面從上到下，壓強(qiáng)從小變到大。水平面最外側(cè)的b點(diǎn)壓強(qiáng)大部分都在150 kPa以下，在下游水位以下的個(gè)別測點(diǎn)，由于受到下游水深的壓強(qiáng)疊加作用可能高于200 kPa。

流速測點(diǎn)布置于模型臺(tái)階面近底2 mm附近，相當(dāng)于原型距離臺(tái)階面8 cm左右。試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)個(gè)別近底流速在25 m/s附近，大部分在20 m/s左右。這一結(jié)果與同類工程試驗(yàn)及原型結(jié)果一致[5]。

摻氣濃度測試結(jié)果規(guī)律性也很強(qiáng)，受寬尾墩橫向收縮作用影響，其后臺(tái)階面的水深很小，摻氣濃度就大一些，而閘孔中心線附近水深大，摻氣濃度就小一些；測點(diǎn)越靠近臺(tái)階初始段的摻氣空腔，摻氣濃度越高，遠(yuǎn)離摻氣空腔，向下游臺(tái)階面發(fā)展，摻氣濃度逐漸減小，水流進(jìn)入水墊后則呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；上游水位較低時(shí)水舌較薄，摻氣濃度一般較大，上游水位高時(shí)水舌厚，摻氣濃度較小；總體摻氣濃度基本都在2%以上，已建工程試驗(yàn)與原型觀測摻氣濃度測試結(jié)果表明，模型試驗(yàn)摻氣濃度在2%左右時(shí)，原型基本在5%左右，說明本次試驗(yàn)的摻氣濃度是滿足摻氣減蝕的要求[6]。

前面很多試驗(yàn)研究工作很少對臺(tái)階面脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行測試，但臺(tái)階內(nèi)部水流旋滾又增加了臺(tái)階所承受的水流紊動(dòng)作用，因此本試驗(yàn)在常規(guī)測試的基礎(chǔ)上，又對臺(tái)階水平面脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行了測試，測點(diǎn)基本沿閘孔中心線布置，從上到下每5個(gè)臺(tái)階設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，所有測點(diǎn)均與臺(tái)階水平面外側(cè)的時(shí)均壓強(qiáng)測點(diǎn)位置重合，以便對水流沖擊壓強(qiáng)較大值進(jìn)行測試。分析脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值發(fā)現(xiàn)，均方根變化幅度很大，最大的100 kPa，小的只有10～20 kPa，且脈動(dòng)均方根最大值基本位于10#，40#，45#臺(tái)階處，10#是水流剛接觸臺(tái)階面的沖擊點(diǎn)位置，40#，45#臺(tái)階處水流已經(jīng)接近反弧段，說明測試結(jié)果符合水流特征；中間段脈動(dòng)均方根較小，相對比較穩(wěn)定，大多集中在50 kPa左右。

將上述時(shí)均壓強(qiáng)、摻氣濃度及近底流速等水力學(xué)參數(shù)的測試結(jié)果與同類工程比較發(fā)現(xiàn)，其分布范圍與同類工程基本一致，這一結(jié)果說明，該工程臺(tái)階面體型設(shè)計(jì)已滿足同類工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 臺(tái)階面破壞原因的初判

一般臺(tái)階面破壞原因可能有以下3類：①過流面空蝕破壞;②高速水流對混凝土表面產(chǎn)生的沖擊破壞;③受水流作用力影響出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

過流面空蝕破壞一般產(chǎn)生于臺(tái)階面大單寬過流，而摻氣又得不到滿足的條件，早期丹江口大壩施工期過流出現(xiàn)的破壞應(yīng)該屬于這一類。此處所選工程是臺(tái)階面與寬尾墩聯(lián)合使用，前面測試已經(jīng)表明，受寬尾墩作用影響，閘孔中心線摻氣濃度最小，基本在2%以上，但結(jié)合已建工程資料的分析，其原型值可達(dá)5%左右，基本滿足原型臺(tái)階面摻氣減蝕需要，另外摻氣濃度和空腔長度均與索風(fēng)營工程基本相同，而索風(fēng)營工程臺(tái)階面運(yùn)行良好，由此可以說明臺(tái)階面不可能存在因摻氣不足而出現(xiàn)空蝕破壞。

本工程模型試驗(yàn)測試臺(tái)階面時(shí)均壓強(qiáng)最大值只有200 kPa，大部分在150 kPa左右，如果再加上脈動(dòng)壓強(qiáng)值約300 kPa，絕對不可能超過400 kPa。而流速測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)近底最大流速只有25 m/s，將該流速全部換算為沖擊水頭也只略>300 kPa，與壓強(qiáng)測試結(jié)果基本相同。臺(tái)階面碾壓混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度基本在25 MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流速水頭的沖擊壓強(qiáng)，因此臺(tái)階面也不可能出現(xiàn)因水流沖擊而產(chǎn)生破壞。

脈動(dòng)壓強(qiáng)對水工建筑物形成的破壞較多，許多工程事故分析結(jié)果表明，混凝土板塊的破壞基本是由于水流脈動(dòng)壓力傳入板塊底面縫隙層中，形成強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉力致使板塊失穩(wěn)[7]。

在板塊之間止水完好的情況下，脈動(dòng)壓力很難侵入板塊底部，但止水與混凝土施工質(zhì)量有問題時(shí)，止水就容易破損，破損就容易大量破壞。文獻(xiàn)[8]對止水完好與止水破壞2種狀態(tài)下的板塊穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算對比發(fā)現(xiàn)，止水破壞時(shí)板塊穩(wěn)定安全系數(shù)顯著降低，并且作用水頭越大，脈動(dòng)壓力作用越明顯。對本工程破壞特征進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，很多混凝土的碾壓層面結(jié)合并不好，因此有可能出現(xiàn)高速水流進(jìn)入層面導(dǎo)致臺(tái)階面破壞的現(xiàn)象發(fā)生。下面將從脈動(dòng)壓強(qiáng)測試資料與混凝土層面受力方面進(jìn)行破壞原因分析。

4 碾壓混凝土層面分離引起臺(tái)階面破壞機(jī)理探索

臺(tái)階面混凝土的澆筑是借助于RCC的逐層上升而完成，一般層厚0.3～0.5 m，與常態(tài)混凝土相比，碾壓混凝土成層性較多，每層之間的粘結(jié)力相對層內(nèi)較低。而所選工程原型閘孔中心線正好對應(yīng)壩體分縫，破壞特征觀察發(fā)現(xiàn)，很多壩縫止水已被破壞，同時(shí)施工形成的混凝土層間縫也比較多。下面就針對這種狀況進(jìn)行混凝土受力分析。

圖3 臺(tái)階面受到的作用力Fig.3 Forces on stepped surface

4.1 RCC混凝土層面上的作用力

由于臺(tái)階面混凝土破壞一般都是從臺(tái)階面水平面的最上層開始，所以此處就選擇最上層混凝土作為研究對象，對其受力進(jìn)行分析。破壞狀況表明，所選混凝土已與下層分離，同時(shí)深插入壩體，又受到上一層臺(tái)階混凝土的壓重，因此可認(rèn)為該層混凝土為左側(cè)有固定端的懸臂結(jié)構(gòu)。如圖3所示，其向下的作用力有時(shí)均壓強(qiáng)、混凝土層自重；向上的作用力只有水流脈動(dòng)壓強(qiáng)，其量值大小按照68.3%，95.5%，99.7%的結(jié)構(gòu)保證率，可分別取1倍、2倍、3倍脈動(dòng)均方根。由于臺(tái)階內(nèi)部水流的旋滾非常強(qiáng)烈，加上寬尾墩水流的射流作用，使得臺(tái)階內(nèi)部壓強(qiáng)分布非常復(fù)雜，因此計(jì)算作用力時(shí)，又對時(shí)均壓強(qiáng)進(jìn)行了一定的簡化和線性處理。

此處臺(tái)階水平面a點(diǎn)左側(cè)的壓強(qiáng)分布一般是從內(nèi)向外逐漸減小，a點(diǎn)處為最小值，但試驗(yàn)無法測量a點(diǎn)左側(cè)的壓強(qiáng)，該部分作用力對彎矩影響又很小，因此將其忽略不計(jì)。臺(tái)階水平面壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在距離內(nèi)邊緣(0.8～0.86)B(B為臺(tái)階水平面寬度)，甚至更靠外邊緣[4]，所以可取b點(diǎn)外側(cè)與b點(diǎn)等壓。a點(diǎn)與b點(diǎn)之間的壓強(qiáng)分布不一定是線性分布，可按線性化處理?；炷磷灾丶盎炷翆酉虏康拿}動(dòng)壓強(qiáng)都為均布荷載[9]。

4.2 混凝土層所受最大正應(yīng)力

這里計(jì)算分析采用材料力學(xué)的方法，因此需要提出2點(diǎn)假設(shè)：第一，臺(tái)階面混凝土為各向同性的材料；第二，臺(tái)階面最上層混凝土的約束為固定端約束。則其最大正應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

式中：σmax為混凝土層的最大正應(yīng)力；M為作用于混凝土層上的彎矩；Wz為彎曲截面系數(shù)。

混凝土的抗拉強(qiáng)度ft很低，一般約為抗壓強(qiáng)度fcu的7%～14%，這種關(guān)系可以近似地用經(jīng)驗(yàn)公式表示為

(2)

此處取fcu=25 MPa，則ft=1.97 MPa。

再引入一個(gè)不穩(wěn)定系數(shù)ξ，并且定義ξ為最大正應(yīng)力σmax與混凝土抗拉強(qiáng)度ft的比值，即

(3)

若ξ<0，說明向上的彎矩小于向下的彎矩，此時(shí)混凝土板的彎曲變形受到下層混凝土的支撐，使得混凝土板保持穩(wěn)定。若ξ∈[0,1]，說明向上的彎距大于向下的彎矩，但最大拉應(yīng)力σmax小于混凝土抗拉強(qiáng)度ft，此時(shí)混凝土板也保持穩(wěn)定。若ξ>1，則向上的彎矩大于向下的彎矩，且最大拉應(yīng)力σmax大于混凝土抗拉強(qiáng)度ft，此時(shí)混凝土板可能向上翻折出現(xiàn)破壞。

結(jié)合脈動(dòng)壓強(qiáng)測試結(jié)果，先后計(jì)算了8個(gè)臺(tái)階分別在8種工況下，脈動(dòng)壓強(qiáng)取不同值的最大正應(yīng)力，總共192種情況。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種工況臺(tái)階面下的ξ值Fig.4 Values of ξ under three working conditions

通過圖4的ξ值分析發(fā)現(xiàn)：如果脈動(dòng)壓強(qiáng)大小取σ，則不同臺(tái)階的ξ值均小于1，甚至一半小于0，即臺(tái)階面上層混凝土安全度較高；如果脈動(dòng)壓強(qiáng)大小取2σ，有少量測點(diǎn)的ξ>1，且堰上水頭越高，ξ>1的工況越多；如果脈動(dòng)壓強(qiáng)取3σ，大部分臺(tái)階的ξ值均大于1。即脈動(dòng)壓強(qiáng)達(dá)到3σ時(shí)，臺(tái)階面都比較容易遭受破壞。

雖然分析結(jié)果說明，脈動(dòng)壓強(qiáng)取3σ時(shí)，臺(tái)階面易出現(xiàn)破壞。但實(shí)際脈動(dòng)壓強(qiáng)作用力大小是一個(gè)隨機(jī)變化過程，而3σ僅在小于0.5%的小概率下出現(xiàn)，混凝土因施工而出現(xiàn)層面分離的概率也很小，因此一般情況下，臺(tái)階面出現(xiàn)破壞的可能性更小，這也正是很多與寬尾墩聯(lián)合使用的工程臺(tái)階面，雖然大流量泄洪，但卻極少出現(xiàn)破壞的原因。

5 結(jié) 語

本文通過工程模型試驗(yàn)，對有可能影響臺(tái)階面產(chǎn)生破壞的臺(tái)階面時(shí)均壓強(qiáng)、近底流速、摻氣濃度等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試分析；并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模型試驗(yàn)測試的臺(tái)階面脈動(dòng)壓強(qiáng)和時(shí)均壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，采用材料力學(xué)的方法，對臺(tái)階面混凝土進(jìn)行受力分析。分析結(jié)果表明：一般情況下，臺(tái)階面不容易產(chǎn)生破壞，但若碾壓混凝土由于施工質(zhì)量原因出現(xiàn)層面分離，同時(shí)又有壩縫止水破壞，則臺(tái)階面表層混凝土可能在脈動(dòng)壓強(qiáng)作用下出現(xiàn)破壞。

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[2] 何光同，曾憲康，李祖發(fā).水東水電站新型消能工結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，1994，(9)：26-28.

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(編輯：曾小漢)

Study on the Damage of Stepped Spillways Combinedwith Flaring Gate Piers

LI Xin-yao, YIN Jin-bu

(School of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture and Forest University, Yangling 712100, China)

Joint energy dissipation of stepped spillway and flaring gate pier was used in many projects, but the stepped surface damage was recently found in several projects. According to the model test and prototype measurement, the hydraulic parameters such as time average pressure, flow velocity near bottom and aeration concentration possibly affecting the damages of stepped surface under the action of nappe of flaring gate pier were analyzed. In the same time, the method of mechanics of materials was used to conduct force analysis of stepped concrete layers in association with fluctuating pressure and testing data of time average pressure. Results show that, under the conditions of stratifying of roller compacted concrete(RCC) and the damage of surface sealant , fluctuating pressure will act on concrete through surface fissures or interlayer fissures . Thus the maximum tensile stress will possibly occur and when it exceeds tensile strength of concrete, stepped concrete surface is possible to be harmed.

stepped concrete damage; flaring gate pier; flow velocity; aeration concentration; fluctuating pressure

2014-09-10；

2014-11-03

李昕堯(1991-)，男，山西靈石人，碩士研究生，主要從事工程水力學(xué)研究，(電話)15822216955(電子信箱)lxy31330@163.com。

尹進(jìn)步(1968-)，男，陜西禮泉人，副研究員，主要從事工程水力學(xué)研究，(電話)13609259097(電子信箱)xbsyjb@sina.com。

10.11988/ckyyb.20140789

2016,33(01):61-64

TV135.2

A

1001-5485(2016)01-0061-04