水利樞紐工程高含沙渾水壓力模型試驗(yàn)研究

周冬 王博 鐘麗佳

摘要：以黃河流域某水利樞紐工程為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)一套渾水壓力模型來(lái)模擬和測(cè)試高含沙渾水的基本狀態(tài)，用高精度土壓力計(jì)直接測(cè)量渾水的豎向壓強(qiáng)和水平壓強(qiáng)，并對(duì)渾水豎向壓強(qiáng)與水平壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：①含沙量為96.8～1075.1kg/m³渾水的水平壓強(qiáng)與豎向壓強(qiáng)的比值范圍為0.98～1.02，約等于1.0，即可以認(rèn)為在模型試驗(yàn)中各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強(qiáng)都約等于豎向壓強(qiáng);②渾水中泥沙沉積較快，在模型底部形成淤積體，淤積體的含水率為27.3%～39.1%，均大于土樣的液限，泥沙淤積體處于可流動(dòng)狀態(tài);③試驗(yàn)中渾水壓強(qiáng)沿高度的分布模式與靜水相同，驗(yàn)證了規(guī)范推薦的渾水壓力的計(jì)算方法對(duì)最大含沙量為1075.1kg/m³的渾水同樣適用。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn);壓力試驗(yàn);高含沙渾水;水利樞紐

中圖分類號(hào)：TV145;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水利工程在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)中占極其重要的位置，其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益不可小覷。然而，在水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)是否要考慮河流中泥沙荷載的問(wèn)題目前尚無(wú)明確規(guī)定。尤其是世界上含沙量最高的黃河，不僅在下游河段的河床中有大量泥沙淤積，而且在黃河中游也存在嚴(yán)重的季節(jié)性淤積，致使河南、山東等下游地區(qū)的水資源不能被充分利用，同時(shí)泥沙的存在也大大縮短了許多水庫(kù)的使用壽命。

當(dāng)含沙量較小時(shí)，在大壩設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略泥沙的壓力。當(dāng)含沙量較高時(shí)，筆者認(rèn)為必須考慮泥沙對(duì)壩體應(yīng)力的影響。高含沙渾水對(duì)水庫(kù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行等都存在一定的影響，如泥沙淤積可能導(dǎo)致壩前泥沙壓力增大。因此，有必要對(duì)高含沙渾水的壓力分布進(jìn)行研究。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于含沙量較高的渾水壓力的研究較少?！痘炷凉皦卧O(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）[1]中推薦含泥沙水（渾水）壓力的計(jì)算方法為

p=γ₂H（1）式中：p為計(jì)算點(diǎn)處渾水壓強(qiáng);γ_w為含泥沙水（渾水）的容重;H為計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭。

楊賚斐等[2-3]根據(jù)水電站建成前后的實(shí)測(cè)資料，對(duì)淤泥的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明淤泥的含水量愈大，其側(cè)壓力系數(shù)也愈大，當(dāng)含水量接近液限時(shí)，總側(cè)壓力系數(shù)接近1.0;陳一明等[4]首次對(duì)壩前泥沙壓力在淤積固結(jié)作用下的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壩前泥沙壓力在淤積固結(jié)作用下對(duì)壩體穩(wěn)定性不利;陳松偉等[5]利用有限元軟件計(jì)算了泥沙壓力作用下混凝土重力壩的應(yīng)力，指出重力壩設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮泥沙壓力的作用。

本文通過(guò)建立黃河流域某水利樞紐高含沙（含沙量為96.8～1075.1kg/m³）渾水壓力模型，模擬高含沙渾水的基本狀態(tài)，用高精度土壓力計(jì)直接測(cè)得渾水的豎向壓強(qiáng)和水平壓強(qiáng)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽喫茦?/p>

1.1 試驗(yàn)儀器、模型

模型試驗(yàn)中測(cè)試渾水壓強(qiáng)所用的儀器設(shè)備是BGK4810高精度土壓力計(jì)。該壓力計(jì)置于渾水之中，水壓力被加載到承壓盤(pán)上，從而引起壓力盒內(nèi)流體壓力的變化，由振弦式壓力傳感器測(cè)量壓力值。通過(guò)土壓力計(jì)直接測(cè)得渾水的豎向壓強(qiáng)和水平壓強(qiáng)。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一套圓筒模型：一根內(nèi)徑28cm、高10m的單開(kāi)口圓筒，并在圓筒的底部安裝一個(gè)閥門(mén)，用于試驗(yàn)完成后排出渾水。加工完成后的實(shí)物見(jiàn)圖1，土壓力計(jì)放置情況見(jiàn)圖2。

1.2 渾水制樣方法

以黃河流域某水利樞紐工程實(shí)測(cè)的泥沙級(jí)配資料為依據(jù)，人工配制與其級(jí)配相似的泥沙。配置泥沙所用的土料取自未經(jīng)人為擾動(dòng)的灘涂區(qū)。再根據(jù)試驗(yàn)所需的渾水含沙量，將制備的泥沙與相應(yīng)質(zhì)量的水混合，充分?jǐn)嚢杈鶆?，制得試?yàn)所需渾水。沙水質(zhì)量比與含沙量的關(guān)系為式中：λ為沙水質(zhì)量比;S為渾水含沙量;G_s為泥沙顆粒容重與水容重之比，取2.65。

2 試驗(yàn)的方法、步驟

本次模型試驗(yàn)計(jì)劃制備6組不同含沙量的水樣，并對(duì)渾水的豎向壓強(qiáng)和水平壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量分析。制備的渾水含沙量分別設(shè)定為96.8、253.0、379.4、600.8、790.5、1075.1kg/m³。制作渾水并將渾水灌入模型需要4～8h，測(cè)試數(shù)據(jù)的過(guò)程為50～200h，試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。

試驗(yàn)步驟如下：①根據(jù)設(shè)定的渾水含沙量，由式（2）確定的沙水質(zhì)量比稱取相應(yīng)質(zhì)量的泥沙和水;②將稱取的泥沙和水混合并充分?jǐn)嚢杈鶆?③將攪拌制作的渾水灌入圓筒模型中;④待渾水全部灌入到試驗(yàn)筒之后，立即讀取兩個(gè)土壓力計(jì)的數(shù)值，間隔2～10h再次讀數(shù)，直至測(cè)取數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 渾水壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化規(guī)律

3.1.1 不同含沙量渾水壓強(qiáng)的測(cè)試結(jié)果

（1）含沙量96.8kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖4（P₁為豎向壓強(qiáng)，P₂為水平壓強(qiáng)，下同），可知：測(cè)試剛開(kāi)始時(shí)水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)相差約3kPa，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)都有一定幅度的減小;P₂/P₁與1.0的差值不大于2%，可以認(rèn)為P₂=P₁。

（2）含沙量253.0kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6，可知：水平壓強(qiáng)與豎向壓強(qiáng)均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)有一定的減小，而P₂/P₁為1.00～1.02，與1.0的差異最大值為2%，可以認(rèn)為水平壓強(qiáng)約等于豎向壓強(qiáng)。

（3）含沙量379.4kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，可知：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)減小的幅度較小，不大于10kPa，壓強(qiáng)比值為0.98-0.99，均小于1.0，但與1.0的差值小于2%，故同樣可以認(rèn)為水平壓強(qiáng)約等于豎向壓強(qiáng)。

（4）含沙量600.8kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10，可知：隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)的減幅比之前的大，約減小25kPa，但試驗(yàn)后期測(cè)試數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定;壓強(qiáng)比值隨時(shí)間延長(zhǎng)的變幅很小，不大于2%，且約等于1.0，可認(rèn)為此含沙量渾水的水平壓強(qiáng)約等于豎向壓強(qiáng)。

（5）含沙量790.5kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12，可知：水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)均隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，在測(cè)試后期壓強(qiáng)值有小幅波動(dòng)，但總體趨于穩(wěn)定，水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)的穩(wěn)定值與試驗(yàn)最初測(cè)得的壓強(qiáng)值都相比減小了約30kPa;壓強(qiáng)比值隨著時(shí)間的變化在1.0上下波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大于1%，可以認(rèn)為水平壓強(qiáng)約等于豎向壓強(qiáng)。

（6）含沙量1075.1kg/m³。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13、圖14，可知：水平和豎向壓強(qiáng)在試驗(yàn)0～60h內(nèi)隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減小，在80～100h時(shí)有小幅增大，這可能與人為因素有關(guān)，而后逐漸趨于穩(wěn)定，約等于100kPa;壓強(qiáng)比值除了在168h時(shí)等于0.99，其余均等于1.0，故可認(rèn)為含沙量為1075.1kg/m³時(shí)渾水的水平壓強(qiáng)也等于豎向壓強(qiáng)。

綜上所述，各組試驗(yàn)渾水的水平壓強(qiáng)和豎向壓強(qiáng)都隨測(cè)試時(shí)間有一定的減小，后期趨于穩(wěn)定;壓強(qiáng)比值為0.98～1.02，與1.0的差異不大于2%，約等于1.0，可以認(rèn)為各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強(qiáng)基本等于豎向壓強(qiáng)。

3.1.2 不同含沙量時(shí)水平壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖3、圖5、圖7、圖9、圖11、圖13可知，在試驗(yàn)過(guò)程中，各組不同含沙量的渾水壓強(qiáng)都隨時(shí)間在變化，再繪制各組試驗(yàn)渾水的水平壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖15。

由圖15可知，6組不同含沙量渾水的水平壓強(qiáng)都是在試驗(yàn)開(kāi)始階段減小較快，含沙量為96.8～790.5kg/m³的渾水經(jīng)過(guò)大約20h后壓強(qiáng)值趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定值附近小范圍波動(dòng);含沙量為1075.1kg/m³的渾水經(jīng)過(guò)大約60h后壓強(qiáng)值也趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)的壓強(qiáng)值實(shí)際上是渾水從初始密度到沉積至最終狀態(tài)這個(gè)過(guò)程中的壓強(qiáng)數(shù)值。在模型試驗(yàn)中出現(xiàn)壓強(qiáng)隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象，經(jīng)分析主要原因是：試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，灌入的是經(jīng)人為攪拌均勻的渾水，渾水含沙量較高，在灌入圓筒模型后，泥沙顆粒在自重作用下下沉，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間沉降后，泥沙在鋼筒下部堆積固結(jié)，形成泥沙柱狀體，柱狀體與鋼筒內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，內(nèi)壁對(duì)柱狀體產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力，所以測(cè)試的壓強(qiáng)隨著時(shí)間推移逐漸減小，待泥沙沉積基本完成后，摩擦力趨于穩(wěn)定，壓強(qiáng)處于一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值。因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中兩個(gè)土壓力計(jì)的位置基本一致，所以管壁摩擦力對(duì)二者比值的影響非常微小。

3.2 渾水沉積后的狀態(tài)

試驗(yàn)過(guò)程中隨著時(shí)間的推移，泥沙顆粒會(huì)沉積固結(jié)。試驗(yàn)結(jié)束后排出的泥沙見(jiàn)圖16，其密度、含水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，試驗(yàn)后沉積固結(jié)的泥沙含水率為27.3%～39.1%，而模型試驗(yàn)配置泥沙所用土樣的液限為25.9%，沉積后的泥沙處于流態(tài)，即在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，渾水基本處于黏稠狀的可流動(dòng)狀態(tài)。可見(jiàn)，沉積后的泥沙淤積體處于高含水量的飽和狀態(tài)，含水量均大于所用土料的液限，內(nèi)摩擦角幾乎等于零。根據(jù)土壓力基本理論，泥沙的側(cè)向壓力基本等于豎向壓力。整個(gè)過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)表明渾水的水平壓強(qiáng)與豎向壓強(qiáng)比值約等于1.0，所以泥沙均勻分布的渾水水平壓強(qiáng)等于其豎向壓強(qiáng)。

以上試驗(yàn)結(jié)果及分析均符合流體力學(xué)基本理論，故可以認(rèn)為高含沙渾水（含沙量96.8～1075.1kg/m³）的壓強(qiáng)沿高度的分布模式與靜水相同，這與《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）中的含泥沙水（渾水）壓力的計(jì)算方法一致，驗(yàn)證了該計(jì)算方法對(duì)高含沙量（最大1075.1kg/m³）情況也適用。

4 結(jié)論

（1）含沙量為96.8～1075.1kg/m³渾水的水平壓強(qiáng)與豎向壓強(qiáng)的比值范圍為0.98～1.02，約等于1.0，即可以認(rèn)為在模型試驗(yàn)中，各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強(qiáng)都約等于豎向壓強(qiáng)。

（2）渾水中泥沙沉積較快，在模型底部形成淤積體，淤積體的含水率為27.3%～39.1%，均大于土樣的液限，泥沙淤積體處于可流動(dòng)狀態(tài)。

（3）試驗(yàn)中渾水壓強(qiáng)沿高度的分布模式與靜水相同，驗(yàn)證了規(guī)范推薦的含泥沙水（渾水）壓力的計(jì)算方法對(duì)高含沙量（最大1075.1kg/m³）同樣適用。

參考文獻(xiàn)：

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