某樞紐工程聯(lián)合水墊塘不同運(yùn)行工況上舉力變化規(guī)律研究

羅昌輝

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

某樞紐工程位于葉爾羌河山區(qū)河段下游，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。水庫(kù)總庫(kù)容22. 45×108m3，最大壩高164.8 m，最大下泄流量6 700 m3/s。

高壩泄洪消能方式中，挑流消能方式因工程量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、耗資省等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用最多[1-2]，高壩泄洪水舌落入水墊塘，在護(hù)坦上出現(xiàn)形成淹沒(méi)沖擊射流。由于射流的卷吸作用，射流流速沿程衰減，水墊起到消能作用。但是，沖擊射流到達(dá)邊壁時(shí)，尚具有一定的流速，故產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)。由于水墊塘底板襯砌塊之間存在施工縫及與基巖間有接觸縫，在高速?zèng)_擊射流的作用下，動(dòng)水壓強(qiáng)不僅作用于底板上表面，也通過(guò)縫隙傳到底板的下表面。水墊塘底板塊所受上舉力定義為上下表面動(dòng)水壓力之差。

李樹(shù)寧等[3]對(duì)某水電站溢洪道陡槽底板的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了溢洪道陡槽底板的上舉力特性。辜晉德和練繼建[4]利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性映射功能構(gòu)建一個(gè)上舉力預(yù)測(cè)系統(tǒng)，具有較好的預(yù)測(cè)效果。侯慶國(guó)[5]根據(jù)某工程反拱型水墊塘的模型試驗(yàn)，闡明上舉力的橫向分布規(guī)律和上舉力隨下游水墊深度不同而變化的規(guī)律。馬斌等[6]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)帶鍵槽的透水底板進(jìn)行研究。

基于此，筆者通過(guò)模型試驗(yàn)，研究跌坎消力池在不同運(yùn)行工況下單位面積最大上舉力隨著位置不同的變化規(guī)律，以期為計(jì)算板塊穩(wěn)定所需要的錨固力提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 上舉力傳感器布置及監(jiān)測(cè)

本文在前期模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[7]，沿水墊塘底板布置兩列(分別定義為A列、B列)上舉力傳感器，每列7個(gè)共計(jì)14個(gè)上舉力傳感器，板塊及傳感器布置見(jiàn)圖1，各傳感器對(duì)應(yīng)的樁號(hào)見(jiàn)表1，板塊尺寸為10 m×10 m×3 m。消力池底板上舉力通過(guò)儀器進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方法見(jiàn)圖2-圖3，運(yùn)行工況見(jiàn)表2。

表1 上舉力傳感器及其樁號(hào)

圖1 水墊塘底板板塊及上舉力傳感器布置

圖2 上舉力傳感器安裝

圖3 上舉力測(cè)試框圖

工況泄洪運(yùn)行組合上游水位 /m下游水位 /m工況11#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)1 819.201 667.26工況21#表孔、中孔全開(kāi)1 820.991 666.45工況31#表孔、2#表孔全開(kāi)1 820.991 666.42工況41#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)1 819.861 667.38工況51#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)1 820.991 667.61工況61#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)1 821.651 667.74工況71#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)1 823.641 668.10工況81#表孔、2#表孔全開(kāi)1 823.231 667.01

3 各工況下上舉力和測(cè)點(diǎn)樁號(hào)之間的變化規(guī)律

為研究在不同運(yùn)行工況下，不同位置上舉力的變化規(guī)律，將模型試驗(yàn)中儀器監(jiān)測(cè)到的A列、B列單位面積上舉力值繪制于圖4-圖19。圖4-圖19中，時(shí)均上舉力和脈動(dòng)上舉力用來(lái)復(fù)核最大上舉力的變化趨勢(shì)。

圖4 工況1A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖5 工況1B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖6 工況2A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖7 工況2B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖8 工況3A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖9 工況3B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖10 工況4A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖11 工況4B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖12 工況5A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖13 工況5B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖14 工況6A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖15 工況6B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖16 工況7A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖18 工況8A列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

圖19 工況8B列上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

分析圖4-圖19可知，工況1中A列和B列單位面積最大上舉力分別為16.186×9.8和12.531×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況2中A列和B列單位面積最大上舉力分別為26.211×9.8和15.649×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況3中A列和B列單位面積最大上舉力分別為18.745×9.8和4.000×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+673.740”；工況4中A列和B列單位面積最大上舉力分別為19.558×9.8和11.898×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況5中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.938×9.8和12.792×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況6中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.710×9.8和13.101×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況7中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.651×9.8和13.554×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況8中A列和B列單位面積最大上舉力分別為21.273×9.8和4.018×9.8 kN/m2，樁號(hào)分別為“中0+718.740”和 “中0+673.740”。圖4-圖19中，時(shí)均上舉力和脈動(dòng)上舉力變化趨勢(shì)與最大上舉力的變化趨勢(shì)幾乎一致，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果較為合理。綜合上述各工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，A列、B列中單位面積上舉力最大值發(fā)生在約0.83倍水墊塘長(zhǎng)度處。

為進(jìn)一步分析不同工況下，水墊塘底板上舉力隨著樁號(hào)變化規(guī)律，將各工況下水墊塘底板單位面積最大上舉力與不同樁號(hào)之間的變化規(guī)律繪制于圖20。

圖20 各工況下單位面積最大上舉力隨樁號(hào)變化規(guī)律

分析圖20可知，工況1、4、5、6、7為1#表孔、2#表孔、中孔全開(kāi)的情況，單位面積上舉力分布趨勢(shì)一致，上舉力基本隨上游水位的增大而增大。A列上舉力的變化幅度明顯大于B列上舉力。A列的最大上舉力在樁號(hào)“中0+718.740”處達(dá)到最大，為21.273×9.8 kN/m2；B列的最大上舉力在樁號(hào)“中0+713.740”處達(dá)到最大，為13.554×9.8 kN/m2。工況2、3、8為泄水建筑物不對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟工況，A列單位面積最大上舉力的分布趨勢(shì)一致，在樁號(hào)“中0+718.740”處達(dá)到最大，其單位面積最大上舉力達(dá)到26.211×9.8 kN/m2。

綜合所有工況，樁號(hào)“中0+718.740”附近板塊所承受的上舉力最大，中線(xiàn)附近板塊承受的最大上舉力大于兩側(cè)，從而為計(jì)算板塊穩(wěn)定所需要的錨固力提供依據(jù)。若需減小這一錨固力，可采取必要措施增加水墊塘水墊深度，降低上舉力。如在水墊塘尾部增設(shè)尾坎、降低水墊塘底板或二者組合，都可以有效增加水墊塘水墊深度，減小上舉力。

4 結(jié) 論

本文借助前期模型試驗(yàn)，對(duì)水墊塘上舉力變化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)1#表孔、2#表孔和中孔不同開(kāi)啟方式和下泄流量共計(jì)8個(gè)工況和不同位置處的單位面積上舉力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，工況2時(shí)，單位面積上舉力最大，且發(fā)生在距水墊塘進(jìn)口100 m處，為設(shè)計(jì)底板錨固力提供依據(jù)。