混凝土楔形體在水電站導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定性優(yōu)化中的應(yīng)用

黃 亮

(江西省宜春市水利水電工程監(jiān)理有限公司，江西 宜春 336000)

0 引 言

圍堰指的是在水利工程建設(shè)中，為了建造永久性水利設(shè)施而修建的臨時(shí)性維護(hù)結(jié)構(gòu)。其作用是防止水和土進(jìn)入修建位置，方便圍堰內(nèi)部排水工作，為開挖基坑準(zhǔn)備基礎(chǔ)工作。圍堰主要用于水工建筑中，一般在用完后拆除。圍堰屬于一種臨時(shí)性擋水建筑物，對(duì)于結(jié)構(gòu)來講需要具有穩(wěn)定、防滲、抗沖的性能[1]。在施工技術(shù)上，要方便使用后的拆卸，結(jié)構(gòu)布局上水流平順。楔形體下底面是梯形或平行四邊形，上底面變成與下底面平行邊平行的線段的一種擬柱體。過流圍堰是指在一定條件下允許堰頂過水的圍堰，過流圍堰可以承擔(dān)擋水任務(wù)，一般建設(shè)在洪枯流量比值大，水位變幅顯著的河流。水電站導(dǎo)流圍堰受到很多外部因素的干擾，為此研究混凝土楔形體在水電站導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定優(yōu)化中的應(yīng)用，利用混凝土楔形體硬度大的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)圍堰的穩(wěn)定性[2]。國內(nèi)外施工水電站采用過流圍堰的形式較多，國外早在1966年就已開始過流圍堰工程的設(shè)計(jì)研究，截至到目前，已經(jīng)建造成多種過流圍堰工程，有著成熟的知識(shí)理論體系。國內(nèi)也已經(jīng)形成諸多的導(dǎo)流圍堰工程，構(gòu)建出多種行之有效的研究理論，增強(qiáng)了水電站工作過程的安全[3]。

1 混凝土楔形體在水電站導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定性優(yōu)化中的應(yīng)用

1.1 控制圍堰開裂特征參數(shù)

混凝土楔形體在水電站導(dǎo)流圍堰運(yùn)用時(shí)，導(dǎo)流圍堰分布著一個(gè)滲流場(chǎng)，圍堰的滲透系數(shù)較小，所以設(shè)定其量級(jí)為1E-10 m/s,圍堰在接縫處的單位寬度流量就可表示為：

(1)

其中：b為圍堰寬度；v為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；vb為裂縫處的滲流速度；J為圍堰裂縫處水力坡降；g為重力加速度。

在相同的滲透系數(shù)下，根據(jù)達(dá)西定理，混凝土楔形體在圍堰中表現(xiàn)出的流量數(shù)值va就可計(jì)算為：

(2)

式中：k為滲透系數(shù)。

將上述兩項(xiàng)滲透計(jì)算公式聯(lián)立，得到混凝土楔形體運(yùn)用后的滲透系數(shù)表達(dá)式：

(3)

式中：各個(gè)參數(shù)含義不變。

在上述滲透參數(shù)的控制下，選用不同水電站過流圍堰的參數(shù)，見表1。

在表1所示的各項(xiàng)參數(shù)下，將導(dǎo)流圍堰按照實(shí)體單元處理，以式(3)的滲透系數(shù)為參考，構(gòu)建導(dǎo)流圍堰局部的數(shù)值模型坐標(biāo)系，見圖1。

表1 不同水電站過流圍堰的參數(shù)

圖1 數(shù)值模型坐標(biāo)系

以圖1所示的數(shù)值模型為研究對(duì)象，導(dǎo)入表1中的各項(xiàng)系數(shù)至數(shù)值模型坐標(biāo)中，模擬不同控制混凝土楔形體的開裂縫數(shù)值大小，匯總不同縫寬數(shù)值下產(chǎn)生的裂縫數(shù)量，見表2。

表2 模型不同縫寬產(chǎn)生的裂縫數(shù)量

由表2所示的數(shù)值可知，在不同縫寬數(shù)值下，裂縫數(shù)量基本可以維持在數(shù)值6及以下[4]。以表2中最大縫長(zhǎng)及縫寬數(shù)值為自變量，構(gòu)建開裂優(yōu)化方程，開裂優(yōu)化方程可表示為：

(4)

其中：L為裂縫長(zhǎng)度；D為開裂深度；a為混凝土楔形體的強(qiáng)度；c為混凝土楔形體水泥含量。

按照上述計(jì)算公式優(yōu)化導(dǎo)流圍堰開裂特征參數(shù)，降低裂縫對(duì)圍堰穩(wěn)定性的破壞[5]。對(duì)開裂參數(shù)優(yōu)化后，控制圍堰導(dǎo)流過程的滲透量，最終計(jì)算得到混凝土楔形體在水電站穩(wěn)定優(yōu)化中的穩(wěn)定系數(shù)[6]。

1.2 減少導(dǎo)流滲透量

采用上述優(yōu)化后的開裂特征參數(shù)，在圖1的模型中，計(jì)算過流水體的壓力水頭數(shù)值，計(jì)算公式可表示為：

(5)

其中：h為圍堰的水體高度；c為圍堰水體的流量參數(shù)；s為圍堰的橫截面積；其余參數(shù)含義保持不變。

過流圍堰不同數(shù)值的開裂縫寬有著不同的壓力水頭[7]，假設(shè)圍堰堰體分邊界水頭分布存在兩種邊界，數(shù)量關(guān)系可表示為：

(6)

式中：x,y,z均為分界位置數(shù)值；κ為分邊界；t為導(dǎo)流時(shí)間；φ為分布函數(shù)；其余參數(shù)含義不變。

當(dāng)過流圍堰出現(xiàn)隔水邊界時(shí)，式(6)中q=0，水壓的各向滲透系數(shù)相等[8]，此時(shí)水體的壓力水頭數(shù)值就是z。但在實(shí)際水電站導(dǎo)流圍堰中，還常常包含流量邊界，此時(shí)流量邊界就可表示為：

(7)

式中：f為流量；其余參數(shù)含義不變。

結(jié)合上述得到的邊界數(shù)量關(guān)系，得到導(dǎo)流圍堰的壓力水頭等值線，見圖2。

圖2 壓力水頭等值線

以圖2所示的壓力水頭等值線相等的數(shù)值為相同的水流流向，在相同水流方向上，采用摩爾-庫倫模型分析相同水流方向?qū)Я髟趪弋a(chǎn)生的滲透量[9]，在混凝土楔形體的參與下，計(jì)算滲透量的主應(yīng)變?cè)隽?，?shù)量公式可表示為：

(8)

式中：e為混凝土楔形體產(chǎn)生的彈性；p為塑性應(yīng)變；ε為形變參數(shù)。

根據(jù)廣義的胡克定律，計(jì)算該部分水壓在不同方向產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽浚?jì)算公式可表示為：

(9)

式中：σ為增量數(shù)值；下角標(biāo)1,2,3分別為模型的不同坐標(biāo)方向；α1、α2分別為彈性系數(shù)，存在如下數(shù)量關(guān)系：

(10)

式中：K為上下游水頭差；G為水體滲透速度。

在使用混凝土楔形體穩(wěn)定優(yōu)化過流圍堰時(shí)，當(dāng)混凝土楔形體的剪應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，穩(wěn)定優(yōu)化過程會(huì)進(jìn)入屈服狀態(tài)[10]，該狀態(tài)可表示為：

|τn|=g(σn)

(11)

上述數(shù)量關(guān)系中，混凝土楔形體在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)不同狀態(tài)的臨界值，控制不同屈服狀態(tài)[11]，進(jìn)而控制水體的導(dǎo)流滲透量，維持圍堰的穩(wěn)定。

1.3 優(yōu)化穩(wěn)定系數(shù)

在應(yīng)用混凝土楔形體后，以上述計(jì)算得到的開裂系數(shù)與滲透量數(shù)值為基礎(chǔ)，將此時(shí)穩(wěn)定優(yōu)化過程視為折線型實(shí)用堰計(jì)算，計(jì)算得到堰上頭水H。計(jì)算公式可表示為：

(12)

其中：γ為淹沒系數(shù)；m0為流量系數(shù)；B為河道寬度；Q為單位流量。

在該數(shù)量值的控制下，長(zhǎng)時(shí)間的水流沖擊會(huì)在圍堰處形成沖擊坑[12]，混凝土楔形體會(huì)在圍堰下游形成一個(gè)穩(wěn)定消力池，穩(wěn)定過程可表示為：

(13)

其中：q為水頭損失；h為圍堰首端水深；d為混凝土楔形體半徑；y為水體的流經(jīng)距離；s為水體流經(jīng)時(shí)間。

根據(jù)上述計(jì)算處理公式，在混凝土楔形體的參與下，控制得到不同穩(wěn)定系數(shù)[13]，圍堰的穩(wěn)定性系數(shù)變化見圖3。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)變化

由圖3所示的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律可知，隨著混凝土楔形體控制得到的流速數(shù)值不斷增大[14]，穩(wěn)定性數(shù)值也就越小。在實(shí)際使用混凝土楔形體穩(wěn)定優(yōu)化水電站導(dǎo)流圍堰時(shí)，引入一個(gè)動(dòng)能校正系數(shù)[15]，進(jìn)而控制圍堰水流的速度，將水電站的圍堰劃分為不同的區(qū)段，計(jì)算不同區(qū)段的消能率。計(jì)算公式可表示為：

(14)

其中：E1為一區(qū)段的消能率；E2為二區(qū)段的消能率；E0為總區(qū)段的消能率。

在實(shí)際優(yōu)化時(shí)，從水電站的下游河道開始，逐級(jí)向?qū)Я鲊叩纳嫌斡?jì)算，最終完成對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的優(yōu)化。綜合上述處理，最終完成研究分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用混凝土原材料制成3種不同的混凝土楔形體用于實(shí)驗(yàn)，混凝土的配比情況見表3。

表3 混凝土含量配比

如表3所示的配比制成3種相同配比的混凝土楔形體，計(jì)算混凝土楔形體在實(shí)際使用時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)。性能參數(shù)見表4。

表4 混凝土構(gòu)件性能參數(shù)

在上述性能參數(shù)的控制下，采用圖4所示的圍堰布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖4 導(dǎo)流圍堰布置結(jié)構(gòu)

在圖4所示的圍堰布置結(jié)構(gòu)中，控制圍堰堰體的水流速度維持在0.5 m/s的上升速度，計(jì)算未使用混凝土楔形體前圍堰的穩(wěn)定性系數(shù)，并使用一種傳統(tǒng)應(yīng)用方法與文中研究的應(yīng)用方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比3種應(yīng)用方式的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定水電站內(nèi)的水流速度為0.5 m/s上升方向，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為50 h，設(shè)定開裂測(cè)量時(shí)間點(diǎn)每隔5 h測(cè)量一次，以圍堰堰體的開裂數(shù)值為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，在不同應(yīng)用條件下，圍堰的開裂數(shù)值結(jié)果見表5。

表5 圍堰堰體開裂數(shù)值

由表5所示的圍堰堰體開裂數(shù)值可知，3種不同的應(yīng)用條件對(duì)圍堰堰體有著不同程度的剪切力，不同的剪切力形成不同的開裂數(shù)值。未使用混凝土楔形體行穩(wěn)定性優(yōu)化方法形成的開裂數(shù)值較大，在最終測(cè)量時(shí)間點(diǎn)形成的開裂系數(shù)為0.38 cm，開裂數(shù)值最大；采用傳統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)化方法的圍堰堰體最終形成的開裂數(shù)值為0.29，開裂數(shù)值較小；而文中應(yīng)用了混凝土楔形體的穩(wěn)定優(yōu)化方法最終形成的開裂數(shù)值為0.18。綜合上述對(duì)開裂數(shù)值的研究可知，應(yīng)用了混凝土楔形體的穩(wěn)定性優(yōu)化方法能夠有效地控制圍堰堰體的開裂系數(shù)。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，在3種不同的穩(wěn)定性優(yōu)化條件下，采用瑞典圓弧法計(jì)算圍堰的安全性系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(15)

其中：F為安全系數(shù)；MR為抗滑力矩；Ms為土體繞圓心下滑的滑動(dòng)力矩。

根據(jù)上述計(jì)算公式，取應(yīng)用3種不同性能系數(shù)的混凝土楔形體的平均值作為最終的穩(wěn)定性系數(shù)，最終得到3種應(yīng)用條件下的穩(wěn)定性數(shù)值。穩(wěn)定性數(shù)值結(jié)果見圖5。

圖5 安全系數(shù)變化

由圖5所示的安全系數(shù)變化可知，在直接對(duì)水電站導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，水電站導(dǎo)流圍堰的安全系數(shù)在1.9左右，安全系數(shù)數(shù)值最小；在應(yīng)用傳統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化方法時(shí)，計(jì)算得到的安全系數(shù)在2.1左右，要比穩(wěn)定性優(yōu)化時(shí)未使用混凝土楔形體時(shí)的安全性數(shù)值要大；而穩(wěn)定優(yōu)化過程中應(yīng)用了混凝土楔形體的應(yīng)用方法最終得到的平均安全數(shù)值為2.3左右，綜合上述安全數(shù)值，文中研究的應(yīng)用方法得到的圍堰安全數(shù)值更大。

3 結(jié) 語

水電站導(dǎo)流圍堰的穩(wěn)定是水電站正常發(fā)電工作的重要前提，混凝土楔形體在圍堰過程中能夠起到穩(wěn)固圍堰穩(wěn)定性的作用，為此研究混凝土楔形體在水電站導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定優(yōu)化中的應(yīng)用。利用混凝土楔形體來優(yōu)化圍堰的穩(wěn)定性，能夠改善傳統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)化方法開裂數(shù)值過大、圍堰安全數(shù)值過低的不足，具有一定的實(shí)用性。