人工水墊塘在土石壩工程中的應(yīng)用

曹彥虎，楊璐暢

（1.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司陜西分公司,陜西 西安 710000；2.山東省長(zhǎng)清黃河河務(wù)局,山東濟(jì)南 250000）

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程位于河口出山口上游基巖出露的丘陵狹谷區(qū),河谷形態(tài)多呈“U”型,該水利樞紐工程主要由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪洞、引水發(fā)電洞、表孔溢洪洞、電站廠房等建筑物組成。其中設(shè)置的人工水墊塘主要用于表孔溢洪洞的末端消能,表空溢洪道布置在左壩肩處,隧洞軸線與壩軸線夾角為91°。挑流鼻坎下設(shè)寬20 m,長(zhǎng)50 m,深6 m鋼筋砼水墊塘。水墊塘后接270 m泄洪渠,將洪水宣泄至下游河道。

2 水墊塘布置

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形情況,表空溢洪洞出口為一天然沖溝,沖溝與隧洞出口底高程的落差約11.5 m,沖溝最大寬度為50 m,兩側(cè)為巖質(zhì)山體,且走向基本與洞軸線垂直,若采用底流式消能,存在兩個(gè)主要問(wèn)題,一是沖溝寬度有限,設(shè)置“陡坡+消力池”進(jìn)行一級(jí)消能時(shí)長(zhǎng)度不足,且對(duì)岸岸坡為巖質(zhì)山體,不便進(jìn)行大規(guī)模的開挖；二是沖溝走向與洞軸線基本呈垂直狀態(tài),水流處消力池后要經(jīng)過(guò)90°折角才能下泄到下游河道,水流流態(tài)差。鑒于地形條件的制約,考慮采用“差動(dòng)式挑流+人工水墊塘”的方式進(jìn)行表孔溢洪洞的一級(jí)消能。布置見(jiàn)圖1。

圖1 水墊塘平面布置示意圖

人工水墊塘水利設(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是水流挑距的確定,即確定水墊塘的長(zhǎng)度；二是水墊塘容積的確定,即保障消能的效率。

2.1 水舌挑距的確定

對(duì)于水舌的確定,在項(xiàng)目建議及可研階段一般通過(guò)理論公式計(jì)算,結(jié)合工程類別確定,在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段多用模型實(shí)驗(yàn)的方式加以驗(yàn)證?！痘炷凉皦卧O(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中對(duì)水流挑距的計(jì)算給出了經(jīng)驗(yàn)公式,即：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水舌挑距計(jì)算成果表

在經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,模型實(shí)驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 模型實(shí)驗(yàn)水舌挑距成果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述成果可以看出,模型實(shí)驗(yàn)的水舌挑距明顯小于規(guī)范公式計(jì)算值,約為計(jì)算值的58%～62%之間,最大差值接近26 m。無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算還是模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果,均隨著下泄流量的增大,水舌挑距在增大。因此下泄流量一旦超過(guò)限制,水流將會(huì)直接沖出水墊塘。

2.2 水墊塘有效容積的確定

對(duì)于人工水墊塘容積需求的計(jì)算,規(guī)范里沒(méi)有明確的說(shuō)明。吳鵬等在《高頭泄水建筑差動(dòng)式挑流消能研究》[2]中給出了消能所需水體體積的估算公式,即：

式中：T為水墊深度,包括尾水和沖坑深度,m。

根據(jù)上述公式,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水舌挑距及消能所需水體體積計(jì)算表

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形條件的限制,在模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定水墊塘的設(shè)計(jì)尺寸為50 m×20 m×6 m。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸,水墊塘有效容積為6000 m3,遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值,從模型實(shí)驗(yàn)的效能效果上看,水舌在水墊塘內(nèi)消能比較充分。水流在水墊塘中的流態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 水流在水墊塘中的流態(tài)

3 水墊塘抗浮穩(wěn)定計(jì)算

《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中指出,人工水墊塘的空間布置、結(jié)構(gòu)型式以及混凝土底板穩(wěn)定條件的確定,是挑流、跌流消能工況設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。水墊塘水深和板塊穩(wěn)定設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)為（10～15）×9.8 kPa。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法

研究表明,導(dǎo)致水墊塘底板失穩(wěn)的主要荷載是脈動(dòng)上舉力,因此水墊塘板塊穩(wěn)定分析的關(guān)鍵在于確定脈動(dòng)壓力的分布范圖?！端そㄖ锖奢d設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]給出的脈動(dòng)壓力公式如下：

脈動(dòng)壓強(qiáng)計(jì)算公式如下：

3.2 模型實(shí)驗(yàn)研究成果

動(dòng)水脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)位置根據(jù)各試驗(yàn)工況水舌入水范圍綜合確定,具體位置見(jiàn)圖3。

圖3 水墊塘底板與側(cè)壁動(dòng)水壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)各工況條件下水墊塘底板各測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力時(shí)程曲線以及各工況條件下水墊塘側(cè)壁動(dòng)水壓力時(shí)程曲線。從瞬時(shí)壓力時(shí)程曲線來(lái)看,測(cè)點(diǎn)1的壓力波動(dòng)最小,其他測(cè)點(diǎn)在不同的工況下趨勢(shì)差異相對(duì)明顯。

不同負(fù)荷條件下,各測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力時(shí)均值、均方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4,圖4為底板與側(cè)壁各測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力統(tǒng)計(jì)值對(duì)比圖,圖5為水墊塘底板上動(dòng)水壓力最大時(shí)均值、最大均方差與泄流的關(guān)系。圖、表中各特征量均已換算為原型值。

表4 消能防沖工況脈動(dòng)壓力統(tǒng)計(jì)值（原型值）

圖4 水墊塘形體示意圖

圖5 鍵槽大樣圖

3.3 水墊塘抗浮穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水工建筑物水流壓力脈動(dòng)和流激振動(dòng)模型試驗(yàn)規(guī)程》[4]的規(guī)定,水墊塘底板動(dòng)水壓力均方差（即脈動(dòng)壓力的均方根）表征了壓力脈動(dòng)強(qiáng)度的大小。

水墊塘底板的抗浮穩(wěn)定基本計(jì)算公式如下：

將模型實(shí)驗(yàn)給出的計(jì)算結(jié)果帶入穩(wěn)定計(jì)算公式,并和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

從上述計(jì)算的結(jié)果可以看出：

（1）脈動(dòng)壓力的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值均大于模型實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值,計(jì)算值約為實(shí)測(cè)值的1.26～1.55倍。

（2）由于特殊組合為放空檢修狀態(tài),不受脈動(dòng)壓力的影響,因此特殊組合情況下各工況的安全系數(shù)值均相等,為定值。

（3）脈動(dòng)壓力實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)均大于脈動(dòng)壓力計(jì)算值對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),再次說(shuō)明脈動(dòng)壓力對(duì)底板的穩(wěn)定起了決定性的作用,是決定水墊塘底板穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

（4）在基本組合中,無(wú)論是脈動(dòng)壓力實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),還是脈動(dòng)壓力計(jì)算值所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),隨著下泄流量的增大而減小。當(dāng)下泄流量超過(guò)一定限制后,水墊塘必然會(huì)發(fā)生破壞。

通過(guò)計(jì)算及模型實(shí)驗(yàn)成果,最終確定的水墊塘形體見(jiàn)圖4。

3.4 構(gòu)造措施

針對(duì)本工程的實(shí)際情況,在理論計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采取以下措施,進(jìn)一步保障工程在設(shè)計(jì)上安全可靠。

（1）合理確定板塊分塊面積,盡量加大底板面積。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際,底板最大塊分塊面積為10 m×11.5 m,最小板塊為10 m×8.5 m。封縫處采用高壓閉孔板填縫,上側(cè)為10 cm雙組份聚硫密封膏封縫。

（2）底板縱橫縫貫通布置,不設(shè)置錯(cuò)縫。

（3）縫間設(shè)置651止水帶止水,防止動(dòng)水壓力進(jìn)入底板下部。

（4）底板順?biāo)鞣较虻目p間設(shè)置鍵槽,使得底板間互相作用,鍵槽大樣見(jiàn)圖5。

（5）在水墊塘底板設(shè)置φ28砂漿錨桿錨固,錨桿長(zhǎng)9.00 m,伸入基礎(chǔ)7.00 m,錨筋伸入底板2.00 m,伸入底板部分末端需折成90°彎鉤,且與底板鋼筋焊接。

（6）板塊澆筑時(shí)要求連續(xù)澆筑,杜絕出現(xiàn)層間冷縫,嚴(yán)格控制澆筑質(zhì)量,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),避免出現(xiàn)板塊裂縫,保障板塊的整體性。

（7）加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè),對(duì)破損的區(qū)域及時(shí)修補(bǔ),防止產(chǎn)生更大的破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

較為常用的水利消能設(shè)施主要有兩類,一類是底流消能,另一類是挑流消能。水墊塘是拱壩挑流消能的主要設(shè)施,在工程中應(yīng)用廣泛,但對(duì)于土石壩等壩型中,水墊塘消能運(yùn)用的較少。由于受地形地質(zhì)條件的制約,本文通過(guò)水力計(jì)算結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)砂礫石地基上人工水墊塘的應(yīng)用做了初步的探索。在綜合前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)水墊塘設(shè)置了一些構(gòu)造措施,進(jìn)一步保障了結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全。由于缺乏實(shí)驗(yàn)資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,本文對(duì)地基有效重度的分析較為簡(jiǎn)單,相信隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)際工程設(shè)計(jì)的需要,人工水墊塘在土石壩消能中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。