寬尾墩和消力池聯(lián)合消能工底板穩(wěn)定試驗研究

何 富 剛

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610051)

0 前 言

寬尾墩消能方式因其顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安康、索風(fēng)營、隔河巖、景洪等大型工程。寬尾墩與消力池、消力戽、臺階溢流面等的結(jié)合，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，取得了更好的消能效果[1]。同時基于各工程的工程應(yīng)用條件，也提出了一些相應(yīng)的寬尾墩體型，Y型、X型、V型、T型各有特色[2]。所以，對于不同的工程，聯(lián)合消能工形式和寬尾墩表孔體型的選擇是寬尾墩消能效果充分發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來很多專家在這些方面都取得了很大的成就[3]。

目前，在應(yīng)用寬尾墩消能方式的已建和在建工程中，壩高和泄洪流量越來越高，泄洪建筑物體型方案選擇難度也越來越大。本文所涉及水電站在我國采用“寬尾墩+消力池”聯(lián)合消能的工程中水位落差和泄洪流量均居于前列，其壩高168 m，最大泄洪流量為15 500 m3/s。初步研究表明，其消力池脈動壓力、臨底流速等水力學(xué)指標都很高[4]，存在一定的安全隱患，故需要對消力池底板穩(wěn)定性加以重點研究。本文從底板上下表面脈動壓力特性入手，通過底板上舉力的測試與分析，評價消力池底板的穩(wěn)定性和安全性，為工程設(shè)計提供重要參考和依據(jù)。

1 模型設(shè)計與實驗方案

某水電站樞紐區(qū)河谷呈基本對稱“V”型谷，谷坡陡峻。樞紐建筑物主要由擋水重力壩、表孔溢流壩、壩內(nèi)泄洪中孔、下游設(shè)置的消力池和右岸地下廠房等建筑物組成。最大壩高168 m，最大泄量15 500 m3/s。由于兩岸風(fēng)化卸荷強烈，岸坡穩(wěn)定性較差，因此，泄洪消能采用“表孔寬尾墩+跌坎消力池”的底流消能方式。溢流壩段布置于河道中部，設(shè)置5個表孔，每孔凈寬15 m，下游采用短消力池消能。它是采用寬尾墩型式中壩高最大的工程。溢流堰和消力池平面布置如圖1所示。

圖1 溢流堰和消力池平面布置示意(單位：m)

該工程水工模型為整體、正態(tài)模型，模型比尺為1 ∶80，根據(jù)重力相似準則設(shè)計制作模型。為保證模型進、出口流態(tài)的相似性，河道模擬總長度為2 450 m，包括壩軸線上游1 000 m至壩軸線下游1 450 m。本文選擇典型工況闡述不同方案水力學(xué)指標的差異，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

2 試驗研究及結(jié)果分析

2.1 脈動壓力測試

為了研究各個工況下的板塊底部脈動壓力，在板塊底部布置脈動壓力傳感器如圖2所示。布置的位置與板塊上表面脈動壓力傳感器布置位置相對應(yīng)，以便于進一步分析比較。

圖2 板塊底部脈動壓力傳感器布置

從圖3、圖4中可以看出，在工況1～6、工況8情況下，消力池底板下表面脈動壓力明顯低于上表面；消力池上表面脈動壓力大多在樁號0+145 m出現(xiàn)峰值。最大峰值達到94.32 kPa，為所有工況下的最大值。消力池上表面脈動壓力均方根值波動較大，工況1～3脈動壓力均方根值在0+145 m處出現(xiàn)峰值之后急劇下降，之后基本不出現(xiàn)太大波動；工況4～6、工況8脈動壓力均方根值在0+145 m處出現(xiàn)峰值以后迅速下降，之后在0+200 m附近出現(xiàn)另一個峰值，其中工況6情況下0+200 m處的峰值較0+145 m處的峰值更高，究其原因應(yīng)該是由于兩側(cè)閘門開度比中間閘門大，兩側(cè)流量較大，兩側(cè)水流在消力池后半段才對中心線產(chǎn)生明顯的影響。相比底板的上表面，底板下表面的脈動壓力明顯較小，且變化幅度不大，說明在8 m厚度的底板和較大底板尺寸影響下，脈動壓力傳入底板底部有很大衰減。這也預(yù)示在止水完好的情況下，消力池底板所受上舉力不會很大。工況7為中孔單獨泄流的工況，屬于挑流消能。在試驗中可以觀察到水流落水點在消力池后段，因此脈動壓力均方根值分布情況與其他工況不同，消力池前段較低而后段較高。從圖中可以看出工況7情況下消力池底板上下表面脈動壓力均方根值較為接近，可能是由于水流在進入消力池時有較大的垂直方向的流速，因此脈動壓力更加容易進入板塊底部傳播。

由圖4中可以看出消力池底板下方脈動壓力都比較小。除了放空工況以外，脈動壓力強度分布基本都是在前段較高，之后沿程略有下降。但是絕對數(shù)值較小，大多都在25 kPa以下，波動程度也比較小。

2.2 上舉力測試

2.2.1 傳感器布置及測量方法

試驗出于簡化與對不利情況的考慮，池底測試板塊采用脈動壓力較大的中部區(qū)域、均按8 m厚度模擬。選取消力池中心的兩排板塊，測試板塊編號如圖5所示，沿著板塊中心線安裝DY80上舉力傳感器，為了研究板塊的傾覆力矩，在每個板塊上安裝兩個傳感器，共安裝14個，安裝位置見圖6，上舉力傳感器安裝見圖7。模型底板塊采用加重橡膠制作，試驗的條件為板塊的止水完全破壞，抽排設(shè)施完全失效，并且沒有錨固。本試驗對消力池底板是否安全的評價，未考慮消力池底板基礎(chǔ)滲透揚壓力的影響。

圖3 消力池底板上下表面脈動壓力均方根值對比

圖4 消力池典型測點脈動壓力峰值點功率譜

圖5 上舉力測試板塊編號示意

圖6 底板上舉力傳感器安裝示意(單位：m)

圖7 上舉力傳感器安裝示意

試驗采用的傳感—測力系統(tǒng)測試板塊所受動水荷載包括板塊的浮重和上舉力兩項，即：

動水荷載=-浮重+上舉力

(1)

每個傳感器都在測量前與整個測量系統(tǒng)一起現(xiàn)場率定并在靜水中調(diào)零，這樣采集的數(shù)據(jù)為上舉力(不含有板塊的浮重)。傳感器的電信號通過動態(tài)應(yīng)變儀傳至數(shù)據(jù)采集儀，再由計算機進行所有通道的同步采集。采樣時間間隔△t=0.01 s，采樣時間T=40.96 s，采樣容量N=4 096次。

2.2.2 上舉力測試結(jié)果分析

以安裝在同一板塊上的兩個傳感器受力之和作為板塊受到的力，測試結(jié)果如表2所示。

表2 各工況消力塘底板上舉力測試結(jié)果 單位/t·m-2

在止水完全破壞的情況下，不考慮施加其上的錨固力，水墊塘底板塊的受力分析如圖8。

圖8 平底板塊受力分析

P1為板塊上表面的動水壓力，P2為板塊下表面的動水壓力，G′為板塊的浮重。底板抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式根據(jù)溢洪道設(shè)計規(guī)范(SL253-2000)中的C模式：

(2)

式(2)中，分母中壓力差即是底板上下表面的時均壓力差，暫不考慮錨固力，時均壓力和脈動壓力之和就是由模型實測的上舉力。由上式即可計算出安全系數(shù)。采用最大上舉力作為計算方法，雖然最大上舉力最優(yōu)參數(shù)有待商榷，但這是偏于安全的。

根據(jù)上述公式，結(jié)合試驗實測數(shù)據(jù)，當考慮底板厚度為8 m時，根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)如圖9所示。從圖中可以看出，在各個運行工況下，板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均在1以上，屬于安全范圍之內(nèi)，也就是說，若采用板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1，則板塊不需要錨固，僅僅依靠自重就能維持板塊穩(wěn)定。若考慮板塊最小安全系數(shù)為1.7，則從圖中可以看出板塊2在工況2，板塊4在工況1超出安全允許范圍，需要錨固力。經(jīng)計算，板塊2需要錨固力0.37 t/m2，板塊4需要錨固力0.03 t/m2，可以看出，需要的錨固力也較小。

因此，若最小抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1，則在任何工況下，板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均在安全范圍之內(nèi)。也就是說，板塊在上舉力的作用下不會發(fā)生浮升失穩(wěn)破壞。

對于22 m厚底板可以得到如圖10的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。從圖中可以看出，當考慮板塊厚度為22 m時，板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)都比較大，最小安全系數(shù)值都在4以上。可以認為，板塊厚度為22 m時，板塊自重足以抵抗上舉力，不需要進一步的錨固。

圖11為消力池板塊上舉力典型功率譜圖。從圖中可看出消力池底板所受上舉力基本服從正態(tài)分布，能量集中在3.0 Hz以下。

圖9 測試板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)(8 m板厚)

圖10 測試板塊抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)(22 m板厚)

圖11 消力池典型位置底板上舉力典型功率譜圖

3 結(jié)論及討論

本文針對高水頭重力壩采用“寬尾墩+短消力池”的泄洪消能形式中消力池底板脈動壓力和沖擊壓力較大的問題，采用水工模型試驗的方法，測試了底板上下表面脈動壓力均方根幅值及其頻譜分布特性、底板上舉力及其功率頻譜，基于試驗結(jié)果對不同厚度底板穩(wěn)定性進行了分析，并提出了建議的錨固處理參考數(shù)據(jù)。本文得到結(jié)論如下：

(1)對于高壩采用“寬尾墩+短消力池”的泄洪消能形式，壩面及消力池底板動水沖擊荷載和脈動壓力幅值均很高，消力池底板穩(wěn)定性問題需要特別重視，通過試驗研究及計算分析提出合理的工程措施以確保建筑物安全。

(2)根據(jù)本工程消力池底板上舉力測試分析結(jié)果表明，當考慮底板厚度為8 m時，依據(jù)抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.7的標準，局部板塊需要增加錨固措施以滿足抗浮穩(wěn)定安全。

(3)由于消力池底板上舉力較大，在工程建設(shè)過程中須嚴格控制施工質(zhì)量，尤其是8m底板必須整體一次性澆筑，嚴禁分層施工。

(4)這類工程在投入運行后還需要通過監(jiān)測手段持續(xù)關(guān)注消力池底板的安全問題。