平底型與反拱型水墊塘動水荷載對比試驗研究

徐建榮，彭 育，辜晉德，王 宇，章道生

(1.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州311122; 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京210029；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210006)

1 研究背景

目前高水頭、大流量的水利工程建設(shè)方興未艾，泄洪消能仍然是高壩工程中的一個重要問題[1-2]。高水頭大壩噴射出的高速射流在沖擊下游巖質(zhì)河床時產(chǎn)生沖刷和侵蝕，從而有可能影響大壩本身的穩(wěn)定性[3]。水墊塘設(shè)置在大壩下游，可緩沖下泄水流的射流沖擊作用并消散入水能量，特別適用于大流量、大功率泄洪工況[4]；射流產(chǎn)生的沖擊壓強作用于水墊塘底部，并通過巖石裂隙內(nèi)部傳遞到巖體節(jié)理處，易造成水墊塘底部的巖石塊體隆升和失穩(wěn)[5]。因此，水墊塘防護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅是水利工程安全領(lǐng)域的熱點問題，也是水電工程建設(shè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

考慮基巖和局部地質(zhì)特征，優(yōu)化水墊塘幾何形狀，提高其抗失穩(wěn)能力迫在眉睫[6]。當(dāng)前，水墊塘的底板幾何型式主要有平底底板、反拱底板、透水底板和帶鍵槽底板等型式，其中平底型和反拱型底板因具有超載能力大、穩(wěn)定性好、開挖量小等優(yōu)點被業(yè)界認可[7]。傳統(tǒng)的平底型水墊塘在國內(nèi)外各大水電工程中得到了廣泛應(yīng)用，而格魯吉亞Inguri、西班牙Susqueda、中國拉西瓦等水電站工程中采用反拱型水墊塘，也凸顯了其設(shè)計優(yōu)勢[8]。

平底型水墊塘底板是平底塊狀結(jié)構(gòu)，多為矩形或梯形，板塊間為垂直或平行的縫隙，并加設(shè)止水設(shè)施；而反拱水墊塘可依據(jù)山坡走勢進行設(shè)計和施工，由于反拱型結(jié)構(gòu)可將荷載傳遞至拱端，因此從防護和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度看，反拱型底板具有諸多優(yōu)點[9]。目前，對于平底型水墊塘的研究主要針對于水流流態(tài)、底板穩(wěn)定性等方面，而脈動壓強引起上舉力變化或許是板塊失穩(wěn)破壞的重要原因[10-11]。對于反拱型底板，除常規(guī)水力和結(jié)構(gòu)特性外，業(yè)界主要關(guān)注其特有的拱端力和反拱失穩(wěn)破壞機制等[12-13]。

從國內(nèi)外研究進展來看，當(dāng)前主要采用有限元等數(shù)值分析的方法研究不同反拱控制參數(shù)對反拱型底板穩(wěn)定性的影響[14-17]，對于平底型和反拱型底板的對比研究則重點關(guān)注水流流態(tài)[18]和底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[19]等方面；事實上，水墊塘動水荷載作為影響底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，也是影響壩身泄水建筑物設(shè)計的重要指標(biāo)[20-21]。目前，有關(guān)不同型式水墊塘動水荷載比較的文獻尚不多見，在時均和脈動壓強方面做進一步對比是必要的。

本文采用白鶴灘水利樞紐1∶50大尺度整體物理模型試驗，基于模型試驗數(shù)據(jù)對比了平底型和反拱型水墊塘在不同來流工況下時均壓強和脈動壓強的異同，分析了兩種型式水墊塘動水荷載作用機制的差異，為相關(guān)設(shè)計提供參考。

2 工程概況

白鶴灘水利樞紐工程攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0 m，最大壩高289.0 m。泄洪消能設(shè)施由壩身6個表孔(14.0 m×15.0 m)、7個深孔(5.5 m×8.0 m)及壩體下游長約400 m的水墊塘、二道壩組成。水墊塘二道壩設(shè)為重力壩型式，上游坡面坡度為1∶0.6，下游坡面坡度為1∶0.8，二道壩壩頂高程602.0 m，壩頂寬度8.0 m，壩高42.0 m。

由于壩下游河谷為不對稱V型(左緩右陡)，為了使樞紐拱壩線布置適應(yīng)于壩址區(qū)下游河道地形的特點，水墊塘底板中心線與壩身孔口溢流中心線平行并右移11.4 m，水墊塘橫斷面亦根據(jù)地質(zhì)條件為不對稱布置。

白鶴灘水利樞紐工程平底型和反拱型兩種方案水墊塘橫剖面圖如圖1所示。平底型水墊塘斷面型式為復(fù)式梯形，底板頂面高程為560.0 m，底板厚4.0 m，底板水平寬84.8 m，兩邊分別以圓弧與邊墻相銜接，左側(cè)圓弧半徑為35.0 m，右側(cè)圓弧半徑為25.0 m。左岸邊墻坡度為1∶1.0，右岸582.0 m高程以下坡度為1∶0.6，582.0 m高程以上坡度為1∶0.4；左、右岸各在582.0、604.0 m高程處設(shè)一條5.0 m寬的馬道，582.0 m高程以下邊墻厚度為4.0 m，582.0 m高程以上為3.0 m。水墊塘頂高程為635.0 m，水墊塘頂寬210.0 m。

圖1 白鶴灘水利樞紐工程平底型和反拱型兩種方案水墊塘橫剖面圖(單位：m)

平底型與反拱型水墊塘布置的主要差別在于582.0 m高程以下部分，而582.0 m高程以上部分不變。反拱底板最低點頂面高程為560.0 m，底板厚4.0 m，反拱中心角為74.8°，反拱底板中心線偏離溢流中心線7.0 m，反拱半徑為107.02 m，兩邊分別以圓弧在582.0 m高程與邊墻相銜接。

3 試驗?zāi)Ｐ团c方法

建立白鶴灘水利樞紐1∶50大尺度整體物理模型，模型布置見圖2。以反拱底板中心線與底板的交點為坐標(biāo)原點，順?biāo)鞣较驗閤軸，垂直水流指向右岸方向為y軸。在測點布置方面，平底型水墊塘?xí)r均壓力測點x向間距為5.0 m，y向間距為6.0 m(均為原型尺寸，下同)，并且在水舌沖擊區(qū)進行了局部加密，即x向間距為2.5 m，y向間距為3.0 m；在水流流動范圍內(nèi)，反拱型水墊塘以7°圓心角為間距布置了19排測點。

圖2 白鶴灘水利樞紐工程試驗?zāi)Ｐ筒贾?/p>

試驗觀測了校核工況(上游水位832.34 m，下游水位627.41 m)、設(shè)計工況(上游水位827.83 m，下游水位623.45 m)和消能設(shè)計工況(上游水位825.00 m，下游水位619.82 m)下兩種型式的水墊塘?xí)r均壓強和脈動壓強。時均壓強采用測壓管量測，脈動壓強數(shù)據(jù)采用脈動壓強傳感器(寶雞華強傳感測控有限公司生產(chǎn))采集，傳感器量程為0～3 m，電源24 Vdc，輸出電壓為0～5 V，精度0.05 m。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 兩種型式水墊塘?xí)r均壓強對比

試驗量測了水墊塘底板各測點的時均壓強數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，校核工況下兩種型式底板時均壓強峰值均出現(xiàn)在y=0部位；設(shè)計工況下兩種型式底板時均壓強峰值均出現(xiàn)在y=15 m部位。為方便表示，圖3繪制了校核工況(y=0)和設(shè)計工況(y=15 m)兩種型式水墊塘底板的時均壓強沿水流方向(x方向)分布；圖4給出了校核工況和設(shè)計工況下兩種底板型式時均壓強橫向(y方向)分布。

圖3 不同工況下兩種型式水墊塘底板的時均壓強沿水流方向分布 圖4 不同工況下兩種型式水墊塘底板的時均壓強橫向分布

由圖3可以看出：(1)校核和設(shè)計工況均在x=200 m底板處出現(xiàn)時均壓強峰值，隨后在x=230～240 m范圍內(nèi)出現(xiàn)時均壓強低谷值，由于水墊塘后二道壩的存在，時均壓強在低谷值后穩(wěn)步增加并趨于平穩(wěn)。(2)兩種底板型式下時均壓強峰值點位置無顯著差異，但反拱底板時均壓強峰值相對較小。(3)兩種底板型式下時均壓強峰值后的低谷點略有不同，校核工況下，平底板低谷值平均壓強約為60×9.8 kPa，而反拱底板低谷值平均壓強約在56×9.8 kPa左右，兩者相差約4×9.8 kPa；設(shè)計工況下，兩種底板低谷差值略小，約在1×9.8 kPa左右。

由圖4可以看出：(1)在校核工況下，兩種型式水墊塘的底板沖擊壓力峰值位置比較接近，平底板水墊塘的峰值略高。(2)平底板壓強峰值的左、右側(cè)各有1個較明顯的低谷值；而反拱底板壓強峰值的左側(cè)壓強基本穩(wěn)定，沒有明顯差異，說明反拱底板橫向壓強分布較為均勻(壓強梯度較小)。(3)在水墊塘壓強峰值兩側(cè)，反拱底板的壓強值大于平底板，校核工況尤為明顯，這是由于反拱底板兩側(cè)高程漸增使局部水墊厚度減小所致。

綜合以上結(jié)果，反拱底板比平底板水墊塘兩側(cè)消能空間略小，導(dǎo)致在相同泄流條件下反拱底板兩側(cè)受力略大，同時產(chǎn)生壓強低谷值的差異。從校核和設(shè)計工況試驗實測數(shù)值來看，反拱型底板所受壓強普遍較大，但反拱底板與平底板所受沖擊壓強的最大峰值相當(dāng)。

4.2 兩種型式水墊塘脈動壓強對比

圖5、6分別為設(shè)計工況和消能設(shè)計工況下平底板及反拱底板脈動壓強等值線圖。由圖5可以看出，兩種底板型式最大脈動壓強值接近，均為9.0×9.81 kPa左右；從等值線的分布看，反拱底板脈動壓強梯度比平底板略小，反拱底板脈動壓強大于5.0×9.81 kPa的區(qū)域范圍大于平底板，這或許歸因于反拱底板有效水墊深度較小，使水舌沖擊區(qū)附近整體脈動較大。由圖6可以看出，兩種型式底板消能設(shè)計工況與設(shè)計工況的脈動壓強分布規(guī)律類似，水舌沖擊區(qū)域平底板脈動壓強梯度更大；反拱底板的脈動壓強最大值略小于平底板，但從整體分布上看，反拱底板的脈動壓強更大。

圖5 設(shè)計工況下兩種型式水墊塘底板脈動壓強等值線圖(單位：9.81 kPa)

圖6 消能設(shè)計工況下兩種型式水墊塘底板脈動壓強等值線圖(單位：9.81 kPa)

反拱型式與平底型式水墊塘底板壓強分布的差別主要與沖擊區(qū)距底板中心線的位置有關(guān)，而在同一沖擊位置所造成的底板壓強分布差異的原因主要有兩點：(1)有效水墊厚度不同，水墊厚度小則沖擊壓強大；(2)沖擊壓對底板的作用方向也有差異，作用角度(壓強作用方向與底板切向夾角)小則沖擊壓力小。

由此導(dǎo)致壓強分布主要分為幾個典型區(qū)域：(1)在底板中心線附近，有效水墊深度無明顯變化，沖擊壓強作用角度略有不同，兩種型式底板壓強峰值基本相當(dāng)且反拱型式底板相對略?。?2)在底板中心線兩側(cè)，反拱型式的有效水墊深度減小，而且沖擊壓強作用角度亦變小，兩者作用相互抵消，壓強峰值基本相當(dāng)；(3)在水墊塘兩側(cè)的邊壁區(qū)，反拱型式水墊塘的有效水墊深度減小，而沖擊壓強作用角度變大，導(dǎo)致反拱型式該部位的底板壓強明顯高于平底板型式。

5 結(jié) 論

本文以白鶴灘水電站典型泄洪工況為例，采用物理模型試驗對比了平底型和反拱型水墊塘動水荷載變化規(guī)律，分析了時均壓強和脈動壓強分布特性。結(jié)果表明：

(1)反拱型底板的時均壓強峰值小于平底型，來流方向上反拱型底板的時均壓強低谷值小于平底型，橫向上反拱型底板的時均壓強梯度更小。

(2)兩種型式水墊塘脈動壓強峰值差異較小，反拱型底板整體脈動壓強大于平底型，但反拱型脈動壓強梯度小于平底型。