高壩聯合泄洪消力塘底板上舉力分布特性研究

王懷明，楊 敏

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 研究背景

多孔聯合泄洪是高拱壩常用的泄洪方式，尤其在我國，大多高拱壩壩址處具有高水頭、大流量、窄河谷的典型特點，壩后水墊塘承擔著巨大的消能壓力，多孔聯合泄洪應用更為廣泛。水墊塘底板穩定性是泄洪安全的關鍵，而上舉力是底板穩定性的重要控制指標。由于上舉力產生的原因尚未從理論上得到完善的解釋，模型試驗數據的統計規律顯得十分重要。文獻［1－8］從理論分析、公式推導、點面轉換、功率譜、概率密度、統計規律、板塊尺寸影響等各方面對底板上舉力進行了研究。

前人對水墊塘底板上舉力已經做了大量的研究，但是對高壩表深孔聯合泄洪下，表孔泄洪對深孔泄洪水舌沖擊點附近上舉力的影響或者深孔泄洪對表孔泄洪水舌沖擊點附近上舉力的影響研究較少。

本文通過某工程模型試驗，對表深孔無碰撞聯合泄洪下，表深孔水流對各自水舌沖擊點附近上舉力的影響做了較為詳細的分析，對類似工程水墊塘底板上舉力的探討及水墊塘底板的設計有一定的參考。

2 模型試驗設計

某水電站是雅礱江干流上的重要梯級電站，樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物和地下引水發電系統組成。拱壩最大壩高305m，壩址區河谷狹窄、地質條件復雜、邊坡穩定條件較差，樞紐設計洪水流量(p=0.1%)為13 600m3/s，校核洪水流量(p=0.02%)為15 400m3/s。泄洪建筑物具有高水頭、大流量、窄河谷的特點，泄洪消能和泄洪霧化問題成為該工程樞紐布置的控制因素之一。壩身泄洪消能采用4表、5深孔無碰撞聯合泄洪消能方式，表孔采用窄縫形式。泄洪時表孔水舌從深孔水舌中間穿過，空中無碰撞。

本試驗模型水墊塘底板塊分為4列，中間2列板塊較大，靠近邊坡板塊較小。水墊塘及上舉力傳感器布置見圖1及圖2。

圖1 上舉力傳感器布置側視圖Fig.1 Side view of the layout of uplift force sensors

圖2 上舉力傳感器布置平面圖Fig.2 Plan view of the layout of uplift force sensors

模型試驗采用一套獨有的上舉力測試采集系統，在水墊塘巖基模型上鋪設橡膠塊底板，模型板塊尺寸與原型板塊尺寸成比例，比尺為50。在橡膠塊底板上安裝上舉力傳感器，測試整個底板塊所受到的上舉力。上舉力測試采集方法見圖3。

圖3 上舉力測試框圖Fig.3 Block diagram of the uplift force test

由前人的試驗資料表明，水墊塘底板上舉力的能量主要集中在0～15Hz。在本試驗的采集過程中，取采樣頻率fs=50Hz，樣本容量N=8 192，采樣長度 T=163.84 s。

3 上舉力分布特性試驗

高拱壩多孔聯合泄洪時水墊塘內水流流態極其復雜，上舉力大小和分布也與表孔或深孔單獨泄洪時有一定區別，為研究多孔聯合泄洪對上舉力分布的影響，對多孔聯合泄洪時的上舉力大小及分布進行了測試，并對多孔聯合泄洪和表、深孔單獨泄洪時的最大上舉力大小和分布進行了比較。

3.1 試驗工況

試驗分為多個工況，分別測試了在相同上下游水位、不同開孔情況下的上舉力大小。測試工況上下游水位、流量關系見表1，下文中所提到的試驗工況與表1中的工況相對應。本文旨在研究聯合泄洪與表、深孔單獨泄洪時上舉力的不同分布規律，所以試驗結果是在相同上下游水位的條件下測得的，不考慮上下游水位變化對上舉力的影響，總流量和單寬流量只與開孔情況有關，水墊塘底板高程為0+1595m，水墊塘水深始終為59.72m。

3.2 上舉力分布特性

影響上舉力的主要因素有上下游水位差H，入水單寬流量q0，水墊塘水深 ht，水舌入水條件k。上舉力的一般表達式可寫成

式中水舌入水條件k隨水舌形態、摻氣濃度、對沖角、擴散程度等的不同而變化。取上舉力FL的單位為9.8 kN/m2，經無量綱運算，得到3個參式(1)可進一步寫成

表1 典型工況水位流量關系Table 1 Water level-discharge relations in typical working conditions

將最大上舉力試驗數據作無量綱化處理，繪制成曲線如圖4所示。圖中曲線是由大量試驗數據經處理后線性回歸擬合所得，圖中每個點代表一個試驗數據，3條直線分別表示4表孔或5深孔泄洪、4表+3深孔泄洪、4表+5深孔泄洪的情況，3條直線的k，b值見表2。圖5為相同上下游水位條件下，表孔水舌沖擊點附近，4表孔單獨泄洪與4表+5深孔泄洪情況下的上舉力分布對比。圖6為深孔水舌沖擊點附近，5深孔泄洪與4表+5深孔泄洪情況下的上舉力對比。圖5、圖6中:FLmax為4表孔和5深孔單獨泄洪時水舌沖擊點附近上舉力最大值;縱坐標表示相同水流條件下，不同開孔情況下板塊實測沿程上舉力與表孔或深孔單獨泄洪時水舌沖擊點附近最大上舉力的比值;x為上舉力測點到水舌沖擊點的距離。圖5、圖6中的曲線是在圖中先繪制點，再通過這些點經高斯擬合得到，每條曲線均在某一開孔情況下，以表孔或深孔水舌沖擊點附近的5塊板塊的上舉力為依據，同圖4一樣是將大量試驗數據經處理后繪制而成的。其中每一板塊的上舉力是在相應水流條件下多次采集得到，每條曲線繪制的上舉力數值不少于14組。

試驗中單寬流量較難測得，本試驗中先測得各工況下水舌入水寬度，用相應工況下的下泄流量除以水舌入水寬度得到單寬流量。

表2 曲線參數Table 2 Parameters of curve

圖4 最大上舉力對比Fig.4 Comparison of maximum uplift forces

圖5 表孔水舌沖擊點附近上舉力對比Fig.5 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from surface outlets

圖6 深孔水舌沖擊點附近上舉力對比Fig.6 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from bottom outlets

3.3 上舉力分布特性分析

上舉力是水墊塘底板上下表面脈動壓力綜合作用的結果，是底板所受點脈動壓力在板塊上的均化，反應的是脈動壓力對底板作用的整體效果。

從試驗結果可以看出:

(2)單開表孔或單開深孔，相應水舌沖擊點附近上舉力值，與相同上下游水位條件下表深孔全開相比，上舉力值明顯偏大。表深孔全開聯合泄洪時，表孔水舌沖擊點附近上舉力峰值與單開表孔泄洪時相比，要明顯后移;而表深孔全開聯合泄洪時，深孔水舌沖擊點附近上舉力峰值與單開深孔時相比，要明顯前移。試驗結果如圖5、圖6所示。

針對以上上舉力分布特點，分析結果如下:之所以相同上下游水位條件下，表深孔全開聯合泄洪時，表深孔水舌沖擊點附近上舉力值，與表孔或深孔單開時相比要明顯偏小，原因是表深孔水舌落入水墊塘后形成大的旋滾，表深孔水舌所形成的大的旋滾之間相互作用、相互影響，使相互之間大旋滾對底板塊的卷吸作用得不到充分的發揮，而表孔或深孔單獨泄洪時，水舌入水后旋滾充分發展，不受其他水舌的影響，故而要比相應表深孔聯合泄洪時上舉力要大。相件下，單開表孔或深孔比表深孔全部打開聯合泄洪情況下，最大上舉力要大，也是同樣的道理。聯合泄洪時，表孔水舌入水后受深孔水舌的影響，所形成的強旋滾后移，進而導致表孔水舌沖擊點附近的最大上舉力后移;深孔水舌入水后形成的旋滾受表孔水舌的影響而前移，進而導致深孔水舌沖擊點附近的最大上舉力前移。4表孔+3深孔泄洪時由于深孔流量明顯減小，表深孔水舌入水后相互之間的影響減小，致使最大上舉力值介于表深孔全開與單開表孔或單開深孔之間，也證實了以上的說法。

4 結論

本文研究了高拱壩多孔聯合泄洪水墊塘底板上舉力的分布特性。試驗結果表明:相同上下游水位情況下，多孔聯合泄洪上舉力大小與分布不同于表孔或深孔單獨泄洪，相應位置上舉力最大值比表孔或深孔單獨泄洪時要小，且最大上舉力的位置，表孔水舌沖擊點附近要后移，深孔水舌沖擊點附近要前移。分析其原因主要是表深孔水舌入水后形成大的旋滾，旋滾之間相互影響，得不到充分發展，對底板的卷吸作用明顯減弱，進而導致相應上舉力值明顯減小，最大上舉力的位置也有所改變。本試驗結論對高壩水舌空中無碰撞多孔聯合窄縫泄洪工程具有參考意義，同時要求表深孔水舌在水墊塘中的落點不重合，要有一定距離。對高壩泄洪表深孔水舌空中碰撞消能的情況需要單獨試驗，另作分析。

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