溢洪道陡槽底板上舉力特性試驗研究

李樹寧，楊 敏，李會平，董天松

(1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.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

我國重大水利水電工程具有高水頭、大單寬流量、大泄洪功率的特點，泄洪時對防護結構的安全提出了巨大挑戰。近些年來有眾多的學者對高壩泄洪消能建筑物水墊塘或消力池的防護結構穩定性的研究開展了大量工作并取得了相當豐富的成果[1,2]。而對溢洪道泄槽底板穩定性的研究卻很少，研究內容也僅限于溢洪道陡槽的水面線、壓強分布、流速分布及流態[3,4]等水力特性，以及對溢洪道的摻氣減蝕研究[5,6]和臺階溢洪道消能研究[7,8]。而在實際工程中，國內外溢洪道陡槽底板破壞的實例很多，甚至比消力池還多[9,10]。國內工程如甘肅劉家峽水電站，湖北官莊水庫等工程的溢洪道在小泄量時底板發生毀壞。國外工程如孟加拉國Karnafuli[11]溢洪道工程的泄槽底板也在小流量時發生破壞。大量工程失事表明：板塊失事是由作用在底板上的脈動上舉力引起的。評估溢洪道陡槽底板穩定性的直接參數是整體荷載即上舉力，對于陡槽底板，是上下表面動水壓力的合力。規范中對陡槽的設計要求沒有明確的規定，設計者無量化的指標可資參考。而導致陡槽底板破壞的上舉力與水力條件和表面平整度有關。迄今為止，還未見有任何相關的成果。基于此，本文對溢洪道陡槽底板的上舉力特性進行了專門的模型試驗研究，其成果可為設計人員提供科學的理論依據，可用于評估結構的穩定性。

2 模型簡介

本項研究是在某水電站溢洪道陡槽底板上進行的。溢洪道為開敞式的岸邊溢洪道，由進水渠段、控制段(溢流堰段)和陡槽段組成。溢流堰采用曲線形實用堰，堰高13.5 m，溢流壩共4孔，每孔凈寬15 m，壩頂設弧形閘門。陡槽段坡度i=1∶4.5，斷面為矩形，長325.6 m，寬73.5 m。

試驗模型比尺為1∶50，本項試驗在陡槽底板中心線沿程布置了2個測力板塊(板塊原型尺寸為17.5 m×14 m×1 m,按模型比尺縮小成35 cm×28 cm×2 cm)。圖1為測力板塊沿程布置及上舉力測試系統圖。本試驗設計了4種不同的單寬流量，在閘門全開時，對陡槽底板上舉力進行了測量。

圖1 上舉力測試塊布置及測試系統Fig.1 Uplift force sensors placement and test system

3 上舉力試驗結果

3.1 上舉力分布

陡槽板塊上舉力為底板上下表面的動水壓力的合力。對試驗測得的上舉力隨機信號進行處理，分別得到單位面積板塊上的上舉力最大值、時均值和均方差。定義無量綱化的參數----流能比R來表征陡槽底板的水力條件，表達式為：

(1)

式中：q為陡槽單寬流量；H為上游水位與陡槽水深之差。

圖2給出了不同水力條件下，陡槽底板上單位面積上舉力的分布。從圖2中可以得出，陡槽底板單位面積最大上舉力、時均值及均方差分布規律趨于一致，都是隨著流能比R的增大而增大。其中，陡槽底板上單位面積的上舉力最大值和時均值增長較快，而底板上舉力均方差增長緩慢，增幅不大。分析其原因，隨著流能比的增大，陡槽底板上紊流能量增大，水流紊動混摻更加劇烈，底板上受到的脈動壓力也增加。而上舉力大小主要是由板塊上表面的脈動荷載特性所決定的[12]。因此，陡槽底板上單位面積的上舉力隨著流能比的增大而增大。

圖2 單位面積上舉力分布Fig.2 Uplift force distribution on unit area

3.2 錯臺高度對陡槽底板上舉力的影響

在施工控制不佳或存在不均勻沉降的情況下，陡槽底板板塊接縫處容易產生錯臺。而溢洪道陡槽底板上的水流流態為寬淺急流，當急流遇到錯臺后會迅速改變錯臺周圍的水流特性，這樣就會使得原本平順的水流在錯臺處會迅速隆起而后迅速跌落，對錯臺下方的陡槽底板產生一個很大的沖擊力，大大增加了作用在底板上的水動力荷載，因此錯臺成為防護結構穩定性的嚴重隱患。本試驗中設計了兩個錯臺高度，分別為2.5 cm錯臺和5 cm錯臺(對應模型尺寸分別為0.5 cm和1 cm)，來研究錯臺高度與陡槽底板上舉力的量化關系。錯臺高度用Δ表示，陡槽水深用h表示，則相對錯臺高度δ可表示為：

δ=Δ/h

(2)

圖3給出了錯臺高度對上舉力的影響情況。縱坐標上舉力比值為有錯臺時的陡槽底板上舉力與無錯臺時的陡槽底板上舉力之比。由圖3可知，隨著錯臺高度的增加，陡槽底板塊上舉力最大值有大幅度的增大，增幅高達1.17～2.26倍， 陡槽底板塊上舉力均方差隨著錯臺高度的增加也有小的增幅，增幅僅為1%～74%；同時，隨著相對錯臺高度的增加，陡槽底板塊上舉力標準差和上舉力最大值均相應減小。分析其原因是由于陡槽中水流流態發生了變化引起的。大慣性的陡槽急流遇到錯臺阻擋后，首先給錯臺一個沖擊作用，同時錯臺對水流施加反作用，促使水流轉向，發生動量變化，造成水面局部迅速雍高，然后迅速跌落，如此對錯臺下方陡槽板塊產生一個很大的沖擊壓力，從而導致上舉力增大，而且錯臺越高，跌落時對底板的沖擊壓力越大，從而使上舉力迅速增大。同時，隨著流能比的增大，陡槽底板上的水墊深度增大，跌落到底板上的沖擊力就相對減小，這就解釋了實際工程在小流量的情況下陡槽底板屢屢發生破壞的原因。可見，錯臺對陡槽底板上舉力的影響不容小覷，必須采取有效的措施確保板塊的平整度以保證工程的安全。

圖3 錯臺高度對上舉力的影響Fig.3 The influence of the irregularity height on uplift force

3.3 上舉力概率密度

概率密度分布函數的正態性是脈動壓力幅值研究中的一個重要問題。上舉力是作用在底板上下表面動水壓力之差，有研究表明，上下表面動水壓力基本符合正態分布，因此上舉力也應該具有正態分布的特征，模型實測結果證明了這一點。圖4為不同錯臺高度情況下上舉力的概率密度圖，從圖4中可以看出， 脈動上舉力基本符合正態分布；同時，錯臺高度對脈動上舉力幅值的概率密度影響不大。

圖4 上舉力概率密度圖Fig.4 The probability density of uplift force

3.4 板塊尺寸對底板塊上舉力的影響

順水流方向改變陡槽底板板塊尺寸，文中對4種不同尺寸的陡槽底板進行了上舉力試驗，分別為8.75 m×14 m×1 m, 17.5 m×14 m×1 m, 26.25 m×14 m×1 m以及35 m×14 m×1 m。圖5和圖6分別給出了順水流方向陡槽板塊尺寸對陡槽底板上舉力的影響情況。從圖中可以得出，陡槽底板板塊的上舉力最大值與上舉力均方差隨著順水流方向板塊面積的增加，單位面積上舉力最大值和均方差均相應減小。

圖5 板塊尺寸對上舉力最大值影響Fig.5 The influence of the plate size on maximum uplift force

圖6 板塊尺寸對上舉力均方差影響Fig.6 The influence of the plate size on mean square error of uplift force

圖7為板塊1上下表面的脈動壓力瞬時相關系數。從圖7中可以得出，板塊上下表面點脈動壓力相關系數隨著板塊面積的增大而增大。分析其原因，板塊下表面脈動壓力來源于上表面的脈動壓力，上下表面脈動壓力的瞬時互相關系數的大小體現了上下表面脈動壓力的同步性好壞。陡槽底板上下表面脈動壓力的同步性越好，則作用在底板上的合力就小，從而上舉力就越小。

圖7 板塊上下表面點脈動壓力相關系數Fig.7 Fluctuating pressure correlation coefficient

3.5 錯臺對上舉力頻譜特性影響

脈動壓力的頻率特性通常用自功率譜密度函數來表達，它反映了各測點脈動能量按頻率的分布特性。圖8給出了實測的不同相對錯臺高度情況下歸一化的上舉力功率譜圖，其中橫坐標為陡槽底板板塊的脈動頻率。從圖8中可以得出，脈動能量主要集中在低頻，具有明顯的優勢頻率。脈動上舉力的優勢頻率在0.01～0.2 Hz，明顯小于板塊的自振頻率，由此可得出底板塊不會發生共振破壞。同時陡槽底板板塊脈動上舉力的能量相對集中的頻率范圍均在0.2 Hz以下，表明各脈動上舉力是由低頻脈動壓強產生的。此外，錯臺高度對上舉力頻譜特性影響不顯著。

圖8 上舉力功率譜圖Fig.8 The power spectrum of uplift force

4 結 語

通過模型試驗結合理論分析，得到以下結論。

(1)陡槽底板上舉力隨著流能比的增大而增大；上舉力最大值增長較快，均方差則增長較為緩慢。

(2)錯臺對底板上舉力影響顯著，底板上舉力標準差和上舉力最大值隨著錯臺高度的增大而增大；底板塊上舉力標準差和上舉力最大值隨著相對錯臺高度的增大呈減小趨勢。因此必須采取有效的措施確保板塊的平整度以保證工程的安全。

(3)陡槽底板脈動上舉力基本符合正態分布，脈動上舉力是由低頻脈動壓強產生的，底板塊不會發生共振破壞。

(4)陡槽板塊面積越大，上舉力越小。

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