某樞紐工程聯(lián)合水墊塘不同運行工況上舉力變化規(guī)律研究

羅昌輝

(新疆水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

某樞紐工程位于葉爾羌河山區(qū)河段下游，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。水庫總庫容22. 45×108m3，最大壩高164.8 m，最大下泄流量6 700 m3/s。

高壩泄洪消能方式中，挑流消能方式因工程量小、結構簡單、施工方便、耗資省等優(yōu)點而應用最多[1-2]，高壩泄洪水舌落入水墊塘，在護坦上出現(xiàn)形成淹沒沖擊射流。由于射流的卷吸作用，射流流速沿程衰減，水墊起到消能作用。但是，沖擊射流到達邊壁時，尚具有一定的流速，故產(chǎn)生沖擊壓強。由于水墊塘底板襯砌塊之間存在施工縫及與基巖間有接觸縫，在高速沖擊射流的作用下，動水壓強不僅作用于底板上表面，也通過縫隙傳到底板的下表面。水墊塘底板塊所受上舉力定義為上下表面動水壓力之差。

李樹寧等[3]對某水電站溢洪道陡槽底板的穩(wěn)定性進行試驗研究，分析了溢洪道陡槽底板的上舉力特性。辜晉德和練繼建[4]利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性映射功能構建一個上舉力預測系統(tǒng)，具有較好的預測效果。侯慶國[5]根據(jù)某工程反拱型水墊塘的模型試驗，闡明上舉力的橫向分布規(guī)律和上舉力隨下游水墊深度不同而變化的規(guī)律。馬斌等[6]通過模型試驗對帶鍵槽的透水底板進行研究。

基于此，筆者通過模型試驗，研究跌坎消力池在不同運行工況下單位面積最大上舉力隨著位置不同的變化規(guī)律，以期為計算板塊穩(wěn)定所需要的錨固力提供設計依據(jù)。

2 上舉力傳感器布置及監(jiān)測

本文在前期模型試驗的基礎上[7]，沿水墊塘底板布置兩列(分別定義為A列、B列)上舉力傳感器，每列7個共計14個上舉力傳感器，板塊及傳感器布置見圖1，各傳感器對應的樁號見表1，板塊尺寸為10 m×10 m×3 m。消力池底板上舉力通過儀器進行測量，具體測量方法見圖2-圖3，運行工況見表2。

表1 上舉力傳感器及其樁號

圖1 水墊塘底板板塊及上舉力傳感器布置

圖2 上舉力傳感器安裝

圖3 上舉力測試框圖

工況泄洪運行組合上游水位 /m下游水位 /m工況11#表孔、2#表孔、中孔全開1 819.201 667.26工況21#表孔、中孔全開1 820.991 666.45工況31#表孔、2#表孔全開1 820.991 666.42工況41#表孔、2#表孔、中孔全開1 819.861 667.38工況51#表孔、2#表孔、中孔全開1 820.991 667.61工況61#表孔、2#表孔、中孔全開1 821.651 667.74工況71#表孔、2#表孔、中孔全開1 823.641 668.10工況81#表孔、2#表孔全開1 823.231 667.01

3 各工況下上舉力和測點樁號之間的變化規(guī)律

為研究在不同運行工況下，不同位置上舉力的變化規(guī)律，將模型試驗中儀器監(jiān)測到的A列、B列單位面積上舉力值繪制于圖4-圖19。圖4-圖19中，時均上舉力和脈動上舉力用來復核最大上舉力的變化趨勢。

圖4 工況1A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖5 工況1B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖6 工況2A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖7 工況2B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖8 工況3A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖9 工況3B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖10 工況4A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖11 工況4B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖12 工況5A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖13 工況5B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖14 工況6A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖15 工況6B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖16 工況7A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖18 工況8A列上舉力隨樁號變化規(guī)律

圖19 工況8B列上舉力隨樁號變化規(guī)律

分析圖4-圖19可知，工況1中A列和B列單位面積最大上舉力分別為16.186×9.8和12.531×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況2中A列和B列單位面積最大上舉力分別為26.211×9.8和15.649×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況3中A列和B列單位面積最大上舉力分別為18.745×9.8和4.000×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+673.740”；工況4中A列和B列單位面積最大上舉力分別為19.558×9.8和11.898×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況5中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.938×9.8和12.792×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況6中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.710×9.8和13.101×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況7中A列和B列單位面積最大上舉力分別為20.651×9.8和13.554×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工況8中A列和B列單位面積最大上舉力分別為21.273×9.8和4.018×9.8 kN/m2，樁號分別為“中0+718.740”和 “中0+673.740”。圖4-圖19中，時均上舉力和脈動上舉力變化趨勢與最大上舉力的變化趨勢幾乎一致，說明試驗結果較為合理。綜合上述各工況實驗結果可知，A列、B列中單位面積上舉力最大值發(fā)生在約0.83倍水墊塘長度處。

為進一步分析不同工況下，水墊塘底板上舉力隨著樁號變化規(guī)律，將各工況下水墊塘底板單位面積最大上舉力與不同樁號之間的變化規(guī)律繪制于圖20。

圖20 各工況下單位面積最大上舉力隨樁號變化規(guī)律

分析圖20可知，工況1、4、5、6、7為1#表孔、2#表孔、中孔全開的情況，單位面積上舉力分布趨勢一致，上舉力基本隨上游水位的增大而增大。A列上舉力的變化幅度明顯大于B列上舉力。A列的最大上舉力在樁號“中0+718.740”處達到最大，為21.273×9.8 kN/m2；B列的最大上舉力在樁號“中0+713.740”處達到最大，為13.554×9.8 kN/m2。工況2、3、8為泄水建筑物不對稱開啟工況，A列單位面積最大上舉力的分布趨勢一致，在樁號“中0+718.740”處達到最大，其單位面積最大上舉力達到26.211×9.8 kN/m2。

綜合所有工況，樁號“中0+718.740”附近板塊所承受的上舉力最大，中線附近板塊承受的最大上舉力大于兩側(cè)，從而為計算板塊穩(wěn)定所需要的錨固力提供依據(jù)。若需減小這一錨固力，可采取必要措施增加水墊塘水墊深度，降低上舉力。如在水墊塘尾部增設尾坎、降低水墊塘底板或二者組合，都可以有效增加水墊塘水墊深度，減小上舉力。

4 結 論

本文借助前期模型試驗，對水墊塘上舉力變化規(guī)律進行研究，對1#表孔、2#表孔和中孔不同開啟方式和下泄流量共計8個工況和不同位置處的單位面積上舉力進行分析。結果表明，工況2時，單位面積上舉力最大，且發(fā)生在距水墊塘進口100 m處，為設計底板錨固力提供依據(jù)。