寬尾墩和消力池聯合消能工底板穩定試驗研究

何 富 剛

(雅礱江流域水電開發有限公司， 四川 成都 610051)

0 前 言

寬尾墩消能方式因其顯著的技術效果和經濟效益，已經廣泛應用于安康、索風營、隔河巖、景洪等大型工程。寬尾墩與消力池、消力戽、臺階溢流面等的結合，充分發揮了兩者的優勢，取得了更好的消能效果[1]。同時基于各工程的工程應用條件，也提出了一些相應的寬尾墩體型，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揮的關鍵技術之一，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定性和安全性，為工程設計提供重要參考和依據。

1 模型設計與實驗方案

某水電站樞紐區河谷呈基本對稱“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、壩內泄洪中孔、下游設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。由于兩岸風化卸荷強烈，岸坡穩定性較差，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、正態模型，模型比尺為1 ∶80，根據重力相似準則設計制作模型。為保證模型進、出口流態的相似性，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，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處出現峰值之后急劇下降，之后基本不出現太大波動；工況4～6、工況8脈動壓力均方根值在0+145 m處出現峰值以后迅速下降，之后在0+200 m附近出現另一個峰值，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，究其原因應該是由于兩側閘門開度比中間閘門大，兩側流量較大，兩側水流在消力池后半段才對中心線產生明顯的影響。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一起現場率定并在靜水中調零，這樣采集的數據為上舉力(不含有板塊的浮重)。傳感器的電信號通過動態應變儀傳至數據采集儀，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，測試結果如表2所示。

表2 各工況消力塘底板上舉力測試結果 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。底板抗浮穩定安全系數的計算公式根據溢洪道設計規范(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。采用最大上舉力作為計算方法，雖然最大上舉力最優參數有待商榷，但這是偏于安全的。

根據上述公式，結合試驗實測數據，當考慮底板厚度為8 m時，根據實測數據計算的抗浮穩定安全系數如圖9所示。從圖中可以看出，在各個運行工況下，板塊抗浮穩定安全系數均在1以上，屬于安全范圍之內，也就是說，若采用板塊抗浮穩定安全系數為1，則板塊不需要錨固，僅僅依靠自重就能維持板塊穩定。若考慮板塊最小安全系數為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，若最小抗浮穩定安全系數為1，則在任何工況下，板塊抗浮穩定安全系數均在安全范圍之內。也就是說，板塊在上舉力的作用下不會發生浮升失穩破壞。

對于22 m厚底板可以得到如圖10的抗浮穩定安全系數。從圖中可以看出，當考慮板塊厚度為22 m時，板塊抗浮穩定安全系數都比較大，最小安全系數值都在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分布，能量集中在3.0 Hz以下。

圖9 測試板塊抗浮穩定安全系數(8 m板厚)

圖10 測試板塊抗浮穩定安全系數(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，基于試驗結果對不同厚度底板穩定性進行了分析，并提出了建議的錨固處理參考數據。本文得到結論如下：

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

(3)由于消力池底板上舉力較大，在工程建設過程中須嚴格控制施工質量，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測手段持續關注消力池底板的安全問題。