高含沙水流作用下水墊塘底板上舉力特性試驗

劉 昉，李曉娜，周世佳

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

近年來我國高壩建設進入了快速發(fā)展的階段，截至2016年，我國200 m以上已建、在建的大壩達到20座，有的甚至已經(jīng)超過300 m[1]。這些水利樞紐大多建于狹窄河谷，泄流量大加上水頭高，往往泄洪功率極大，如二灘、小灣、構皮灘和溪洛渡等高壩工程，下泄水流速度達到50 m/s左右，泄洪流量超過2×104m3/s[2-4]。為了能安全經(jīng)濟地宣泄洪水，一般通過建二道壩、尾坎或利用下游圍堰形成水墊塘來進行消能。水墊塘內水流流態(tài)復雜、紊動劇烈，混凝土底板作為水墊塘內的襯砌防護結構，需要抵抗水流產生的沖擊荷載，尤其在底板縫隙間止水破壞后，動水壓強沿縫隙傳至底板下部，從而形成巨大的上舉力，當上舉力大于底板本身自重與錨固力之和后，板塊就會發(fā)生浮升失穩(wěn)，嚴重威脅大壩安全。因此確定水墊塘底板在高速射流沖擊作用下的上舉力是保證消能防沖安全的關鍵所在[5]。

近些年來關于底板上舉力的成因機理及其特性的研究已經(jīng)有了比較豐碩的成果。普遍認為，高壩下游基巖縫隙內脈動壓力是底板掘起或翻轉出穴的重要條件。基于這一理論，趙耀南等[6]提出了巖塊縫隙中壓強傳播的水流振蕩模型；劉沛清等[7]利用瞬變流模型，導出了巖塊上可能出現(xiàn)的最大脈動上舉力的計算公式；李愛華等[8]對底板縫隙中脈動壓強傳播的3種模型進行了算例分析，總結了各模型的適用情況。楊敏等[9]基于模型試驗研究了水墊塘透水底板的水動力特性，指出適當?shù)耐杆啄軌蛴行У販p小底板上舉力；……