水力結(jié)構(gòu)新型纖維混凝土耗能器設(shè)計(jì)的邊界條件研究

李銘杰

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

0 引 言

在沿河流縱剖面坡度高程相差較大時(shí)，可以采用砌塊坡道結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢(shì)，如更好地融入景觀、保護(hù)河流上的沉積物控制機(jī)制。砌塊坡道通常用作魚(yú)梯[1]，也可以專門設(shè)計(jì)用于水庫(kù)的溢洪道尾水渠，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮砌塊承載力、動(dòng)能耗散率等。在高度下降突變較大的地方水流會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)能，所以需要有效消散斜槽上水流的動(dòng)能，卵石槽可以有效耗散能量，具備良好的能量耗散效率，可保護(hù)下游段河道。擋圍板也是專門設(shè)計(jì)用于水能量耗散的結(jié)構(gòu)，可直接安裝在斜槽上。另外，還有激流控制條件下水流能量耗散效率的相關(guān)研究，如大型水壩的溢洪道大多設(shè)計(jì)為光滑的溜槽，溜槽末端設(shè)有一個(gè)高臺(tái)[2]。

當(dāng)然，也有其他類型的消能結(jié)構(gòu)形式，如河道下游是消力池或梯級(jí)溜槽或較小的階梯式溜槽。在特殊情況下，水壩消能池中的水躍所產(chǎn)生的能量耗散可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。因?yàn)榱锊凵婕疤幚砭哂忻}動(dòng)壓力的高速水流，設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高，所以使用的材料強(qiáng)度和穩(wěn)定性非常重要[3]。纖維增強(qiáng)混凝土在水利工程中已經(jīng)應(yīng)用幾十年，比普通混凝土更能滿足對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求[4]。纖維混凝土應(yīng)用的主要部分是高壓力高動(dòng)能的水流所流過(guò)的區(qū)域，或者是泥沙所經(jīng)過(guò)的區(qū)域。同時(shí)，纖維混凝土也用于需要縮小收縮裂縫和抑制混凝土變形的建筑。本文主要研究動(dòng)能耗散效率的量化問(wèn)題，分析由流水引起的脈動(dòng)壓力引起的砌塊坡道結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力荷載[5]。

1 砌塊坡道上的能量耗散

(1)

式中：d50為溜槽材料的平均粒度。

圖1 斜坡坡道圖

砌塊坡道上的水力損失取決于溜槽河床粗糙度(用曼寧系數(shù)表示)，可使用式(2)計(jì)算，該公式適用于取值范圍為0.1～0.4之間的坡度S：

n=0.029(d50S)0.147

(2)

式中：d50為塊體斜坡的平均粒度，mm。

本文進(jìn)行的研究試驗(yàn)，驗(yàn)證了混凝土砌塊坡道的高能量耗散性。圖2為斜坡河床的橫截面，該結(jié)構(gòu)適用于大型縱向河床邊坡和大壩溢洪道尾水渠。斜坡河床的尺寸為0.64～1.28 m，嵌入混凝土中的深度為其深度的1/2。因此，卵石平均尺寸d50=0.96m，突出卵石的平均高度h50=0.48m。試驗(yàn)還采用一個(gè)備選方案，即突出卵石的平均高度h50=0.24m，以及一個(gè)光滑的混凝土溜槽。在前面的方案h50=0.48m的空隙中澆筑混凝土后，設(shè)計(jì)了突出卵石高度h50=0.24m的備選方案。

圖2 砌塊坡道橫截面

試驗(yàn)是在比例為1:20的水力模型上進(jìn)行的，實(shí)際工程案例的其他坡道參數(shù)如下：河床坡度S=0.21，溜槽長(zhǎng)度L=56m，溜槽高度H=11.7m，溜槽寬度b=15m。試驗(yàn)溜槽將用作水庫(kù)的側(cè)槽尾水渠，試驗(yàn)驗(yàn)證了Q20至Q10000的不同排水量之間的關(guān)系。Q與q=1.7～7.1 m2.s-1到q=1.7之間的溜槽中的特定排放率是有一定比例關(guān)系的。Q10000流量是最大流量，同時(shí)可以用于驗(yàn)證大壩在洪水中的安全性。圖3為實(shí)驗(yàn)室水力模型的照片，比例為1:20。

圖3 砌塊坡道比例模型(1:20)

本試驗(yàn)對(duì)圖1中的1號(hào)剖面斜槽末端的深度和速度值的評(píng)估值進(jìn)行了計(jì)算，并將結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，數(shù)學(xué)模型采用超臨界流態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)剖面法計(jì)算的溜槽水位圖。為保證在1號(hào)剖面的溜槽端部達(dá)到均勻流，必須進(jìn)行給定溜槽長(zhǎng)度情況下達(dá)到均勻流的深度計(jì)算。圖4為溜槽上的相對(duì)能量耗散ΔEr與相對(duì)高度hk/H的關(guān)系，同時(shí)將溜槽上的計(jì)算能量耗散模式與比例模型上的測(cè)量值進(jìn)行了比較。

圖4 相對(duì)能量耗散ΔEr與相對(duì)深度hk/H關(guān)系圖

由圖4可知，混凝土溜槽光滑表面的相對(duì)能量耗散最低，隨著相對(duì)深度hk/H的增加，其迅速趨近零。增大相對(duì)深度臨界深度hk/H可以通過(guò)升高h(yuǎn)k或減小斜槽高度H的方式。恒定坡度S下的下降斜槽高度對(duì)應(yīng)于較短的溜槽長(zhǎng)度。圖4顯示了光滑混凝土溜槽和由突出高度h50=0.48m混凝土卵石制成的溜槽的相對(duì)能量耗散模式非常一致。對(duì)于突出卵石高度h50=0.24m，能量耗散比通過(guò)計(jì)算獲得的低約10%。這種情況可能是由于根據(jù)式(2)得出的河床粗糙度n取決于d50值，該值由卵石之間的間隙深度代替。對(duì)于半嵌入混凝土中卵石的替代方案，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，該假設(shè)仍然適用，但對(duì)于嵌入混凝土高度為3/4卵石高度的方案，實(shí)際溜槽粗糙度低于計(jì)算值。該方案會(huì)使河道更光滑，所以會(huì)降低溜槽的能量耗散率。

2 砌塊坡道的水動(dòng)力載荷

(3)

式中：P′為脈動(dòng)壓力分量；A為規(guī)定合成壓縮力的定義區(qū)域。

在水利工程平板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估中，根據(jù)向上靜水壓力產(chǎn)生的提升阻力，每個(gè)定義區(qū)域的合成壓縮力的量化非常重要。對(duì)消力池底板的水動(dòng)力荷載可以通過(guò)兩種方法進(jìn)行量化：第一種方法是在與其他部分分離的部分結(jié)構(gòu)中直接測(cè)量壓縮力(如通過(guò)傳感器)，也可在實(shí)驗(yàn)室條件下用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量這種效應(yīng)。第二種方法是基于對(duì)負(fù)載區(qū)域上測(cè)量的壓力脈動(dòng)性的統(tǒng)計(jì)評(píng)估，以及對(duì)即時(shí)脈動(dòng)空間相關(guān)性的量化。

在砌塊坡道水力模型上安裝12個(gè)壓力傳感器，傳感器監(jiān)測(cè)在T=1h內(nèi)的脈沖壓力，采集頻率為1Hz。對(duì)單個(gè)傳感器中的脈動(dòng)壓力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，公式如下：

(4)

標(biāo)準(zhǔn)化壓力值顯示了高斯概率分布的概率特征，偏度偏差很低，峰度偏差超過(guò)3。對(duì)試驗(yàn)中的3種溜槽床粗糙度值和一組測(cè)試流量值進(jìn)行了分析。通過(guò)改變水流量(水流量分別取Q100、Q1000和Q10000)，測(cè)試泄槽在發(fā)生洪水時(shí)的性能。與上述水流量對(duì)應(yīng)的具體流量為q=2.9、5.4、7.1 m2.s-1。圖5為標(biāo)準(zhǔn)化壓力脈動(dòng)y的Q-Q圖(正態(tài)概率圖)。

圖5 溜槽床粗糙度值和3種排放情況標(biāo)準(zhǔn)化壓力脈動(dòng)Q-Q圖

在圖5中，標(biāo)準(zhǔn)化壓力脈動(dòng)繪制在X軸上，標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)變量對(duì)應(yīng)的z分?jǐn)?shù)繪制在Y軸上。根據(jù)圖5可知，壓力脈動(dòng)顯示了高斯概率分布，最大壓力脈動(dòng)值可以達(dá)到公式定義的RMS(均方根)值的4倍，公式如下：

(5)

RMS值取決于溜槽床的粗糙度和輸送的排放率。在溢洪道泄槽的案例研究中，對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行了分析。在輸送不同比流量q(m2.s-1)時(shí)，通過(guò)水力模型讀取3個(gè)河床所有粗糙度值下的壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)值，見(jiàn)圖6。從圖6可知，在光滑河床的情況下，RMS值取最低值，隨著流量的增加，該值略有增加。當(dāng)嵌在混凝土中的卵石為d50=0.96m時(shí)，深度為其深度的1/2(間隙深度h50=0.48m)，此時(shí)RMS的最大值隨著流量的增加而顯著增長(zhǎng)。在這種情況下，壓力脈動(dòng)可能達(dá)到RMS值的4倍，即約為水頭(16 kPa)的1.6m，見(jiàn)圖7。在平均壓力或泄槽水深較低的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)表面的總壓力值可能會(huì)低于大氣壓力。這種現(xiàn)象會(huì)連續(xù)引發(fā)混凝土表面的氣蝕風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短其生命周期。針對(duì)這種情況，一種有效的預(yù)防措施是用纖維混凝土加固溜槽的混凝土部分。

圖6 RMS壓力脈動(dòng)與特定排量和槽床粗糙度的關(guān)系

圖7 流量Q10000(q=7m2.s-1)時(shí)砌塊坡道上的脈動(dòng)壓力分布(砌塊之間的平均間隙深度h50=0.48m)

3 結(jié) 論

1)在沿河流縱斷面坡度的高跨越河道輸送水時(shí)，采用砌塊坡道是一種非常有效的技術(shù)解決方案，可以保護(hù)自然景觀、生物棲息地等。

2)砌塊坡道具有良好的能量耗散效率，有利于相鄰河流段的襯砌穩(wěn)定性。

3)溜槽的粗糙度越大，能量耗散越高，溜槽河床遭受的脈動(dòng)壓力的水動(dòng)力載荷也越大。

4)結(jié)果表明，脈動(dòng)壓力具有高斯概率分布，最大壓力脈動(dòng)值達(dá)到RMS(均方根)值的4倍。

5)本研究推導(dǎo)了溜槽粗糙度和比流量的RMS關(guān)系，可用于確定纖維混凝土制成的溜槽表面的尺寸。