透水底板防護結構的安全穩(wěn)定性分析

透水底板防護結構的安全穩(wěn)定性分析

“寬尾墩消耗池”的聯合消能工是中國首次消能方法。目前，它已廣泛應用于康安、五強溪、朝陽山、巖灘、索峰營等高洪水消能機。實踐表明，它具有良好的消能效應。但由于寬尾墩射流沖擊下消力池水流流態(tài)及水動力荷載特性異常復雜,工程中不乏有底板錨筋被拔出,甚至底板被掀翻的破壞實例。因此射流沖擊下消力池防護結構的安全穩(wěn)定性是實現消能防沖目的的關鍵所在。近年來,眾多學者對防護結構的安全穩(wěn)定性進行了大量研究,研究成果主要集中在兩方面:一是作用在防護結構上的荷載;二是在荷載作用下防護結構的安全穩(wěn)定性。但迄今為止,水墊塘防護結構穩(wěn)定性研究大都陷于一種“被動防護”的狀態(tài),即在既定荷載作用下,研究如何使結構具備抵抗這一荷載的能力,或設抽排,或加錨固,亦或加大結構尺寸。然而,由于技術上的原因,有時上述各種手段在巨大的動水荷載面前顯得無能為力。即便像二灘那樣目前運行狀態(tài)良好,一旦底板止水遭到破壞,后果將很嚴重。這種被動防護理念勢必會造成上述被動的局面,幾乎所有已建、在建和擬建工程都將面臨同樣威脅。面對潛在威脅,人們提出了一種有效抵抗水動力荷載的防護結構——透水底板,其從“主動防護”的觀念出發(fā),通過改變防護襯砌的結構形式,主動降低作用在防護結構上的荷載,達到防護結構安全穩(wěn)定性的目的。20世紀60年代,哈煥文曾研究過透水護坦的水力特性,研究表明:透水護坦可減小作用在其上的水流脈動荷載。楊敏和孫勉結合拉西瓦拱壩消力塘研究了反拱透水底板水動力特性,試驗結果表明:板塊開孔對射流沖擊區(qū)板塊上舉力減小作用明顯,上舉力隨開孔率的增加而減小且減小趨勢變緩;文中建議底板開孔率k=3.5%為宜;透水孔直徑D對底板上舉力影響不大。張少濟和楊敏結合拉西瓦消力塘透水底板水工模型試驗初步闡述了透水底板減壓降載機理。烏江索豐營水電站消力池透水底板目前正處于施工中。透水防護結構的優(yōu)勢更體現在檢修和非泄洪期間,其可釋放因排水不暢而產生的揚壓力,因而可以不設(或簡化)抽排設備,簡化消力塘設計,減少工程投資,同時提高防護結構的安全性。前人研究大都局限于挑跌流水墊塘反拱形透水底板,而對底流消力池平底透水底板的研究很少涉及。研究消力池平底透水底板的脈動壓力特性,能夠促進人們對這一新型防護結構的認識,豐富透水底板水動力特性的相關研究,為科研設計單位提供技術參考,推動“主動防護”模式的防護結構在工程上的應用。1實驗模型與傳感器本文依托阿海水電站寬尾墩消力池,研究了寬尾墩射流沖擊下消力池平底透水底板脈動壓力特性。該水電站壩型為混凝土重力壩,最大壩高138m,最大單寬流量178m2/s,臨底流速達40m/s,裝機容量2000MW。溢洪道泄洪表孔由5孔組成,堰頂高程均為1484m,其后為階梯壩段,階梯壩坡度1∶0.75,階梯尺寸1.2m×0.9m,階梯末端為半徑27.5m的反弧段。閘墩末端設置“X”型寬尾墩。消能區(qū)采用平底等寬底流消力池,池長95.5m,凈寬93m。溢洪道布置示意圖見圖1。模型按重力相似準則設計,比尺λL=80。板塊采用加重橡膠制作,模型板塊尺寸長×寬×厚=26.25cm×22.50cm×5cm。所有板塊間均留有1mm左右的間隙以保證動水壓力傳遞的相似性。在消力池中間順水流向兩列板塊安裝傳感器:一列板塊下安裝5個測力傳感器,測量底板所受上舉力;另一列板塊上下表面布設32個脈動壓力傳感器(上表面編號s1～s16,下表面編號x1～x16),同步測量底板上下表面的水流脈動壓力。實驗前,將所有傳感器與測量系統(tǒng)在現場率定并在靜水中調零。傳感器布置見圖1,采用透水孔在底板上均勻分布的透水底板形式,兩種開孔孔徑(原型數據)d=7.6cm(k=0.06%),d=16cm(k=0.07%,k=0.16%,k=0.26%)。點脈動壓力測量采用中國水利水電科學研究院的64通道DJ800采集系統(tǒng)進行數據采集與分析,脈動傳感器為硅壓阻式差壓傳感器。根據Nyquist采樣定理,對于頻帶寬度為A(Hz)的隨機信號,采樣頻率應滿足f≥2A,由前人的試驗資料,消力塘內水流脈動壓力能量主要集中在0～15Hz低頻段,所以本試驗取采樣頻率f=50Hz,樣本容量N=4096,數據分析時的截斷頻率為25Hz。圖2為典型工況實測點脈動壓力時程線,可見消力塘內水流脈動過程屬于平穩(wěn)隨機過程,因此可以利用概率統(tǒng)計理論對隨機信號進行幅域、時域和頻域指標分析。2土壤上下表面的動脈壓特性2.1底板下表面脈動壓力用點脈動壓力傳感器同步測量底板上下表面點脈動壓強,并用脈動壓強系數ξ=√ˉp′2/Η(其中p′表示實測脈動壓強)表示其幅值特性,其沿程分布見圖3。由圖3可知,點脈動壓強系數ξ分布具有“底流+挑跌流”分布特性:在寬尾墩射流沖擊的消力池首部出現峰值,之后迅速降低,在x/h=0.3左右出現最小值,之后沿程升高,并在水流強旋滾區(qū)x/h=0.6～1.0區(qū)域再次出現峰值,之后平穩(wěn)減小,受二道壩影響在消力池尾部有所上升。底板下表面脈動壓強系數ξ與上表面有相似的分布規(guī)律,只是幅值有所衰減,原因是板塊上下表面的壓強脈動為同源脈動,下表面脈動壓強是底板上部水體強烈紊動所產生的脈動壓強沿縫隙傳播到底板下表面所致。底板開孔前后,底板上表面ξ基本不變,下表面ξ則在消力池前部隨開孔率的增大而增大,消力池后部則相反,這是由于消力池前部板塊表面水流紊動劇烈,通過縫隙及透水孔進入底板下表面的強烈紊動水流沿程難以有效釋放,而消力池后部板塊表面水流紊動相對較弱,下表面的水流脈動壓力得以有效釋放,且隨開孔率的增大,釋放強度提高。脈動壓力幅值的一個重要特性就是概率密度分布函數,往往關心其分布的正態(tài)性。由圖4可知:底板上下表面水流脈動壓力概率密度近似符合正態(tài)分布,下表面測點的概率密度分布比上表面的顯瘦高,且隨底板開孔率的減小而更顯瘦高,其幅值范圍也相應減小,這與圖3反應的規(guī)律相符。此外注意到底板下表面概率密度函數隨著開孔率的增大更接近于正態(tài)分布,這對于最大振幅估計參數K(脈動壓力均方差的倍數)的取值具有指導意義。2.2空間積分尺度的沿程變化時空相關系數表征不同空間點在不同時刻脈動壓力間的相互依賴關系,反映大尺度渦旋在一定空間范圍內保持其尺度隨時均流向下游傳播。順水流向時空相關系數表示為ρ(x,l,τ)=ˉp′(x,t)?p′(x+l,t+τ)[ˉp′2(x,t)?ˉp′2(x+l,t+τ)]1/2(1)式中τ為時間延遲,s;當τ=0時,ρ(x,l)為瞬時空間相關系數;l為兩測點順流向間距,m;p′(x,t)表示順流向點x處t時刻的脈動壓力;p′(x+l,t+τ)表示與x點相距l(xiāng)的點x+l處t+τ時刻的脈動壓力;ˉp′(x,t)?p′(x+l,t+τ)為x和x+l兩點處脈動壓力時間平均值。ρ(x,l)反映渦旋特征尺度大小?？紤]兩種極端的情況:當l小于水流中最小渦旋的尺度時,ρ(x,l)=1;當l大于水流中最大的渦旋尺度時,ρ(x,l)=0。紊流大渦旋尺度的平均尺度可以用脈動壓力空間積分尺度來表征。脈動壓力的空間積分尺度決定具有同相位變動的脈動壁壓區(qū)間的大小。順水流向脈動壓力空間積分尺度Lx定義如下:Lx=∫l00ρ(x,l)dl(2)其中l(wèi)0為第一個使ρ(x,l)=0的l值。其它參數含義同上。圖5給出了板塊表、底面脈動壓力順水流向空間積分尺度的沿程變化規(guī)律,由圖5可知,底板下表面空間積分尺度明顯大于上表面;板塊開孔前后,底板下表面脈動壓力空間積分尺度沿程分布一致,但開孔后的值有所降低,這符合瞬變流理論。底板下表面空間積分尺度圖中出現明顯的峰值點a1、a2、a4,且峰值點a1、a2、a4分別對應順水流向板塊與板塊間的接縫測點x1、x5、x11,這是由于板塊表面水流通過板塊間的接縫進入板塊底面并沿縫隙傳播開來,下游各測點與縫隙處測點相關性較高,由式(2)可知接縫處空間積分尺度較大,至于與縫隙測點x8對應的點a3未出現峰值,原因是縫隙測點x5處強大的水流脈動壓力沿縫隙傳播將其掩蓋的結果。此外注意到峰值點a2(a4)前一點b1(b2)值較小,原因是縫隙測點x5(x11)入口水流脈動壓力沿縫隙往下游傳播,而上一縫隙處的水流脈動壓力沿程衰減,傳到此處(b1、b2)時脈動強度已經很弱,故此處(b1、b2)與下游各測點相關性較小,所以空間積分尺度較小。綜合分析圖5空間積分尺度在板塊開孔前后的變化,可知板塊下表面水流脈動壓力相關性明顯好于上表面,表明脈動壓力在縫隙中有傳播;板塊開孔后,總體降低了底板下表面水流脈動壓力的互相關性,改變了底板下表面脈動壓力傳播規(guī)律。取射流沖擊下消力池首部板塊為研究對象,考察板塊上下表面脈動壓強的互相關性,以期初步探討透水底板減壓降載機理。圖6為板塊上下表面互相關函數圖,可知底板開孔增大了板塊上下表面脈動壓強互相關性,且均為正相關,說明底板上下表面脈動壓力變化具有相似的趨勢,即底板上表面壓力變大,下表面壓力也變大,反之亦然。由2.1節(jié)可知,底板開孔增大了底板下表面的脈動壓強,這就更清楚地說明板塊上舉力隨板塊開孔率的增大而降低。這是因為板塊開孔率越大,脈動壓強傳到底板下表面的機會越多,由于透水底板上下表面的相關性提高,且發(fā)生相位差,作用在板塊上的動水壓差因板塊均化作用加強而降低,進而降低上舉力?？梢娡杆装濉爸鲃印苯档土俗饔迷谄渖系膭铀奢d,有助于提高底板的安全穩(wěn)定性。圖7為水流脈動壓力的自相關函數圖,反映出底板表、底面水流脈動壓力自相關函數具有相似的變化規(guī)律。板塊上舉力定義為板塊上下表面動水壓力之差,為板塊表、底面動水壓力綜合作用的結果。為了研究底板開孔前后,底板所受的整體荷載的變化,用測力傳感器測量板塊上舉力。圖8給出了消力池首部板塊最大上舉力隨開孔率的變化,可知板塊最大上舉力隨開孔率的增大而降低。圖8中Fk為開孔率為k(k=0、0.06%、0.16%、0.26%)時最大上舉力。2.3脈動能量分析功率譜密度表征脈動能量在頻域上的分布情況。圖9為典型工況點脈動壓力功率譜密度。由圖9可知:寬尾墩射流沖擊下消力池底板上下表面水流脈動壓力具有明顯低頻特性,脈動能量主要分布在0～1.5Hz以內。透水底板下表面脈動能量較不透水底板有所升高,這是由于底板開孔,增大了底板上下表面的相關性(圖6),使得透水底板下表面水流受上表面影響較大,水流紊動加劇所致。3底板下表面水流脈動壓力基于某寬尾墩消力池水工模型試驗,系統(tǒng)地研究了寬尾墩射流沖擊下消力池平底透水底板的脈動壓力特性,主要得出以下結論:(1)底板開孔(開孔率k<0.3%)后,底板上表面水流脈動壓力基本不變,而消力池前部底板下表面水流脈動壓力有所增大,消力池后部則有所降低。與底板上表面相比,底板下表面水流脈動