折坡消力池在江湖中的抗浮穩(wěn)定性研究

折坡消力池在江湖中的抗浮穩(wěn)定性研究

為了改善嘉江地區(qū)的客運(yùn)狀況，根據(jù)嘉江航空公司的發(fā)展計(jì)劃，嘉江通往重慶的航道上計(jì)劃建設(shè)17個(gè)樞紐。嘉陵江屬典型的山區(qū)河流,具有坡降陡,水流急,洪、枯水位變幅大等特點(diǎn),受這些特點(diǎn)的限制,嘉陵江上已建、在建或規(guī)劃的樞紐梯級大多為低壩樞紐,其消能工多采用折坡消力池底流消能。為了解決好消能問題,在消力池內(nèi)一般布置有消力墩,以形成強(qiáng)迫水躍。水躍內(nèi)部存在強(qiáng)烈的流速脈動(dòng)并在護(hù)坦表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)壓力。當(dāng)脈動(dòng)壓力的方向和護(hù)坦面的方向相同時(shí),對底板產(chǎn)生上舉力;反之則產(chǎn)生下座力。在這種反復(fù)載荷作用下,底板會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的振動(dòng),導(dǎo)致消力池護(hù)坦與基巖產(chǎn)生裂縫;若伸縮縫間止水不良,動(dòng)水脈動(dòng)壓力可能會(huì)傳至底板下面。由于紊動(dòng)脈動(dòng)在空間和時(shí)間上都是隨機(jī)性的,因而有可能在瞬時(shí)使整個(gè)護(hù)坦的上、下兩面同時(shí)受到上舉力,若上舉力比消力池護(hù)坦的重力和鋼筋的抗拉應(yīng)力大,護(hù)坦則可能被上抬,最終導(dǎo)致失事。湖南省沅水五強(qiáng)溪水電站1996年7月遭受特大洪水,受到閘門開啟方式的限制,消力池較長時(shí)期處于十分惡劣的水流運(yùn)行狀態(tài),右消力池(寬尾墩-消力池),部分底板塊被水流掀起沖走,基巖沖坑深度超過30m。事故分析表明,板塊失事的主要原因是:閘孔的非常開啟運(yùn)行,造成消力池內(nèi)出現(xiàn)極不穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,高速水流沖擊、紊動(dòng)劇烈,底板上紊流脈動(dòng)壓力加劇,使脈動(dòng)壓力傳入板塊下的縫隙層中,在板塊上形成強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉力,從而引起板塊揭底破壞。消力池護(hù)坦的穩(wěn)定是關(guān)乎樞紐消能乃至影響整個(gè)大壩安全的重要因素之一,而低壩樞紐中水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)上舉力又直接影響護(hù)坦穩(wěn)定。本文通過對嘉陵江蒼溪樞紐的研究,為嘉陵江其他相似工程消力池護(hù)坦穩(wěn)定性計(jì)算提供依據(jù)。1防洪閘和消力池蒼溪樞紐位于嘉陵江干流中游,是嘉陵江廣元至重慶段17級梯級渠化開發(fā)方案中的第3級。蒼溪樞紐大壩軸線全長515.26m,從左至右依次布置有左岸擋水壩、電站廠房、1孔沖砂閘、15孔泄洪閘和船閘。蒼溪樞紐泄洪(沖沙)閘凈寬12.0m,凈高27.8m,閘室長30m,底板高程363.0m。泄洪(沖沙)閘后采用1∶4斜坡接消力池,用底流(水躍)方式消能,消力池底板高程360.5m,池深3.5m,池長48m。其中1~6號閘室后消力池護(hù)坦相對較厚,約為4m,其余閘段護(hù)坦相對較薄,約為2.5m。消力池護(hù)坦板塊尺寸為15.5m×12m,用間排距為2.0m×3.5m的鋼筋進(jìn)行錨固。護(hù)坦上設(shè)“T”形消力墩和差動(dòng)式齒坎兩種輔助消能工,其中“T”形消力墩位于護(hù)坦中部,差動(dòng)式齒坎位于護(hù)坦末端。2模型試驗(yàn)結(jié)果分析和討論試驗(yàn)選取了2.5m厚的3孔閘(7~9號)進(jìn)行模擬(見圖1),受到模型邊界條件的影響,選用中孔閘(8號)后消力池護(hù)坦進(jìn)行研究。為了保證模型制作的相似性,根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,選取1∶45的模型比尺,其他比尺均遵從佛汝德定律。對于水流脈動(dòng)頻率的模型相似率,目前存在兩種見解。其一是由流體力學(xué)的基本方程出發(fā)導(dǎo)出的模型相似率,該結(jié)論與重力相似準(zhǔn)則一致。而另外一種則是由原形觀測和不同比尺的模型試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨坡省８鶕?jù)SL158—95《水工建筑物水流壓力脈動(dòng)和流激振動(dòng)模型試驗(yàn)規(guī)程》,選用第一種見解,即認(rèn)為水流壓力脈動(dòng)仍然服從佛汝德模型相似定律。試驗(yàn)時(shí)對護(hù)坦底部和頂部同時(shí)布置傳感器,對底面和頂面所受到的脈動(dòng)壓力進(jìn)行同步測量。脈動(dòng)壓力測量系統(tǒng)主要由壓力傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、A/D轉(zhuǎn)換板和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成。脈動(dòng)壓力傳感器采用陜西寶雞華瑞傳感技術(shù)研究所生產(chǎn)的固態(tài)壓阻傳感器,測量前需要對壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定,以保證壓力傳感器的壓強(qiáng)水頭與輸出電壓之間保持良好的線性關(guān)系;傳感器輸出信號由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號,后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理;采樣后的數(shù)據(jù)直接以數(shù)據(jù)文檔形式儲(chǔ)存在硬盤上,數(shù)據(jù)處理和分析是通過自行開發(fā)的c++語言程序來完成的。為了保證采樣的有效性,根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采樣的奈奎斯特定理,對于帶寬為B(Hz)的隨機(jī)信號,采樣頻率應(yīng)選取fc≥2B,考慮到消力池水躍區(qū)的頻譜分布主要集中在低頻區(qū),一般為0~10Hz,選取采樣頻率fc=50Hz,相應(yīng)的采樣間隔時(shí)間為0.01s,采樣容量N=1024,采樣記錄的總歷時(shí)T=10.24s。為了確保每個(gè)測點(diǎn)采用的可靠性和代表性,試驗(yàn)采用10組采用樣本結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。3護(hù)坦頂面脈動(dòng)壓力根據(jù)承載極限狀態(tài)規(guī)定,對消力池護(hù)坦進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)該選取最不利的工況。通過試驗(yàn)資料分析,上下游水頭差越大、下游水位越低則消力池護(hù)坦越不穩(wěn)定。為了加強(qiáng)計(jì)算的可靠性,根據(jù)試驗(yàn)工況的特點(diǎn),選取水頭H=16m,上游來流量Q=2000m3/s和5000m3/s作為代表工況。此外,試驗(yàn)中還在消力池不同位置布置了若干測點(diǎn),根據(jù)試驗(yàn)資料分析,消力墩前形成強(qiáng)迫水躍,其后水流相對較為平靜,故脈動(dòng)上舉力最大區(qū)域位于消力墩前最不穩(wěn)定區(qū)域,即消力墩前1號測點(diǎn)所在板塊(見圖1),本文中選取該板塊上測點(diǎn)作為脈動(dòng)壓力穩(wěn)定性分析的代表測點(diǎn)。對脈動(dòng)壓力信號的處理主要包括:脈動(dòng)壓力波形圖、時(shí)均壓強(qiáng),均方根σ,脈動(dòng)壓力最大值p′max和最小值p′min,脈動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)Cp′、紊動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)CV和功率譜密度S(f)。代表測點(diǎn)脈動(dòng)壓力波形見圖2。從圖2中可以看出,隨機(jī)數(shù)據(jù)平均值波動(dòng)很小,時(shí)域波形的峰谷變化較均勻,波峰和波谷、高峰和低峰交錯(cuò)出現(xiàn),無明顯相對集中現(xiàn)象;波形的頻率結(jié)構(gòu)基本一致,疏密相間,無明顯的連續(xù)低頻段或連續(xù)高頻段,因此,可認(rèn)為該隨機(jī)數(shù)據(jù)是平穩(wěn)的。代表工況下代表測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力特征值見表1。代表測點(diǎn)功率譜密度曲線見圖3。由圖3可知,消力池底板上水流能量集中于0~10Hz(按重力相似準(zhǔn)則計(jì)算為0~1.5Hz),顯示出明顯的低頻優(yōu)勢,表明消力池內(nèi)底板上的脈動(dòng)壓力主要是由強(qiáng)紊動(dòng)水流所造成的,其低頻大尺度渦漩對脈動(dòng)壓強(qiáng)的幅值起主要作用。其優(yōu)勢頻率遠(yuǎn)低于消力池護(hù)坦的自振頻率,因此該低頻脈動(dòng)將不會(huì)引起消力池護(hù)坦共振。根據(jù)蒼溪樞紐工程消力池護(hù)坦的布置特點(diǎn),其板塊尺寸為15.5m×12m,厚度為2.5m,采用間排距均為2m×3.5m的錨筋錨固。其穩(wěn)定性條件的數(shù)學(xué)形式為:式中,G為底板的重力,G=γcAd,其中,γc為混凝土容重,取24kN/m3,A為護(hù)坦板塊的面積,d為護(hù)坦的厚度;FR為底板和基巖的錨筋力,FR=(γr-10)ηTA,其中,γr為基巖容重,取27kN/m3;η為錨固地基有效深度折減系數(shù),取0.95,T為錨固地基有效深度,T=S-L/3,S為錨筋錨入地基的深度,L為錨筋間距;F上為上舉力,它是時(shí)均上舉力和脈動(dòng)上舉力的總和,對于時(shí)均上舉力和脈動(dòng)上舉力的計(jì)算都應(yīng)采取同步疊加的方法進(jìn)行。,其中,為作用在護(hù)坦底面的時(shí)均壓力,為護(hù)坦頂面時(shí)均壓力,為了計(jì)算的可靠性,通常取護(hù)坦頂面所受到的最小時(shí)均壓力,即:主要是指護(hù)坦底面所受到的揚(yáng)壓力Fu,其中包括滲透壓力Fs和浮托力Fb。對于本試驗(yàn),由于測量了護(hù)坦頂面所受到的壓力,其可取底面所受到的最大時(shí)均壓力,即。由于采用同步疊加計(jì)算,則則是作用在護(hù)坦頂面脈動(dòng)壓力代表值P頂fr′與作用在護(hù)坦底面最大脈動(dòng)壓力P底fr′的和,同樣采用同步疊加方式計(jì)算,即。作用在一定面積上的脈動(dòng)壓力代表值Pfr′=βmpfr′A,其中,βm為面積均化系數(shù),pfr′為脈動(dòng)壓強(qiáng)代表值,pfr′=2.31σ。為了表達(dá)護(hù)坦的穩(wěn)定性,引入穩(wěn)定系數(shù)K,K可按下式計(jì)算,K越大,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。根據(jù)上述計(jì)算公式,計(jì)算出最不穩(wěn)定時(shí)的上舉力、自重力及穩(wěn)定系數(shù)見表2。從表2中可以看出,在最不利工況下,計(jì)算出穩(wěn)定系數(shù)K=1.73>1,表明此時(shí)消力池底板是穩(wěn)定的。4水躍動(dòng)力池護(hù)坦抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算本文結(jié)合嘉陵江蒼溪樞紐工程,對低壩下游折坡消力池抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行了初步的研究,研究表明:(1)蒼溪樞紐工程采用底流消能形式,利用水躍產(chǎn)生的強(qiáng)烈紊動(dòng)消能,根據(jù)實(shí)測的水躍脈動(dòng)壓力信