透水底板防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性分析

透水底板防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性分析

“寬尾墩消耗池”的聯(lián)合消能工是中國(guó)首次消能方法。目前，它已廣泛應(yīng)用于康安、五強(qiáng)溪、朝陽(yáng)山、巖灘、索峰營(yíng)等高洪水消能機(jī)。實(shí)踐表明，它具有良好的消能效應(yīng)。但由于寬尾墩射流沖擊下消力池水流流態(tài)及水動(dòng)力荷載特性異常復(fù)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(shí)例。因此射流沖擊下消力池防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)消能防沖目的的關(guān)鍵所在。近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載;二是在荷載作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。但迄今為止,水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究大都陷于一種“被動(dòng)防護(hù)”的狀態(tài),即在既定荷載作用下,研究如何使結(jié)構(gòu)具備抵抗這一荷載的能力,或設(shè)抽排,或加錨固,亦或加大結(jié)構(gòu)尺寸。然而,由于技術(shù)上的原因,有時(shí)上述各種手段在巨大的動(dòng)水荷載面前顯得無(wú)能為力。即便像二灘那樣目前運(yùn)行狀態(tài)良好,一旦底板止水遭到破壞,后果將很嚴(yán)重。這種被動(dòng)防護(hù)理念勢(shì)必會(huì)造成上述被動(dòng)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(duì)潛在威脅,人們提出了一種有效抵抗水動(dòng)力荷載的防護(hù)結(jié)構(gòu)——透水底板,其從“主動(dòng)防護(hù)”的觀念出發(fā),通過(guò)改變防護(hù)襯砌的結(jié)構(gòu)形式,主動(dòng)降低作用在防護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載,達(dá)到防護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的目的。20世紀(jì)60年代,哈煥文曾研究過(guò)透水護(hù)坦的水力特性,研究表明:透水護(hù)坦可減小作用在其上的水流脈動(dòng)荷載。楊敏和孫勉結(jié)合拉西瓦拱壩消力塘研究了反拱透水底板水動(dòng)力特性,試驗(yàn)結(jié)果表明:板塊開(kāi)孔對(duì)射流沖擊區(qū)板塊上舉力減小作用明顯,上舉力隨開(kāi)孔率的增加而減小且減小趨勢(shì)變緩;文中建議底板開(kāi)孔率k=3.5%為宜;透水孔直徑D對(duì)底板上舉力影響不大。張少濟(jì)和楊敏結(jié)合拉西瓦消力塘透水底板水工模型試驗(yàn)初步闡述了透水底板減壓降載機(jī)理。烏江索豐營(yíng)水電站消力池透水底板目前正處于施工中。透水防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更體現(xiàn)在檢修和非泄洪期間,其可釋放因排水不暢而產(chǎn)生的揚(yáng)壓力,因而可以不設(shè)(或簡(jiǎn)化)抽排設(shè)備,簡(jiǎn)化消力塘設(shè)計(jì),減少工程投資,同時(shí)提高防護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)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(dòng)壓力特性,能夠促進(jìn)人們對(duì)這一新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),豐富透水底板水動(dòng)力特性的相關(guān)研究,為科研設(shè)計(jì)單位提供技術(shù)參考,推動(dòng)“主動(dòng)防護(hù)”模式的防護(hù)結(jié)構(gòu)在工程上的應(yīng)用。1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c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(dòng)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(dá)40m/s,裝機(jī)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(shè)置“X”型寬尾墩。消能區(qū)采用平底等寬底流消力池,池長(zhǎng)95.5m,凈寬93m。溢洪道布置示意圖見(jiàn)圖1。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),比尺λL=80。板塊采用加重橡膠制作,模型板塊尺寸長(zhǎng)×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(dòng)水壓力傳遞的相似性。在消力池中間順?biāo)飨騼闪邪鍓K安裝傳感器:一列板塊下安裝5個(gè)測(cè)力傳感器,測(cè)量底板所受上舉力;另一列板塊上下表面布設(shè)32個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器(上表面編號(hào)s1～s16,下表面編號(hào)x1～x16),同步測(cè)量底板上下表面的水流脈動(dòng)壓力。實(shí)驗(yàn)前,將所有傳感器與測(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)率定并在靜水中調(diào)零。傳感器布置見(jiàn)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(kāi)孔孔徑(原型數(shù)據(jù))d=7.6cm(k=0.06%),d=16cm(k=0.07%,k=0.16%,k=0.26%)。點(diǎn)脈動(dòng)壓力測(cè)量采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的64通道DJ800采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,脈動(dòng)傳感器為硅壓阻式差壓傳感器。根據(jù)Nyquist采樣定理,對(duì)于頻帶寬度為A(Hz)的隨機(jī)信號(hào),采樣頻率應(yīng)滿足f≥2A,由前人的試驗(yàn)資料,消力塘內(nèi)水流脈動(dòng)壓力能量主要集中在0～15Hz低頻段,所以本試驗(yàn)取采樣頻率f=50Hz,樣本容量N=4096,數(shù)據(jù)分析時(shí)的截?cái)囝l率為25Hz。圖2為典型工況實(shí)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)程線,可見(jiàn)消力塘內(nèi)水流脈動(dòng)過(guò)程屬于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,因此可以利用概率統(tǒng)計(jì)理論對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行幅域、時(shí)域和頻域指標(biāo)分析。2土壤上下表面的動(dòng)脈壓特性2.1底板下表面脈動(dòng)壓力用點(diǎn)脈動(dòng)壓力傳感器同步測(cè)量底板上下表面點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng),并用脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)ξ=√ˉp′2/Η(其中p′表示實(shí)測(cè)脈動(dòng)壓強(qiáng))表示其幅值特性,其沿程分布見(jiàn)圖3。由圖3可知,點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)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(xiàn)峰值,之后迅速降低,在x/h=0.3左右出現(xiàn)最小值,之后沿程升高,并在水流強(qiáng)旋滾區(qū)x/h=0.6～1.0區(qū)域再次出現(xiàn)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(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)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(qiáng)脈動(dòng)為同源脈動(dòng),下表面脈動(dòng)壓強(qiáng)是底板上部水體強(qiáng)烈紊動(dòng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)壓強(qiáng)沿縫隙傳播到底板下表面所致。底板開(kāi)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(kāi)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(dòng)劇烈,通過(guò)縫隙及透水孔進(jìn)入底板下表面的強(qiáng)烈紊動(dòng)水流沿程難以有效釋放,而消力池后部板塊表面水流紊動(dòng)相對(duì)較弱,下表面的水流脈動(dòng)壓力得以有效釋放,且隨開(kāi)孔率的增大,釋放強(qiáng)度提高。脈動(dòng)壓力幅值的一個(gè)重要特性就是概率密度分布函數(shù),往往關(guān)心其分布的正態(tài)性。由圖4可知:底板上下表面水流脈動(dòng)壓力概率密度近似符合正態(tài)分布,下表面測(cè)點(diǎn)的概率密度分布比上表面的顯瘦高,且隨底板開(kāi)孔率的減小而更顯瘦高,其幅值范圍也相應(yīng)減小,這與圖3反應(yīng)的規(guī)律相符。此外注意到底板下表面概率密度函數(shù)隨著開(kāi)孔率的增大更接近于正態(tài)分布,這對(duì)于最大振幅估計(jì)參數(shù)K(脈動(dòng)壓力均方差的倍數(shù))的取值具有指導(dǎo)意義。2.2空間積分尺度的沿程變化時(shí)空相關(guān)系數(shù)表征不同空間點(diǎn)在不同時(shí)刻脈動(dòng)壓力間的相互依賴關(guān)系,反映大尺度渦旋在一定空間范圍內(nèi)保持其尺度隨時(shí)均流向下游傳播。順?biāo)飨驎r(shí)空相關(guān)系數(shù)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(shí)間延遲,s;當(dāng)τ=0時(shí),ρ(x,l)為瞬時(shí)空間相關(guān)系數(shù);l為兩測(cè)點(diǎn)順流向間距,m;p′(x,t)表示順流向點(diǎn)x處t時(shí)刻的脈動(dòng)壓力;p′(x+l,t+τ)表示與x點(diǎn)相距l(xiāng)的點(diǎn)x+l處t+τ時(shí)刻的脈動(dòng)壓力;ˉp′(x,t)?p′(x+l,t+τ)為x和x+l兩點(diǎn)處脈動(dòng)壓力時(shí)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(dāng)l小于水流中最小渦旋的尺度時(shí),ρ(x,l)=1;當(dāng)l大于水流中最大的渦旋尺度時(shí),ρ(x,l)=0。紊流大渦旋尺度的平均尺度可以用脈動(dòng)壓力空間積分尺度來(lái)表征。脈動(dòng)壓力的空間積分尺度決定具有同相位變動(dòng)的脈動(dòng)壁壓區(qū)間的大小。順?biāo)飨蛎}動(dòng)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(gè)使ρ(x,l)=0的l值。其它參數(shù)含義同上。圖5給出了板塊表、底面脈動(dòng)壓力順?biāo)飨蚩臻g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(kāi)孔前后,底板下表面脈動(dòng)壓力空間積分尺度沿程分布一致,但開(kāi)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(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)a1、a2、a4,且峰值點(diǎn)a1、a2、a4分別對(duì)應(yīng)順?biāo)飨虬鍓K與板塊間的接縫測(cè)點(diǎn)x1、x5、x11,這是由于板塊表面水流通過(guò)板塊間的接縫進(jìn)入板塊底面并沿縫隙傳播開(kāi)來(lái),下游各測(cè)點(diǎn)與縫隙處測(cè)點(diǎn)相關(guān)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(cè)點(diǎn)x8對(duì)應(yīng)的點(diǎn)a3未出現(xiàn)峰值,原因是縫隙測(cè)點(diǎn)x5處強(qiáng)大的水流脈動(dòng)壓力沿縫隙傳播將其掩蓋的結(jié)果。此外注意到峰值點(diǎn)a2(a4)前一點(diǎn)b1(b2)值較小,原因是縫隙測(cè)點(diǎn)x5(x11)入口水流脈動(dòng)壓力沿縫隙往下游傳播,而上一縫隙處的水流脈動(dòng)壓力沿程衰減,傳到此處(b1、b2)時(shí)脈動(dòng)強(qiáng)度已經(jīng)很弱,故此處(b1、b2)與下游各測(cè)點(diǎn)相關(guān)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(kāi)孔前后的變化,可知板塊下表面水流脈動(dòng)壓力相關(guān)性明顯好于上表面,表明脈動(dòng)壓力在縫隙中有傳播;板塊開(kāi)孔后,總體降低了底板下表面水流脈動(dòng)壓力的互相關(guān)性,改變了底板下表面脈動(dòng)壓力傳播規(guī)律。取射流沖擊下消力池首部板塊為研究對(duì)象,考察板塊上下表面脈動(dòng)壓強(qiáng)的互相關(guān)性,以期初步探討透水底板減壓降載機(jī)理。圖6為板塊上下表面互相關(guān)函數(shù)圖,可知底板開(kāi)孔增大了板塊上下表面脈動(dòng)壓強(qiáng)互相關(guān)性,且均為正相關(guān),說(shuō)明底板上下表面脈動(dòng)壓力變化具有相似的趨勢(shì),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(kāi)孔增大了底板下表面的脈動(dòng)壓強(qiáng),這就更清楚地說(shuō)明板塊上舉力隨板塊開(kāi)孔率的增大而降低。這是因?yàn)榘鍓K開(kāi)孔率越大,脈動(dòng)壓強(qiáng)傳到底板下表面的機(jī)會(huì)越多,由于透水底板上下表面的相關(guān)性提高,且發(fā)生相位差,作用在板塊上的動(dòng)水壓差因板塊均化作用加強(qiáng)而降低,進(jìn)而降低上舉力?？梢?jiàn)透水底板“主動(dòng)”降低了作用在其上的動(dòng)水荷載,有助于提高底板的安全穩(wěn)定性。圖7為水流脈動(dòng)壓力的自相關(guān)函數(shù)圖,反映出底板表、底面水流脈動(dòng)壓力自相關(guān)函數(shù)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(dòng)水壓力之差,為板塊表、底面動(dòng)水壓力綜合作用的結(jié)果。為了研究底板開(kāi)孔前后,底板所受的整體荷載的變化,用測(cè)力傳感器測(cè)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(kāi)孔率的變化,可知板塊最大上舉力隨開(kāi)孔率的增大而降低。圖8中Fk為開(kāi)孔率為k(k=0、0.06%、0.16%、0.26%)時(shí)最大上舉力。2.3脈動(dòng)能量分析功率譜密度表征脈動(dòng)能量在頻域上的分布情況。圖9為典型工況點(diǎn)脈動(dòng)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(dòng)壓力具有明顯低頻特性,脈動(dòng)能量主要分布在0～1.5Hz以內(nèi)。透水底板下表面脈動(dòng)能量較不透水底板有所升高,這是由于底板開(kāi)孔,增大了底板上下表面的相關(guān)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(dòng)加劇所致。3底板下表面水流脈動(dòng)壓力基于某寬尾墩消力池水工模型試驗(yàn),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(dòng)壓力特性,主要得出以下結(jié)論:(1)底板開(kāi)孔(開(kāi)孔率k<0.3%)后,底板上表面水流脈動(dòng)壓力基本不變,而消力池前部底板下表面水流脈動(dòng)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(dòng)