高速反拱水墊塘的水力學(xué)特性

高速反拱水墊塘的水力學(xué)特性

0壩上下游水墊塘峽谷高壩工程具有高壩、高排水、窄河的特點。水庫下的高速水流通過下游河流，巨大的動能對巖石河床產(chǎn)生了很大的磨損。因此，應(yīng)采取必要的消能措施來加固河床，集中消能，提高河流的抗沖能力。在壩的下游修建水墊塘是目前最為常用的方式,其斷面形式一般為倒梯形。近幾年來隨著人們對水墊塘失穩(wěn)破壞研究的不斷深入,反拱底板形式的水墊塘引起工程設(shè)計和科研人員的極大關(guān)注:峽谷天然河道通常具有較好的反弧形式,將水墊塘設(shè)計成中間低、兩岸高的反拱形,對維護壩基穩(wěn)定、不刻意開挖十分有利;另外反拱體底板支撐在基巖上,兩端伸入兩岸巖體內(nèi),結(jié)構(gòu)整體受力條件好,為更好地推廣應(yīng)用,本文對反拱水墊塘的水力學(xué)特性進行了以下分析和總結(jié)。1反弧水墊的水力特性1.1水躍消能分析壩身下泄的高速水流射入水墊塘?xí)r,主流方向與下游水平面存在一定的夾角,一般為30°～70°,首先表現(xiàn)出沖擊射流的特征。反拱水墊塘內(nèi)的基本流態(tài)與入水單位水體的能量及其分布的均勻度、下游水墊深度有關(guān)。在來流不變的情況下,通過觀察可知:隨著下游水墊深度的由淺到深,在入塘射流的下游通常會出現(xiàn)遠驅(qū)水躍、臨界和淹沒水躍。對于遠驅(qū)水躍,高速射流直接射沖底板,沖擊力大而且躍前急流段長、臨底流速大,底板易產(chǎn)生空蝕破壞,這一流態(tài)對工程不利,應(yīng)盡可能避免。臨界水躍消能效果好,但其不穩(wěn)定,下游水位稍有變動即將轉(zhuǎn)為遠驅(qū)水躍。從水躍的穩(wěn)定性和消能效果來考慮,選擇淹沒度較小的淹沒水躍進行銜接與消能較為合理,因為這種水躍即能保證有較高的消能率,又不致因下游水位的變動而轉(zhuǎn)化為遠驅(qū)水躍,是工程設(shè)計上所要求的流態(tài)。因此后面僅就射流沖擊后形成淹沒水躍這一流態(tài)的水力學(xué)特征進行討論。對于高壩射流,下游水墊較深,水舌入水后被淹沒,在其上下游兩個漩渦區(qū)。主流沿程進行擴散,沖擊底板后迅速躍起,其后形成淹沒水躍,上層為漩滾區(qū),下層為射流擴散區(qū),是水流的主流區(qū),水流流速較高(圖1a為流態(tài)示意圖)。從流態(tài)總體特點來看,反拱水墊塘與平底相似。劉沛清教授在文獻中對平底塘內(nèi)的淹沒沖擊射流進行過總結(jié),可看作淹沒沖擊射流和淹沒水躍的混合流態(tài),沿主射流區(qū)可分成淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁射流區(qū)。在塘底高程相同的情況下,反拱主流兩側(cè)水流翻滾、紊動程度強,水面波動相對大些。1.2沖擊區(qū)脈動流速射流入水后擴散,主流沿程流速減小。由于主流受底板的折沖,使得流速迅速減小,壓力急劇增大而產(chǎn)生大的沖擊力,時均壓力最大值位于沖擊處主流前部附近,圖1b給出反拱底板主流縱向動水壓強分布示意圖。由于水流強紊動和流速的變化引起水流的脈動,沖擊區(qū)的脈動壓力往往很大,為水墊塘受力分析和穩(wěn)定性的重要影響因素。一些工程失事的研究結(jié)果表明,底板上脈動壓力是造成板塊破壞的重要原因。躍前收縮斷面受到下游水墊的淹沒,底部流速仍較大,具有底流射流特征。水躍區(qū)沿程斷面平均流速減小,分布同典型水躍,漩滾區(qū)流向指向上游,而且量值小。壓力及流速沿水墊塘的橫向分布,受來流入水寬度影響明顯。主流一般位于中線時,底部壓力中間大而左右兩側(cè)壓力小,兩側(cè)平均流速也小,表流速相對大些。反拱底橫向曲面有利于水流的平順銜接,而倒梯形斷面存在隅角,臨底高速水流由此會產(chǎn)生較大的壓力梯度,這也是反拱底與平底流態(tài)與壓力分布的不同之處。1.3水躍區(qū)消能及消能反沖設(shè)計利用射流和水躍的消能原理進行消能,射流在沿程變化的過程中,通過與各漩滾區(qū)間的強紊動、剪切和擴散進行能量傳遞、再分配和耗散,水躍在動能轉(zhuǎn)化為勢能過程中也伴隨著水流質(zhì)點間的摩擦和撞擊轉(zhuǎn)化為熱能而散失。單純水躍區(qū)消能率一般可達到50%左右,因此通過水躍區(qū)的擴散、翻滾消能,再加上射流沖擊的能量損失和入塘水舌的充分?jǐn)U散,綜合可實現(xiàn)消能防沖需要。必要時,還可以在水墊塘內(nèi)加設(shè)消力墩等措施,進一步提高消能效果。2水流特征和沖擊區(qū)脈動壓力某高壩工程壩址區(qū)為高山峽谷地貌,壩身泄洪采用3表孔+2深孔的分層多孔形式,壩下采用水墊塘集中消能,塘末設(shè)二道壩。水墊塘設(shè)計有平底和反拱兩種形式,二者塘底高程和塘長相同。反拱半徑為66m,中心角為64°,拱深10m。表深孔聯(lián)合泄洪,水舌通過縱向拉開和橫向擴散,以減小入塘水流單寬流量,入水寬度60～70m。最大流速位于沖擊點下游收縮斷面壩中心線下150m處,其值為10.9m/s,塘末斷面平均流速為6m/s左右。從流態(tài)來看(圖2),水墊較深,塘內(nèi)水流大范圍漩滾和不斷混摻,消能充分,下游河床的沖淤情況也說明了這一點。設(shè)計水位反拱水墊塘底板中線壓強分布曲線見圖2,最大時均壓強均位于沖擊點附近。表深孔聯(lián)合泄洪時,塘內(nèi)最大時均壓強為309kPa,最大脈動壓強140kPa,最大沖擊壓強137kPa,位于沖擊點壩下144m處的主流中線附近,紊動系數(shù)Cv為15.6%;水舌沖擊區(qū)脈動壓強的觀測結(jié)果表明:脈動能量集中在低頻范圍內(nèi),屬低頻大尺度渦動性質(zhì),高頻區(qū)能量逐漸衰減。反拱水墊塘?xí)r均壓強和沖擊壓強均比平底小,同時由于反拱的體形特點以及消能容積比平底略小,其脈動特性與平底相比,具有時均壓強小而脈動壓強大的特點,水流的紊動程度也高于平底塘,出塘水流較平穩(wěn),水力學(xué)特性滿足相關(guān)要求。3圓形曲面底板抗剪強度對于高壩泄洪消能采用反拱水墊塘,一是適宜峽谷地形條件,二是水流在水墊塘內(nèi)利用射流和水躍的消能原理進行消能,三是拱形曲面底板有利于水流橫向擴散的平順銜接和減少開挖量。除此之外拱形結(jié)構(gòu)可加強底板的整體穩(wěn)定性。該文