(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200434)

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)

鍵槽式底板物模試驗(yàn)研究

許翔

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200434)

本文以某實(shí)際工程為背景，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，分析研究了在水墊塘底板板塊間設(shè)置鍵槽后，對(duì)不同位置板塊所受上舉力的影響以及各自的變化情況，旨在為應(yīng)用這一結(jié)構(gòu)提供參考。

水墊塘；底板；鍵槽；物理模型試驗(yàn)

隨著我國(guó)水電工程的不斷發(fā)展，在高壩設(shè)計(jì)及建造上不斷取得新成就，但這也帶來(lái)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題——消能防沖。國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者如彭彬[1]、練繼建[2]等對(duì)此進(jìn)行了比較深入的研究。目前為了能較好地解決這一工程問(wèn)題，通常在大壩的下游側(cè)修建一個(gè)具有一定水深的消力池，即通常所說(shuō)的水墊塘。同時(shí)水墊塘的底板有兩種形式，一種是平底板，一種是反拱底板。本文通過(guò)具體工程模型試驗(yàn)，結(jié)合已有的研究成果，通過(guò)在平底板間增加鍵槽這一特殊結(jié)構(gòu)，分析了其對(duì)板塊上舉力的影響。

1 工程概況

重慶市梅溪河渡口壩水電站位于梅溪河奉節(jié)縣境內(nèi)河段上，距離重慶市奉節(jié)縣城90km。工程為Ⅲ等中型，采用混合式引水?？傃b機(jī)容量12.9萬(wàn)kW。最大壩高108.7m。擋水建筑物為一座變厚雙曲混凝土拱壩。泄水建筑物由3個(gè)溢流表孔組成，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1.0%)，校核洪水為1000年一遇(P=0.1%)，消能防沖設(shè)計(jì)流量為30年一遇(P=3.33%)。該工程消能采用水墊塘形式。水墊塘長(zhǎng)176.8m，底部平均寬42.9m，由于呈凹形設(shè)計(jì)，因此底高程分別為480.00m、474.00m、479.00m。底板厚3m，水墊塘末端設(shè)高度為9m的二道壩，頂寬3m。

2 模型設(shè)計(jì)

由于重力是流經(jīng)堰孔水流的主導(dǎo)性作用力，因此，根據(jù)水工模型設(shè)計(jì)的相似原理要求，該工程模型按重力相似準(zhǔn)則制作。模型幾何比尺擬定為λ1=50。水墊塘模型設(shè)計(jì)采用灰塑料板襯底，同時(shí)在襯底塑料板上放置加重橡膠塊模擬水墊塘底板，其他要素比尺見下表。

模型比尺表

水墊塘斷面見圖1。

圖1 水墊塘示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

此次試驗(yàn)共選取了呈十字交叉狀的不同位置的5塊受力板塊進(jìn)行分析研究。鍵槽結(jié)構(gòu)及板塊布置如圖2所示。

圖2 鍵槽結(jié)構(gòu)及研究板塊位置

在試驗(yàn)中采用上游表孔全部開啟的泄洪方式，并且設(shè)置570.25～572.25m的不同上游水位三組，水位間隔1m。每固定一個(gè)上游水位的同時(shí)對(duì)應(yīng)不同的八個(gè)水墊塘水位，將研究板塊按布置方向的不同，歸為不同的兩組分別進(jìn)行研究。一類為順下泄水流方向，包括編號(hào)為1、2、3的板塊，對(duì)應(yīng)的樁號(hào)為0+49～0+71,板塊中心距為11m;一類為垂直下泄水流方向，包括編號(hào)為4、2、5的板塊，此時(shí)三個(gè)板塊樁號(hào)相同。試驗(yàn)后將順下泄水流方向各組次結(jié)果繪制成圖3～圖4：

圖3 上舉力最大值

圖4 上舉力時(shí)均值

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在不同的三個(gè)上游水位工況下，增加鍵槽后底板上舉力各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。由于鍵槽的存在，在順?biāo)鞣较蛏?，不同位置的底板最大上舉力存在明顯下降趨勢(shì)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為，同一樁號(hào)處的底板，實(shí)測(cè)上舉力受到的影響較小，表現(xiàn)為一個(gè)平滑穩(wěn)定的過(guò)程，而時(shí)均上舉力通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的變化趨勢(shì)，而圖7中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為兩部分，位于上部、均方差數(shù)值較大的均為無(wú)鍵槽實(shí)驗(yàn)組實(shí)測(cè)值，而下層實(shí)測(cè)數(shù)值較小的為有鍵槽試驗(yàn)組實(shí)測(cè)值。分析原因認(rèn)為：鍵槽是一種比較特殊的結(jié)構(gòu)，在水平方向上能夠有效傳遞剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，同時(shí)不能傳遞拉應(yīng)力。由于下泄水流的荷載作用，在底板下部產(chǎn)生上舉力時(shí)，剪應(yīng)力和壓應(yīng)力在水平方向上傳播。而鍵槽傳遞的正是這兩種力。因此，鍵槽增強(qiáng)了某一板塊與各個(gè)相鄰板塊的聯(lián)系，并且將原來(lái)由單一板塊承受上舉力作用，在設(shè)置鍵槽后變成多板塊共同承受。正因如此，鍵槽的存在，也有效地減小或者避免了當(dāng)下泄水流作用力較大而導(dǎo)致某一塊底板失穩(wěn)破壞的可能性。同時(shí)由于該樁號(hào)位于水墊塘淹沒(méi)沖擊射流的沖擊區(qū)，正是整個(gè)水墊塘底板最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞的區(qū)域，當(dāng)該區(qū)域的止水發(fā)生破壞時(shí)，在沒(méi)有鍵槽作用的情況下，上舉力作用由該區(qū)域的底板各自承擔(dān)。而通過(guò)設(shè)置鍵槽，單一板塊與周圍相鄰板塊通過(guò)鍵槽而銜接為一個(gè)整體，從而顯著減小了單個(gè)底板承受的下泄水流作用力。而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示，作用在各板塊的上舉力大致處于同一水平，鍵槽將下泄水流的巨大荷載“均分”給了多個(gè)底板。對(duì)于上舉力均方差在設(shè)置鍵槽前后產(chǎn)生的變化，分析認(rèn)為，均方差所反映的是一個(gè)波動(dòng)性的概念，它的大小反映的是上舉力脈動(dòng)值偏離平均水平的程度。而通過(guò)設(shè)置鍵槽這一結(jié)構(gòu)，則將原來(lái)的單板塊受力產(chǎn)生的脈動(dòng)現(xiàn)象變?yōu)橛啥鄠€(gè)板塊銜接形成的聯(lián)體脈動(dòng)，基于脈動(dòng)現(xiàn)象的高度隨機(jī)性以及不同板塊的整體性的強(qiáng)化，各板塊受力情況得到改善，減少了單一板塊上應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

為了更加全面地認(rèn)識(shí)分析鍵槽的存在對(duì)水墊塘底板受力情況的影響，設(shè)置鍵槽后，對(duì)與下泄水流方向垂直的三個(gè)底板進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析，現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖5～圖7。

圖5 上舉力最大值

圖6 上舉力時(shí)均值

圖7 上舉力均方差

可以發(fā)現(xiàn)，在垂直水流方向上，各板塊上舉力在不同試驗(yàn)工況下變化趨勢(shì)類似，因此圖5～圖7同樣給出了具有代表性的上舉力各指標(biāo)變化情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)置鍵槽導(dǎo)致底板上舉力最大值也出現(xiàn)了上下分層的現(xiàn)象。不設(shè)鍵槽時(shí)最大值均位于圖的上方，增設(shè)后位于圖的下方，上舉力均方差仍然和順?biāo)髟囼?yàn)情況一致，設(shè)置鍵槽前后出現(xiàn)上下分層的現(xiàn)象。故認(rèn)為鍵槽的存在對(duì)于垂直水流方向的底板上舉力也有較大的影響，原因在于下泄水舌在泄流過(guò)程中有向水墊塘中線集中的趨勢(shì)，使得水墊塘中間偏右側(cè)的2號(hào)、5號(hào)板塊上舉力實(shí)測(cè)值大于左側(cè)4號(hào)板塊，但因?yàn)檫@三個(gè)板塊在鍵槽的作用下已連為一體，很大程度上改變了2、5號(hào)板塊的受力環(huán)境，受力情況由三板塊各自承受上舉力變?yōu)槿吖餐芰?，弱化了上舉力對(duì)單個(gè)板塊的作用，減小了下泄水舌向水墊塘中線集中而產(chǎn)生的不利影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

順下泄水流的方向上，由于鍵槽的存在使不同板塊間的聯(lián)系得到加強(qiáng)。板塊受力情況發(fā)生改變，不再是原先的各板塊獨(dú)自受到上舉力作用。并且由于不同的板塊銜接在一起弱化了上舉力的作用，使得上舉力作用效果顯著降低。同時(shí)鍵槽對(duì)上舉力均方差也產(chǎn)生了較大影響，實(shí)測(cè)數(shù)值發(fā)生了顯著的上下分層現(xiàn)象，表明水墊塘底板不同塊體在鍵槽的銜接下形成了一個(gè)聯(lián)動(dòng)體，進(jìn)而導(dǎo)致上舉力均方差降低。上舉力幅值也隨之減小。而在與下泄水流垂直的方向上，鍵槽的存在使上舉力最大值及均方差均出現(xiàn)上下分層現(xiàn)象，這一特殊結(jié)構(gòu)對(duì)弱化垂直下泄水流方向上底板上舉力效果明顯。

本文針對(duì)鍵槽的模型試驗(yàn)研究對(duì)水墊塘底板的穩(wěn)定及設(shè)計(jì)工作具有一定的參考價(jià)值。同時(shí)為了進(jìn)一步研究其作用機(jī)理，在以后的研究中可采用數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的方式來(lái)相互驗(yàn)證，以更好地全面地掌握這一結(jié)構(gòu)的特性。

[1] 彭彬，張建海，蒙承剛.右江百色重力壩消力池結(jié)構(gòu)縫鍵槽布置方案優(yōu)化研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2004(1).

[2] 馬斌，練繼建，劉喜珠.帶鍵槽消力塘底板的安全性分析[J].水利水電技術(shù)，2009,40(1).

StudyofGroovedFloorPhysicalModelTest

XU Xiang

(ShanghaiInvestigation&DesignInstitute,Shanghai200434,China)

In the paper, a practical project is adopted as background. After grooves are set among floor blocks in cushion pool, influence of upward lifting force and respective change condition on blocks in different positions are analyzed and studied, thereby providing reference for applying the structure.

cushion pool; floor; groove; physical model test

TV315

A

1673-8241(2014)08-0043-04