李樹寧，楊 敏，李會(huì)平，董天松

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

1 研究背景

我國(guó)重大水利水電工程具有高水頭、大單寬流量、大泄洪功率的特點(diǎn)，泄洪時(shí)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全提出了巨大挑戰(zhàn)。近些年來有眾多的學(xué)者對(duì)高壩泄洪消能建筑物水墊塘或消力池的防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究開展了大量工作并取得了相當(dāng)豐富的成果[1,2]。而對(duì)溢洪道泄槽底板穩(wěn)定性的研究卻很少，研究?jī)?nèi)容也僅限于溢洪道陡槽的水面線、壓強(qiáng)分布、流速分布及流態(tài)[3,4]等水力特性，以及對(duì)溢洪道的摻氣減蝕研究[5,6]和臺(tái)階溢洪道消能研究[7,8]。而在實(shí)際工程中，國(guó)內(nèi)外溢洪道陡槽底板破壞的實(shí)例很多，甚至比消力池還多[9,10]。國(guó)內(nèi)工程如甘肅劉家峽水電站，湖北官莊水庫(kù)等工程的溢洪道在小泄量時(shí)底板發(fā)生毀壞。國(guó)外工程如孟加拉國(guó)Karnafuli[11]溢洪道工程的泄槽底板也在小流量時(shí)發(fā)生破壞。大量工程失事表明：板塊失事是由作用在底板上的脈動(dòng)上舉力引起的。評(píng)估溢洪道陡槽底板穩(wěn)定性的直接參數(shù)是整體荷載即上舉力，對(duì)于陡槽底板，是上下表面動(dòng)水壓力的合力。規(guī)范中對(duì)陡槽的設(shè)計(jì)要求沒有明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)者無量化的指標(biāo)可資參考。而導(dǎo)致陡槽底板破壞的上舉力與水力條件和表面平整度有關(guān)。迄今為止，還未見有任何相關(guān)的成果?；诖?，本文對(duì)溢洪道陡槽底板的上舉力特性進(jìn)行了專門的模型試驗(yàn)研究，其成果可為設(shè)計(jì)人員提供科學(xué)的理論依據(jù)，可用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 模型簡(jiǎn)介

本項(xiàng)研究是在某水電站溢洪道陡槽底板上進(jìn)行的。溢洪道為開敞式的岸邊溢洪道，由進(jìn)水渠段、控制段(溢流堰段)和陡槽段組成。溢流堰采用曲線形實(shí)用堰，堰高13.5 m，溢流壩共4孔，每孔凈寬15 m，壩頂設(shè)弧形閘門。陡槽段坡度i=1∶4.5，斷面為矩形，長(zhǎng)325.6 m，寬73.5 m。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶50，本項(xiàng)試驗(yàn)在陡槽底板中心線沿程布置了2個(gè)測(cè)力板塊(板塊原型尺寸為17.5 m×14 m×1 m,按模型比尺縮小成35 cm×28 cm×2 cm)。圖1為測(cè)力板塊沿程布置及上舉力測(cè)試系統(tǒng)圖。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同的單寬流量，在閘門全開時(shí)，對(duì)陡槽底板上舉力進(jìn)行了測(cè)量。

圖1 上舉力測(cè)試塊布置及測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Uplift force sensors placement and test system

3 上舉力試驗(yàn)結(jié)果

3.1 上舉力分布

陡槽板塊上舉力為底板上下表面的動(dòng)水壓力的合力。對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的上舉力隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行處理，分別得到單位面積板塊上的上舉力最大值、時(shí)均值和均方差。定義無量綱化的參數(shù)----流能比R來表征陡槽底板的水力條件，表達(dá)式為：

(1)

式中：q為陡槽單寬流量；H為上游水位與陡槽水深之差。

圖2給出了不同水力條件下，陡槽底板上單位面積上舉力的分布。從圖2中可以得出，陡槽底板單位面積最大上舉力、時(shí)均值及均方差分布規(guī)律趨于一致，都是隨著流能比R的增大而增大。其中，陡槽底板上單位面積的上舉力最大值和時(shí)均值增長(zhǎng)較快，而底板上舉力均方差增長(zhǎng)緩慢，增幅不大。分析其原因，隨著流能比的增大，陡槽底板上紊流能量增大，水流紊動(dòng)混摻更加劇烈，底板上受到的脈動(dòng)壓力也增加。而上舉力大小主要是由板塊上表面的脈動(dòng)荷載特性所決定的[12]。因此，陡槽底板上單位面積的上舉力隨著流能比的增大而增大。

圖2 單位面積上舉力分布Fig.2 Uplift force distribution on unit area

3.2 錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)陡槽底板上舉力的影響

在施工控制不佳或存在不均勻沉降的情況下，陡槽底板板塊接縫處容易產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。而溢洪道陡槽底板上的水流流態(tài)為寬淺急流，當(dāng)急流遇到錯(cuò)臺(tái)后會(huì)迅速改變錯(cuò)臺(tái)周圍的水流特性，這樣就會(huì)使得原本平順的水流在錯(cuò)臺(tái)處會(huì)迅速隆起而后迅速跌落，對(duì)錯(cuò)臺(tái)下方的陡槽底板產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊力，大大增加了作用在底板上的水動(dòng)力荷載，因此錯(cuò)臺(tái)成為防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的嚴(yán)重隱患。本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)錯(cuò)臺(tái)高度，分別為2.5 cm錯(cuò)臺(tái)和5 cm錯(cuò)臺(tái)(對(duì)應(yīng)模型尺寸分別為0.5 cm和1 cm)，來研究錯(cuò)臺(tái)高度與陡槽底板上舉力的量化關(guān)系。錯(cuò)臺(tái)高度用Δ表示，陡槽水深用h表示，則相對(duì)錯(cuò)臺(tái)高度δ可表示為：

δ=Δ/h

(2)

圖3給出了錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)上舉力的影響情況?？v坐標(biāo)上舉力比值為有錯(cuò)臺(tái)時(shí)的陡槽底板上舉力與無錯(cuò)臺(tái)時(shí)的陡槽底板上舉力之比。由圖3可知，隨著錯(cuò)臺(tái)高度的增加，陡槽底板塊上舉力最大值有大幅度的增大，增幅高達(dá)1.17～2.26倍， 陡槽底板塊上舉力均方差隨著錯(cuò)臺(tái)高度的增加也有小的增幅，增幅僅為1%～74%；同時(shí)，隨著相對(duì)錯(cuò)臺(tái)高度的增加，陡槽底板塊上舉力標(biāo)準(zhǔn)差和上舉力最大值均相應(yīng)減小。分析其原因是由于陡槽中水流流態(tài)發(fā)生了變化引起的。大慣性的陡槽急流遇到錯(cuò)臺(tái)阻擋后，首先給錯(cuò)臺(tái)一個(gè)沖擊作用，同時(shí)錯(cuò)臺(tái)對(duì)水流施加反作用，促使水流轉(zhuǎn)向，發(fā)生動(dòng)量變化，造成水面局部迅速雍高，然后迅速跌落，如此對(duì)錯(cuò)臺(tái)下方陡槽板塊產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊壓力，從而導(dǎo)致上舉力增大，而且錯(cuò)臺(tái)越高，跌落時(shí)對(duì)底板的沖擊壓力越大，從而使上舉力迅速增大。同時(shí)，隨著流能比的增大，陡槽底板上的水墊深度增大，跌落到底板上的沖擊力就相對(duì)減小，這就解釋了實(shí)際工程在小流量的情況下陡槽底板屢屢發(fā)生破壞的原因?？梢?，錯(cuò)臺(tái)對(duì)陡槽底板上舉力的影響不容小覷，必須采取有效的措施確保板塊的平整度以保證工程的安全。

圖3 錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)上舉力的影響Fig.3 The influence of the irregularity height on uplift force

3.3 上舉力概率密度

概率密度分布函數(shù)的正態(tài)性是脈動(dòng)壓力幅值研究中的一個(gè)重要問題。上舉力是作用在底板上下表面動(dòng)水壓力之差，有研究表明，上下表面動(dòng)水壓力基本符合正態(tài)分布，因此上舉力也應(yīng)該具有正態(tài)分布的特征，模型實(shí)測(cè)結(jié)果證明了這一點(diǎn)。圖4為不同錯(cuò)臺(tái)高度情況下上舉力的概率密度圖，從圖4中可以看出， 脈動(dòng)上舉力基本符合正態(tài)分布；同時(shí)，錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)脈動(dòng)上舉力幅值的概率密度影響不大。

圖4 上舉力概率密度圖Fig.4 The probability density of uplift force

3.4 板塊尺寸對(duì)底板塊上舉力的影響

順?biāo)鞣较蚋淖兌覆鄣装灏鍓K尺寸，文中對(duì)4種不同尺寸的陡槽底板進(jìn)行了上舉力試驗(yàn)，分別為8.75 m×14 m×1 m, 17.5 m×14 m×1 m, 26.25 m×14 m×1 m以及35 m×14 m×1 m。圖5和圖6分別給出了順?biāo)鞣较蚨覆郯鍓K尺寸對(duì)陡槽底板上舉力的影響情況。從圖中可以得出，陡槽底板板塊的上舉力最大值與上舉力均方差隨著順?biāo)鞣较虬鍓K面積的增加，單位面積上舉力最大值和均方差均相應(yīng)減小。

圖5 板塊尺寸對(duì)上舉力最大值影響Fig.5 The influence of the plate size on maximum uplift force

圖6 板塊尺寸對(duì)上舉力均方差影響Fig.6 The influence of the plate size on mean square error of uplift force

圖7為板塊1上下表面的脈動(dòng)壓力瞬時(shí)相關(guān)系數(shù)。從圖7中可以得出，板塊上下表面點(diǎn)脈動(dòng)壓力相關(guān)系數(shù)隨著板塊面積的增大而增大。分析其原因，板塊下表面脈動(dòng)壓力來源于上表面的脈動(dòng)壓力，上下表面脈動(dòng)壓力的瞬時(shí)互相關(guān)系數(shù)的大小體現(xiàn)了上下表面脈動(dòng)壓力的同步性好壞。陡槽底板上下表面脈動(dòng)壓力的同步性越好，則作用在底板上的合力就小，從而上舉力就越小。

圖7 板塊上下表面點(diǎn)脈動(dòng)壓力相關(guān)系數(shù)Fig.7 Fluctuating pressure correlation coefficient

3.5 錯(cuò)臺(tái)對(duì)上舉力頻譜特性影響

脈動(dòng)壓力的頻率特性通常用自功率譜密度函數(shù)來表達(dá)，它反映了各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)能量按頻率的分布特性。圖8給出了實(shí)測(cè)的不同相對(duì)錯(cuò)臺(tái)高度情況下歸一化的上舉力功率譜圖，其中橫坐標(biāo)為陡槽底板板塊的脈動(dòng)頻率。從圖8中可以得出，脈動(dòng)能量主要集中在低頻，具有明顯的優(yōu)勢(shì)頻率。脈動(dòng)上舉力的優(yōu)勢(shì)頻率在0.01～0.2 Hz，明顯小于板塊的自振頻率，由此可得出底板塊不會(huì)發(fā)生共振破壞。同時(shí)陡槽底板板塊脈動(dòng)上舉力的能量相對(duì)集中的頻率范圍均在0.2 Hz以下，表明各脈動(dòng)上舉力是由低頻脈動(dòng)壓強(qiáng)產(chǎn)生的。此外，錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)上舉力頻譜特性影響不顯著。

圖8 上舉力功率譜圖Fig.8 The power spectrum of uplift force

4 結(jié) 語

通過模型試驗(yàn)結(jié)合理論分析，得到以下結(jié)論。

(1)陡槽底板上舉力隨著流能比的增大而增大；上舉力最大值增長(zhǎng)較快，均方差則增長(zhǎng)較為緩慢。

(2)錯(cuò)臺(tái)對(duì)底板上舉力影響顯著，底板上舉力標(biāo)準(zhǔn)差和上舉力最大值隨著錯(cuò)臺(tái)高度的增大而增大；底板塊上舉力標(biāo)準(zhǔn)差和上舉力最大值隨著相對(duì)錯(cuò)臺(tái)高度的增大呈減小趨勢(shì)。因此必須采取有效的措施確保板塊的平整度以保證工程的安全。

(3)陡槽底板脈動(dòng)上舉力基本符合正態(tài)分布，脈動(dòng)上舉力是由低頻脈動(dòng)壓強(qiáng)產(chǎn)生的，底板塊不會(huì)發(fā)生共振破壞。

(4)陡槽板塊面積越大，上舉力越小。

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