徐建榮，彭 育，辜晉德，王 宇，章道生

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州311122; 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006)

1 研究背景

目前高水頭、大流量的水利工程建設(shè)方興未艾，泄洪消能仍然是高壩工程中的一個(gè)重要問題[1-2]。高水頭大壩噴射出的高速射流在沖擊下游巖質(zhì)河床時(shí)產(chǎn)生沖刷和侵蝕，從而有可能影響大壩本身的穩(wěn)定性[3]。水墊塘設(shè)置在大壩下游，可緩沖下泄水流的射流沖擊作用并消散入水能量，特別適用于大流量、大功率泄洪工況[4]；射流產(chǎn)生的沖擊壓強(qiáng)作用于水墊塘底部，并通過巖石裂隙內(nèi)部傳遞到巖體節(jié)理處，易造成水墊塘底部的巖石塊體隆升和失穩(wěn)[5]。因此，水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅是水利工程安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，也是水電工程建設(shè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

考慮基巖和局部地質(zhì)特征，優(yōu)化水墊塘幾何形狀，提高其抗失穩(wěn)能力迫在眉睫[6]。當(dāng)前，水墊塘的底板幾何型式主要有平底底板、反拱底板、透水底板和帶鍵槽底板等型式，其中平底型和反拱型底板因具有超載能力大、穩(wěn)定性好、開挖量小等優(yōu)點(diǎn)被業(yè)界認(rèn)可[7]。傳統(tǒng)的平底型水墊塘在國(guó)內(nèi)外各大水電工程中得到了廣泛應(yīng)用，而格魯吉亞Inguri、西班牙Susqueda、中國(guó)拉西瓦等水電站工程中采用反拱型水墊塘，也凸顯了其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)[8]。

平底型水墊塘底板是平底塊狀結(jié)構(gòu)，多為矩形或梯形，板塊間為垂直或平行的縫隙，并加設(shè)止水設(shè)施；而反拱水墊塘可依據(jù)山坡走勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，由于反拱型結(jié)構(gòu)可將荷載傳遞至拱端，因此從防護(hù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度看，反拱型底板具有諸多優(yōu)點(diǎn)[9]。目前，對(duì)于平底型水墊塘的研究主要針對(duì)于水流流態(tài)、底板穩(wěn)定性等方面，而脈動(dòng)壓強(qiáng)引起上舉力變化或許是板塊失穩(wěn)破壞的重要原因[10-11]。對(duì)于反拱型底板，除常規(guī)水力和結(jié)構(gòu)特性外，業(yè)界主要關(guān)注其特有的拱端力和反拱失穩(wěn)破壞機(jī)制等[12-13]。

從國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展來看，當(dāng)前主要采用有限元等數(shù)值分析的方法研究不同反拱控制參數(shù)對(duì)反拱型底板穩(wěn)定性的影響[14-17]，對(duì)于平底型和反拱型底板的對(duì)比研究則重點(diǎn)關(guān)注水流流態(tài)[18]和底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[19]等方面；事實(shí)上，水墊塘動(dòng)水荷載作為影響底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，也是影響壩身泄水建筑物設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[20-21]。目前，有關(guān)不同型式水墊塘動(dòng)水荷載比較的文獻(xiàn)尚不多見，在時(shí)均和脈動(dòng)壓強(qiáng)方面做進(jìn)一步對(duì)比是必要的。

本文采用白鶴灘水利樞紐1∶50大尺度整體物理模型試驗(yàn)，基于模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比了平底型和反拱型水墊塘在不同來流工況下時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)的異同，分析了兩種型式水墊塘動(dòng)水荷載作用機(jī)制的差異，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

白鶴灘水利樞紐工程攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0 m，最大壩高289.0 m。泄洪消能設(shè)施由壩身6個(gè)表孔(14.0 m×15.0 m)、7個(gè)深孔(5.5 m×8.0 m)及壩體下游長(zhǎng)約400 m的水墊塘、二道壩組成。水墊塘二道壩設(shè)為重力壩型式，上游坡面坡度為1∶0.6，下游坡面坡度為1∶0.8，二道壩壩頂高程602.0 m，壩頂寬度8.0 m，壩高42.0 m。

由于壩下游河谷為不對(duì)稱V型(左緩右陡)，為了使樞紐拱壩線布置適應(yīng)于壩址區(qū)下游河道地形的特點(diǎn)，水墊塘底板中心線與壩身孔口溢流中心線平行并右移11.4 m，水墊塘橫斷面亦根據(jù)地質(zhì)條件為不對(duì)稱布置。

白鶴灘水利樞紐工程平底型和反拱型兩種方案水墊塘橫剖面圖如圖1所示。平底型水墊塘斷面型式為復(fù)式梯形，底板頂面高程為560.0 m，底板厚4.0 m，底板水平寬84.8 m，兩邊分別以圓弧與邊墻相銜接，左側(cè)圓弧半徑為35.0 m，右側(cè)圓弧半徑為25.0 m。左岸邊墻坡度為1∶1.0，右岸582.0 m高程以下坡度為1∶0.6，582.0 m高程以上坡度為1∶0.4；左、右岸各在582.0、604.0 m高程處設(shè)一條5.0 m寬的馬道，582.0 m高程以下邊墻厚度為4.0 m，582.0 m高程以上為3.0 m。水墊塘頂高程為635.0 m，水墊塘頂寬210.0 m。

圖1 白鶴灘水利樞紐工程平底型和反拱型兩種方案水墊塘橫剖面圖(單位：m)

平底型與反拱型水墊塘布置的主要差別在于582.0 m高程以下部分，而582.0 m高程以上部分不變。反拱底板最低點(diǎn)頂面高程為560.0 m，底板厚4.0 m，反拱中心角為74.8°，反拱底板中心線偏離溢流中心線7.0 m，反拱半徑為107.02 m，兩邊分別以圓弧在582.0 m高程與邊墻相銜接。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

建立白鶴灘水利樞紐1∶50大尺度整體物理模型，模型布置見圖2。以反拱底板中心線與底板的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，順?biāo)鞣较驗(yàn)閤軸，垂直水流指向右岸方向?yàn)閥軸。在測(cè)點(diǎn)布置方面，平底型水墊塘?xí)r均壓力測(cè)點(diǎn)x向間距為5.0 m，y向間距為6.0 m(均為原型尺寸，下同)，并且在水舌沖擊區(qū)進(jìn)行了局部加密，即x向間距為2.5 m，y向間距為3.0 m；在水流流動(dòng)范圍內(nèi)，反拱型水墊塘以7°圓心角為間距布置了19排測(cè)點(diǎn)。

圖2 白鶴灘水利樞紐工程試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/p>

試驗(yàn)觀測(cè)了校核工況(上游水位832.34 m，下游水位627.41 m)、設(shè)計(jì)工況(上游水位827.83 m，下游水位623.45 m)和消能設(shè)計(jì)工況(上游水位825.00 m，下游水位619.82 m)下兩種型式的水墊塘?xí)r均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)。時(shí)均壓強(qiáng)采用測(cè)壓管量測(cè)，脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采用脈動(dòng)壓強(qiáng)傳感器(寶雞華強(qiáng)傳感測(cè)控有限公司生產(chǎn))采集，傳感器量程為0～3 m，電源24 Vdc，輸出電壓為0～5 V，精度0.05 m。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 兩種型式水墊塘?xí)r均壓強(qiáng)對(duì)比

試驗(yàn)量測(cè)了水墊塘底板各測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，校核工況下兩種型式底板時(shí)均壓強(qiáng)峰值均出現(xiàn)在y=0部位；設(shè)計(jì)工況下兩種型式底板時(shí)均壓強(qiáng)峰值均出現(xiàn)在y=15 m部位。為方便表示，圖3繪制了校核工況(y=0)和設(shè)計(jì)工況(y=15 m)兩種型式水墊塘底板的時(shí)均壓強(qiáng)沿水流方向(x方向)分布；圖4給出了校核工況和設(shè)計(jì)工況下兩種底板型式時(shí)均壓強(qiáng)橫向(y方向)分布。

圖3 不同工況下兩種型式水墊塘底板的時(shí)均壓強(qiáng)沿水流方向分布 圖4 不同工況下兩種型式水墊塘底板的時(shí)均壓強(qiáng)橫向分布

由圖3可以看出：(1)校核和設(shè)計(jì)工況均在x=200 m底板處出現(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)峰值，隨后在x=230～240 m范圍內(nèi)出現(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)低谷值，由于水墊塘后二道壩的存在，時(shí)均壓強(qiáng)在低谷值后穩(wěn)步增加并趨于平穩(wěn)。(2)兩種底板型式下時(shí)均壓強(qiáng)峰值點(diǎn)位置無顯著差異，但反拱底板時(shí)均壓強(qiáng)峰值相對(duì)較小。(3)兩種底板型式下時(shí)均壓強(qiáng)峰值后的低谷點(diǎn)略有不同，校核工況下，平底板低谷值平均壓強(qiáng)約為60×9.8 kPa，而反拱底板低谷值平均壓強(qiáng)約在56×9.8 kPa左右，兩者相差約4×9.8 kPa；設(shè)計(jì)工況下，兩種底板低谷差值略小，約在1×9.8 kPa左右。

由圖4可以看出：(1)在校核工況下，兩種型式水墊塘的底板沖擊壓力峰值位置比較接近，平底板水墊塘的峰值略高。(2)平底板壓強(qiáng)峰值的左、右側(cè)各有1個(gè)較明顯的低谷值；而反拱底板壓強(qiáng)峰值的左側(cè)壓強(qiáng)基本穩(wěn)定，沒有明顯差異，說明反拱底板橫向壓強(qiáng)分布較為均勻(壓強(qiáng)梯度較小)。(3)在水墊塘壓強(qiáng)峰值兩側(cè)，反拱底板的壓強(qiáng)值大于平底板，校核工況尤為明顯，這是由于反拱底板兩側(cè)高程漸增使局部水墊厚度減小所致。

綜合以上結(jié)果，反拱底板比平底板水墊塘兩側(cè)消能空間略小，導(dǎo)致在相同泄流條件下反拱底板兩側(cè)受力略大，同時(shí)產(chǎn)生壓強(qiáng)低谷值的差異。從校核和設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值來看，反拱型底板所受壓強(qiáng)普遍較大，但反拱底板與平底板所受沖擊壓強(qiáng)的最大峰值相當(dāng)。

4.2 兩種型式水墊塘脈動(dòng)壓強(qiáng)對(duì)比

圖5、6分別為設(shè)計(jì)工況和消能設(shè)計(jì)工況下平底板及反拱底板脈動(dòng)壓強(qiáng)等值線圖。由圖5可以看出，兩種底板型式最大脈動(dòng)壓強(qiáng)值接近，均為9.0×9.81 kPa左右；從等值線的分布看，反拱底板脈動(dòng)壓強(qiáng)梯度比平底板略小，反拱底板脈動(dòng)壓強(qiáng)大于5.0×9.81 kPa的區(qū)域范圍大于平底板，這或許歸因于反拱底板有效水墊深度較小，使水舌沖擊區(qū)附近整體脈動(dòng)較大。由圖6可以看出，兩種型式底板消能設(shè)計(jì)工況與設(shè)計(jì)工況的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律類似，水舌沖擊區(qū)域平底板脈動(dòng)壓強(qiáng)梯度更大；反拱底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值略小于平底板，但從整體分布上看，反拱底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)更大。

圖5 設(shè)計(jì)工況下兩種型式水墊塘底板脈動(dòng)壓強(qiáng)等值線圖(單位：9.81 kPa)

圖6 消能設(shè)計(jì)工況下兩種型式水墊塘底板脈動(dòng)壓強(qiáng)等值線圖(單位：9.81 kPa)

反拱型式與平底型式水墊塘底板壓強(qiáng)分布的差別主要與沖擊區(qū)距底板中心線的位置有關(guān)，而在同一沖擊位置所造成的底板壓強(qiáng)分布差異的原因主要有兩點(diǎn)：(1)有效水墊厚度不同，水墊厚度小則沖擊壓強(qiáng)大；(2)沖擊壓對(duì)底板的作用方向也有差異，作用角度(壓強(qiáng)作用方向與底板切向夾角)小則沖擊壓力小。

由此導(dǎo)致壓強(qiáng)分布主要分為幾個(gè)典型區(qū)域：(1)在底板中心線附近，有效水墊深度無明顯變化，沖擊壓強(qiáng)作用角度略有不同，兩種型式底板壓強(qiáng)峰值基本相當(dāng)且反拱型式底板相對(duì)略??；(2)在底板中心線兩側(cè)，反拱型式的有效水墊深度減小，而且沖擊壓強(qiáng)作用角度亦變小，兩者作用相互抵消，壓強(qiáng)峰值基本相當(dāng)；(3)在水墊塘兩側(cè)的邊壁區(qū)，反拱型式水墊塘的有效水墊深度減小，而沖擊壓強(qiáng)作用角度變大，導(dǎo)致反拱型式該部位的底板壓強(qiáng)明顯高于平底板型式。

5 結(jié) 論

本文以白鶴灘水電站典型泄洪工況為例，采用物理模型試驗(yàn)對(duì)比了平底型和反拱型水墊塘動(dòng)水荷載變化規(guī)律，分析了時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)分布特性。結(jié)果表明：

(1)反拱型底板的時(shí)均壓強(qiáng)峰值小于平底型，來流方向上反拱型底板的時(shí)均壓強(qiáng)低谷值小于平底型，橫向上反拱型底板的時(shí)均壓強(qiáng)梯度更小。

(2)兩種型式水墊塘脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值差異較小，反拱型底板整體脈動(dòng)壓強(qiáng)大于平底型，但反拱型脈動(dòng)壓強(qiáng)梯度小于平底型。