（水利水电工程专业论文）消力塘透水底板减压降载机理研究.pdf

摘要 高坝消力塘作为防护下游河床的结构，其自身在高速水流冲击下的安全性是 实现消能和防冲目的的关键所在。近年来，我国拟建和在建的一批具有世界级水 平的3 0 0 m 量级高坝，消能问题十分突出。消力塘防护结构的稳定性是当前水工 水力学学科的前沿课题之一，也是实际工程所面临的亟待解决的课题。消力塘的 防护结构形式主要有两种：梯形复式断面和反拱形。前人研究表明：反拱形水垫 塘是高坝泄洪消能工的合理选择。底板开孔对射流冲击区板块上举力减小作用明 显。透水底板作为新型消能防冲防护结构，从“主动防护”的观念出发，即通过 改变防护衬砌的结构形式，主动降低作用在防护结构上的荷载，达到了提高结构 安全稳定性的目的。因此，如何解读透水底板减压降载机理，增加人们对这一问 题的理解，也是摆在我们面前需要解决的重要课题。本文以某拱坝消力塘水工模 型试验为背景，通过同步测量各种水力参数以及理论分析，对比分析了透水防护 结构与不透水防护结构缝隙脉动压力的传播机理以及水动力特性。在此基础上， 对透水防护结构减压降载机理进行了研究。主要成果包括： ( 1 ) 按照脉动压力沿缝隙传播的变化情况将水垫塘透水底板破坏过程分为 两个阶段，即瞬变流阶段和板块一水体振荡阶段，分析了两个阶段之间的联系与 区别。 ( 2 ) 以透水前后板块下表面缝隙层中的脉动压力为研究对象，对脉动压力传 播过程的幅值特性、频域特性和相关特征及脉动尺度进行了分析。 ( 3 ) 透水底板与不透水底板相比，透水底板下表面相应测点脉动压强较不透 水底板减小。并且不透水板块下表面脉动压力功率谱密度所代表的能量强度明显 高于透水板块。表明当板块下表面脉动压力沿着缝隙向前传递时，遇到透水孔后 脉动压力会沿着透水孔传递，使脉动压力得到释放。同时研究表明透水底板上下 表面的脉动压力相位差较不透水底板有所减小。而底板上下表面的相位差减小 后，上、下表面的动水压差就有可能减小，导致底板整体荷载的较小。 ( 4 ) 不论透水底板与不透水底板，相同的泄流水力条件下，脉动压强系数 首先随r x z , ( 脉动压力空间积分尺度与板块尺寸之比) 的增大而增大，在 三，z , = 0 7 3 时达到最大值，之后又随着三，上的增大而减小。本文通过试验测试 不同板块尺寸下脉动压强系数和脉动压力空间积分尺度与板块尺寸的关系，从脉 动压强的角度验证了板块开孔后相当于缩小了板块有效尺度。 关键词：水垫塘透水底板 模型试验脉动压力上举力 a b s t r a c t t h es a f e t yo fp r o t e c t i n gs t r u c t u r ei np l u n g ep o o li st h ek e yt os u c c e s so rf a i l u r e o fe n e r g yd i s s i p a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，ab a t c ho fh i g hd a m si su n d e rc o n s t r u c t i o ni n c h i n a s ot h es t a b i l i t yo fl i n i n gs t r u c t u r ei nt h ep l u n g ep o o li so n ep r o b l e mt h a tn e e d s t ob es o l v e di np r a c t i c ea n da l s oo n eo ft h es u b j e c t st h a tm a n yr e s e a r c h e r sh a v e s t u d i e df o ry e a r s p r o t e c t i n gs t r u c t u r ei np l u n g ep o o li n c l u d e st w ot y p e s ，w h i c ha r e t r a p e z o i ds e c t i o na n dc o u n t e r - a r c h c o m p a r e dt ot r a p e z o i ds e c t i o n ，c o u n t e r - a r c hs l a b i sm o r es a f e t y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o a dr e d u c e so b v i o u s l ya c t i n go nt h e p e r v i o u ss l a b f r o mt h ec o n c e p to fi n i t i a t i v ep r o t e c t i o n ，p e r v i o u ss l a bc a ni n i t i a t i v e l y d e c r e a s et h el o a da c t i n go nt h ep e r v i o u ss l a bi np l u n g ep o o la n di m p r o v et h es t a b i l i t y o fp r o t e c t i o ns t r u c t u r e s ot h ed e c o m p r e s s i o nm e c h a n i s mo fp e r v i o u sp r o t e c t i n g s t r u c t u r ei so n e p r o b l e mt h a tn e e d s t ob es o l v e di np r a c t i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e d o nl a r g e - s c a l em o d e lt e s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n sp r o p a g a t i o ni n j o i n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a da c t i n go nb o t ht h ep e r v i o u s s l a ba n d i m p e r v i o u si np l u n g ep o o la r ep r o p o s e db yt h es y n c h r o n o u sm e a s u r eo fh y d r a u l i c p a r a m e t e r s f o r em o r et h ed e c o m p r e s s i o nm e c h a n i s mo fp e r v i o u sp r o t e c t i n gs t r u c t u r e i ss t u d i e d t h em a i nh a r v e s t so f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d ea sf o l i o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h a tt h ec h a n g ec o n d i t i o nf o rp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s i nj o i n t s ， d e s t r o yp r o c e s sf o rp l u n g ep o o ls l a b si sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ，t h a ti st r a n s i e n tf l o w s t a g ea n ds l a b s - w a t e rv i b r a t i n gs t a g e ，i n h e r e n tr e l a t i o n s h i pa m o n gt h e mi sa n a l y z e d ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa m p l i t u d e ，f r e q u e n c y ，r e l a t i o na n ds c a l ef o rp r e s s u r e f l u c t u a t i o n si nj o i n t so nb o t ht h ep e r v i o u ss l a ba n di m p e r v i o u sa r ea n a l y z e d ( 3 ) c o m p a r e dt oi m p e r v i o u ss l a b ，c o r r e s p o n d i n gp r e s s u r ef l u c t u a t i o n ss p e c t r a l d e n s i t yo fp e r v i o u ss l a bi sr e d u c t i v e 。a n ds p e c t r a ld e n s i t yo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s i n d i c a t e de n e r g yi n t e n s i t yi so b v i o u sr e d u c e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t os o m ee x t e n t ， p r e s s u r ef l u c t u a t i o n sa r er e l e a s e dw h e np r e s s u r ef l u c t u a t i o n ss p r e a da l o n gj o i n t sa n d e n c o u n t e rp e r v i o u sh o l e s s i m u l t a n e o u s l y ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s i cr e l a t i o no f p e r v i o u ss l a bi sl o w e rt h a ni m p e r v i o u s w h e nt h ep h a s i cr e l a t i o ni sw e a k e n ，i t i s p o s s i b l ef o ru p l i f t i n gf o r c et od e c r e a s e ( 4 ) i n s a m e d i s c h a r g eh y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，a t f i r s t p r e s s u r e f l u c t u a t i o n s c o e f f i c i e n to fb o t hp e r v i o u sa n di m p e r v i o u ss l a bi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go f t z ； m a x i m u mw h e nt l e q u a lt oo 7 3 ；o nt h ec o n t r a r y , d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n g o f t z b a s e do nt e s t i n gt h er e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r e f l u c t u a t i o n sc o e f f i c i e n t a n dl x l ，v a l i d a t e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef u n c t i o no fp e r v i o u sh o l e sa r ee q u i v a l e n t t or e d u c i n gt h ee f f e c t i v e l ys c a l eo fs l a b k e yw o r d s ：p l u n g ep o o l ，p e r v i o u ss l a b ，m o d e lt e s t ，p r e s s u r ef l u c t u a t i o n s ，u p l i f t i n g f o r c e ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任匀贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 口孑年石月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权本盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字e ：i 期：淅p 年 导师签名： 戈乞臼 签字f t 期：) ，印孑年彭月年f i寸 一 同 夕午 镪 月 广6 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 在高坝特别是高拱坝枢纽布置中，泄洪建筑物的布置尤为重要。由于坝体高 度已经达到或超过3 0 0 m 量级，因而由水头高和泄洪功率大产生的泄洪消能问题 十分突出。水垫塘底板作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的安 全性关系到能否有效保护河床，因此，水垫塘底板的稳定问题是实现消能和防冲 目的的关键所在。 消力塘的防护结构形式主要有两种：梯形复式断面和反拱形。前者也称为平 底消力塘，平底板依靠底板自重和锚固钢筋来保持底板的稳定，遵循重力式板块 稳定设计准则，以底板浮升稳定为控制条件；后者称为反拱形消力塘。反拱形消 力塘是利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形，与平底消力塘克服巨大水动力 荷载不同的是，底板利用拱形结构的力学特性，将射流冲击荷载传递到两岸山体 或拱座，充分发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力，提高了底板的整体和 局部稳定性。根据已有研究成果，反拱形底板的稳定性大大优于平底板，在相同 运行工况下，反拱形底板安全系数可达平底板2 3 倍1 1j 。此外，拱形水垫塘中 间低，两岸高适应拱坝泄洪时水流向心集中的特点，因而比较好地适应泄洪消能 地要求。因此，反拱形水垫塘是高坝泄洪消能工的合理选择。 近些年以来，随着我国高坝建设的迅猛发展，消力塘防护结构的研究也取得 了很多成果。这些研究成果可归结为两大方面：一是作用在防护结构上的荷载； 二是在荷载作用下防护结构的稳定性。众所周知，在下泄水流冲击荷载的作用下， 消力塘底板上表面会产生强大的动水压强，包括时均冲击压强和脉动压强。同时， 动水压强沿缝隙传至底板的下部，从而在底板上下表面形成动水压差即水动力荷 载。底板上下表面动水荷载的合力称为上举力。前人通过试验和理论研究认为， 导致水垫塘底板破坏的直接原因就是底板上下表面存在动水压差，此荷载大于抗 力就会产生失稳破坏。因此，作用在水垫塘底板上的整体荷载一一上举力是水垫 塘底板稳定性的重要控制指标。为增强水垫塘底板稳定性，降低底板上下表面动 水压差，人们开始考虑更有效的抵抗荷载的方法。 二十世纪6 0 年代，北京水利水电科学研究院的哈焕文曾研究过消力池透水 底板的水力特性【2 。研究表明：在护坦范围内设置排水孔( 排水孔面积与护坦板面 积之比为5 8 时) ，可以消除作为计算护坦板厚度时主要荷载的压力差，而且可 以使作用在护坦板表面及底面的脉动荷载发生平均，从而减小底板上下表面的压 力差。 第一章绪论 天津大学杨敏与孙勉结合拉西瓦拱坝消力塘，研究了反拱形透水底板水动力 特性。研究人员通过改变透水底板开孔率( 指孔洞的面积和板块上表面积之比) ， 分别测得不同上下游水位差、不同泄洪方式下射流各区域板块上举力。统计结果 表明：底板开孔对射流冲击区板块上举力减小作用明显。 另外，乌江索风营水电站消力塘的透水底板目前已经施工。 透水底板作为新型消能防冲防护结构，从“主动防护”的观念出发，即通过 改变防护衬砌的结构形式，主动降低作用在防护结构上的荷载，达到了提高结构 安全稳定性的目的。从根本上改变了以往消力塘防护结构稳定性“被动防护”的 研究理念，即在特定荷载作用下，研究如何使结构具有抵抗这一荷载的能力，或 设抽排，或加锚固，亦或加大结构尺寸。 但是，由于水动力荷载与流量、水头、水垫深度、入水条件( 包括入射角度、 掺气程度、水舌集中度等) 、板块的尺度等诸多因素有关，前人还没有对底板开 孔后减压降载的机理给出科学详细的解释。因此，如何解读透水底板减压降载机 理，增加人们对这一问题的理解，也是摆在我们面前需要解决的重要课题。 1 2 前人研究成果 水垫塘底板稳定问题影响因素众多，物理过程复杂。涉及流体力学、固体力 学、随机振动等多种学科，使得此课题的研究非常困难。从目前的研究现状看， 前人对平底板的研究工作做的较多，也有一些涉及反拱形底板，而透水底板研究 甚少。 在冲击射流作用下水垫塘底板的稳定取决于两个因素：其一是荷载，取决于 射流作用下水垫塘内的水流特征；其二是水垫塘的自身的特性，主要取决于其构 造。前人通过理论分析、模型试验和原型观测等对水垫塘底板进行研究，计算理 论相对成熟，得到了很多成果。现将前人对水垫塘的消能机理、失稳机理以及水 垫塘底板稳定性研究现状等问题的研究成果归纳如下： 1 2 1 水垫塘消能机理 挑跌水流落入下游水垫塘后，具有相当大的动能和对河床底部的冲击力。为 了避免下泄的高速射流对河底的冲刷破坏，要求大坝下游水垫具有足够的深度和 体积，以消刹下泄集中射流的能量，并通过射流在水垫塘内的充分扩散，减轻对 河床底部的冲击力。因此水垫塘为下泄水流提供了一个消能的场所。 水垫塘消能机理与塘内的流动结构密切相关，由前人的显示实验结果1 3 】和现 代紊流理论1 4 儿5 1 可知，从宏观的大尺度结构来看，水垫塘的基本流动结构为主流 第一章绪论 加漩涡区的混合结构。其中，在主流与漩涡区之间的交界区域是一层强紊动剪切 层区，在该区内主流通过强紊动剪切和扩散作用使其有效动能不断地被消刹。因 此该区域是射流有效机械能消刹的主区域。由交界面区域所消刹的主流动能，一 部分传递给紊流区，用于生成紊动涡体，维持紊流脉动，同时因主流区速度分布 的不均匀性和流线的弯曲、变形过程，这些紊动涡体不断地被拉伸，压缩、扭曲、 分裂与破碎，大尺度涡体不断地分裂成小尺度的涡体，能量逐渐地由大尺度涡传 给小尺度涡，直到某一级小尺度涡把传来的能量通过粘性而耗散；一部分传递给 宏观漩涡区，以维持大尺度漩涡的转动；还有一部分是在能量的传递过程中因时 均速度梯度而引起的粘性耗散。一般而言，在上述主流机械能的传递、再分配和 消能过程中，由紊流脉动所提取的能量( 一部分维持紊流运动，一部分被紊流耗 散) 最多，其次是射流两侧的主漩涡区所吸收的能量，而由时均剪切作用所消散 的能量最d d 6 1 。 射流在水垫塘内的流动结构和特征虽然较为复杂，但宏观上可看作为淹没冲 击射流、淹没水跃和混合流态。水垫塘的消能机理实质上类似于淹没射流和水跃 的消能机理。高速射流进入水垫塘后，由于卷吸作用，使两侧部分水体也加入主 流，并在两侧形成旋滚区，主流流量沿程增加：又由于下面水体的顶托作用，使 主流流速沿程衰减。这样主流在沿程变化的过程中不断发生能量传递、再分配和 耗散。主流的时均动能通过强紊动剪切和扩散作用不断地传递给紊流脉动和塘内 大尺度涡旋区，同时在这种能量的传递、再分配过程中伴随因时均剪切作用引起 的粘性耗散，达到射流消能效果，减轻对河床底部的冲刷。如：我国二滩等工程 坝下水垫塘最大单位体积消能率q = l o 15k w m 3 【7 1 。 1 2 2 反拱水垫塘底板的失稳机理 在射流冲击荷载的作用下，底板上表面产生强大的动水压强，包括时均冲击 压强和脉动压强。同时，动水压强沿缝隙传至底板的下部，底板上下表面动水荷 载的合力称为上举力。由于底板上下表面动水荷载的随机性，在某一时刻，向上 的上举力大于底板本身的抗力( 包括自重、钢筋锚固力，以及相邻板块对其的约 束力) 时，板块就会浮升失稳。对于板块易失稳位置的研究，众多的学者博 1 都 得到了一致的结论，即在水舌跌落区向下游一点。现将目前反拱形水垫塘底板块 的失稳机理的一些研究成果介绍如下： 反拱形水垫塘是利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形，典型的反拱水垫 塘横剖面如图1 1 所示。它利用拱形结构的力学特性，将射流冲击荷载传递到两 岸山体或拱座，充分发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力。反拱形底板失 稳包括两个方面：整体失稳和局部失稳。 第一章绪论 整体失稳是反拱形底板在水动力荷载作用下形成拱圈整体上抬时，形成“整 体拱”，这就增强了反拱形底板的整体稳定性，整体上举力产生的拱端推力超过 “拱座”的抗力时产生的失稳，称为整体失稳，拱圈受力如图1 2 所示。应该指出， 反拱底板在水动力荷载作用下形成整体上抬时，并不一定是每个块体都承受向上 的上举力。也可能是拱圈上某些块体受到的水动力荷载是向下的，但是单块板块 没有失稳，且拱端产生的推力足以导致拱座的破坏，也称为整体失稳。 u ， 1 善塑邋 獬g 1 础 、渺7 黜一雠# 【h 、利i 一脚 年，絮 韭 ，盔。蔷： ，7 捌尊么三。耻 一l 、皿酉r i 嚣1 咧j 一 、五：= 毒毫竺二二菇 也 图i i 反拱水垫塘横剖面 局部失稳当反拱形底板在随机水动力荷载作用下，部分块体“上抬”、部 分块体“下压”，“下压”的块体成为“上抬”的“拱座”，即块与块之间形成“随机拱”， 拱圈受力如图1 3 所示。当板块a 承受的上举力超过其自身抗力一定值时，相邻 板块沿建基面向两侧滑移，板块a 出穴破坏，形成局部失稳。在随机荷载作用 r 图1 2 整体失稳模式 f i i n i 图1 3 局部失稳模式图1 4 任意板块受力分析 r 下，反拱形底板块体间可能在不同时刻互为“拱座”，块体的稳定性主要依靠块体 的浮重、锚固力以及与相邻板块产生的附加摩擦力来决定，单个板块失稳前受力 如图1 4 所示。对于平底板，锚固力只能为自身提供抵抗“上抬”的作用；而对于 反拱形底板，锚固力不但能为自身块体提供抵抗“上抬”的作用，还能通过“抗剪” 4 旺!j v ，=， b 0，“，j l ， 一 j r 第一章绪论 作用为相邻块体提供“拱座”抗力。 葛孝椿1 1 2 1 通过力的平衡和墩与拱、墩拱与地基变形协调，求解反拱内力及墩 与拱的有关变位。张春财、孙建【l3 】对反拱水垫塘的单底板块振动进行了理论分析， 提出了单底板块自由振动的最大位移公式，提出单板块振动沿程分为强振区和弱 振区。练继建等【1 4 j 针对反拱底板的结构受力特点，提出了“随机拱”分析模型，对 反拱形水垫塘底板结构局部和整体的稳定性进行了定量分析。 另外，崔广涛等i l5 】通过试验得出平底板块体表、底面脉动压力的相位不一致， 脉动强度相差不大以及振幅分布基本符合正态分布特性，认为块体表面的脉动压 力最大振幅可以表征块体表、底面的瞬时上举力，同时给出了稳定条件式。林继 镛和彭新副1 6 j 由试验得出水舌跌落区上下表面压力大致相等，脉动压力具有正态 分布特性，并引入了静力稳定模型，分析了平底板稳定问题。 刘沛清、侯建国1 1 7 j 利用随机振动理论详细地分析了高坝下游水垫塘底板的失 稳破坏机理和板块起动过程，建立了板块振动过程和脉动上举力之间的统计关 系。刘沛清8 j 通过试验得出促使板块出穴的主要动力是脉动上举力或脉动压力的 低频、大振幅分量，而高频率、大振幅的脉冲荷载对板块间止水的破坏、破块与 座穴的分割、锚筋的松动等起控制作用；并用随机振动理论分析了板块失稳前的 振动，推导了以板块出穴为控制条件的临界稳定计算公式。杨敏等【1 9 】对底板稳定 性试验仿真模拟进行了研究，阐述了底板块的水动力和结构动力相似性以及边界 条件相似的模拟方法。 1 2 3 反拱水垫塘底板稳定性研究 水垫塘底板的稳定性除了与水流 条件有关外，还取决于结构自身抵抗破 坏的能力。水流条件取决于作用在底板 表面的水流荷载，即动水压强，包括时 均压强和脉动压强。 一旦底板止水发生破坏，动水压强就会 沿板块间缝隙传到底板下表面。底板上 下表面动水压力之差就形成了水垫塘 i i ， i i i i i i i i l 上表面 ， t 、璎、了 一，。 图1 5 底板动水压强 底板块的上举力。按照底板动水压强分布规律，可将底板分成三个区域【2 0 】( 如图 l 5 所示) 。i 区为水舌冲击区，直接承受射流冲击作用，底板上下表面的压强都 很大；i i 区为壁面射流区，射流受i 区边壁约束，流线弯曲，底板上表面压强急 剧降低。此区域底板下表面压强受缝隙流压强传播规律的制约，虽有降低，但降 第一章绪论 幅远小于上表面的。因此，区底板承受的水流上举力较大，是易失稳区：h i 区 是水流渐变区，底板上下表面压强接近。还有与i i 区对应的区，动水压强与 区相近，只是上下表面压强差较区小。因此，i i 区底板是首先失稳板块，即 在水舌跌落区稍向下游一点。 1 2 3 1 水垫塘底板稳定计算模式 无论是平底板还是反拱形底板，在稳定计算模式中一是考虑荷载，二是考虑 结构本身的抗力( 抵抗荷载的能力) 。荷载取决于水垫塘的运行工况，在水垫塘稳 定性设计或计算中，一般考虑两种不利工况：正常运行和检修放空工况，都是以 最不利荷载状况作为稳定的设计和评价的标准。水垫塘正常运行时通常考虑的最 不利情况是止水破坏且排水失效，而检修放空工况下则是以止水完好且排水失效 作为稳定控制条件。对于平底板和反拱形底板两种不同的底板形式，已有研究表 明：反拱形底板和平底板的最大上举力基本相同【2 0 】。检修工况下的扬压力取决于 水头差、渗流折减系数等，与底板形式无关。所以对于平底板和反拱底板的稳定 计算模式中的荷载因素是相同的，不同的是抗力因素，下面对反拱底板的稳定计 算模式加以介绍： 为了提高水垫塘底板块的稳定性，崔广涛等【2 6 1 根据峡谷区的地形地质条件提 出了采用反拱形复式断面。反拱形断面由于拱的作用可以传递荷载，加强了水垫 塘的整体稳定性。文献2 0 1 指出，反拱水垫塘底板存在两种稳定模式：局部稳定和 整体稳定。 a 反拱底板的局部稳定 崔广涛等【1 】根据板块受力平衡条件推导出反拱底板拱顶块( 口= 0 ) 稳定安全 系数表达式： k = 篙= 坠巡半 ( 1 - 1 ) 式中：g 。为浮重，。为轴向力，厶为上举力，摩擦系数。 练继建等【1 4 】结合某高拱坝水垫塘反拱底板稳定性研究，采用平底板抗浮稳定 性的分析模式，建立简单的力学模型，同时进行相应的模型试验，对反拱形底板 的局部稳定性进行了计算与分析。认为整个拱圈板块不能形成拱作用时，边缘底 板块最危险；底板块形成拱作用时，任意底板块上举力达到最大值时最危险。安 全系数表达式如下： 边缘板块： 第一章绪论 牛 上兰二一匝：( 1 - 2 ) k ：l ：! ：! ! ! 垒二! 堡垒： ： 1 e 一巧一 中间板块： k ，： ：盟型丛生娑粤丛生咣( 1 - 3 ) ff n “，l l t l b t x 式中：彳为锚固力，为拱的轴向推力， 为作用在计算板块上的水流最大上举力，下 标“l ”表示边缘第一板块。任意板块受力分析 厂为混凝土块间的摩擦系数，k 0 ， d 、嗽i c 拱座的稳定性 反拱形底板的整体稳定性最终归结为拱座的 稳定性，因此对于拱座的设计必须慎重考虑，否则 一旦拱座失稳，将会导致整个拱圈失事，所产生的 后果要比平底水垫塘( 单块失事) 严重得多。练继建 等1 1 4 j 基于“随机拱”，通过受力平衡分析得到了反拱 | r0 1g 。 f r m j l j ， 一 h 整体稳定安全系数： 图1 - 7 拱座受力分析 k ：_ 磐 ( 1 4 ) 、。 式中：n 。为拱座允许的拱端推力；n 。为水流产生的最大拱端推力。 第一章绪论 刘沛清7 l 通过对拱座得受力分析建立了拱座稳定性条件，拱座受力分析如图 1 7 所示。拱座所受的力有：拱座的水下重力g 。( 设拱座在水中的体积为，拱 座的水下重量为g 。= ( 肝一y ) 匕) ，拱座的锚筋力，拱座上方边坡传给拱座的 下压力只，由反拱传给拱座的反力】，和日，拱座和基岩之间的摩擦力租( ，7 为 摩擦系数，r o 3 0 7 ) ，拱座的稳定性条件要求： c + ，k + g 。+ 巧h y 0 ( 1 。5 ) 引入安全系数k 砌，并将上式写成规范形式： k 砌：互生里竺型( 1 - 6 ) a “= 。二一 1 2 3 2 水垫塘底板稳定性控制指标 中川博测2 3 】认为，跌落水舌对河床基岩的冲刷，主要是高速水流进入岩石缝 隙，在其底部产生较大动水压力，而表面压力较小，从而形成上下表面压力差， 产生上举力，导致岩层上浮破坏。因此，对动水压强蛾及分布系数口( 最大冲 击压强与其作用距离的比值) 提出一个限值。对水垫塘底板稳定问题，亦参考这 个特征值。由日本的凌北等5 个拱坝溢流工程【2 4 1 ，给出时均冲击压强均在3 0 0 k p a 以下，分布系数口在1 0 以下的控制指标，这些工程都安全运行。目前，我国工 程上采用的底板抗浮稳定控制指标是冲击压强屺1 5 0 k p a 和分布系数 口1 0 。我国设计二滩工程水垫塘底板时，采用时均冲击压强标准1 5 0 k p a 。小 湾、构皮滩等水电工程，其水垫塘底板冲击压强均控制在1 5 0 k p a 以下，甚至降 至1 0 0 k p a 以下。在溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级等高坝水垫塘设计中，仍采用这 一标准。即使如此，有些专家对底板的稳定性仍心存疑虑。 杨敏【2 0 】通过试验研究时均压强、脉动压强和上举力间量化关系，按照动水冲 击压强的控制指标1 5 0 k p a ，得到以脉动压强为水垫塘安全稳定控制指标，其数 值为6 7 5 k p a 。郭航忠1 2 5 】通过模型试验得出了水垫塘底板稳定的安全水垫深度公 式。 1 2 4 缝隙脉动压力传播规律研究现状 文献【2 6 】曾介绍过用高速射流冲击无缝隙混凝土表面的试验，经过长期的冲射 也未见明显的冲坑。说明无缝隙的混凝土或基岩在高强度的水射流的冲击下很难 造成冲刷破坏。文献【2 7 】也指出，“底板或基岩缝隙的存在是底板( 基岩) 断裂解体 和破坏必不可少的条件”。由于缝隙的存在，底壁面上强大的冲击压力得以传播 到底板的下表面，从而形成巨大的脉动上举力。当这种上举力大于底板的自重和 底板的锚固力等抗力时，就有可能被拔起继而被水流冲到下游，针对这类问题， 第一章绪论 国内外学者对底板缝隙内水体动水压力的传播特性进行了专门的研究。 g r e h b i n d e r l 2 8 1 在研究射流切割岩体时，提出了渗流模型，认为冲击射流进入 岩体内尚未贯通的缝隙时，水流运动符合达西定律。姜文超等1 2 引在挑流水垫塘模 型内测得单一板块( 下缝贯通和堵塞) 下表面的脉动压力，用紊流理论分析得出： 缝隙中各点脉动压力具有完全相同的特性，且强度近似相等，缝隙内传递脉动压 力遵循静水压强的传递规律。赵耀南等1 3 0 在姜文超实验的基础上，提出了水体振 荡模型。认为缝内水流可视为不可压缩流体的层流运动，随两端压力差的变化做 整体一致的振荡运动，这个振荡运动是缝内水流压强的脉动源，瞬时振荡压强沿 缝隙呈线性分布。f i o r o t t o v ，r i n a l d o a t 3 1 1 ，在研究作用在消力池底板上的上举 力时，首先引入了瞬变流模型，把缝隙内水体视为脉动压力传播介质，用瞬变流 模型定性分析了缝内脉动压力的传播特征。 刘沛清等【3 2 3 4 】推导了一维、二维单板块和多级板块的瞬变流模型，并进行 了脉动压强沿缝隙传播的数值分析。张建民【3 5 】利用瞬变流模型进行数值分析后认 为：只有当入口端脉动压力波角频率大于压力波沿缝隙传播的理论角频率时，才 会产生瞬变流压力波。王玉蓉等1 3 6 】用p v c 管和矩形断面窄缝模拟缝隙水流流动状 态，观测到盲缝管流条件下的脉动压力变化较符合瞬变流模型。李爱华等1 3 7 - - 3 8 通 过数值分析，讨论了渗流模型和瞬变流模型各自的适用范围及其内在的统一性， 并利用一维瞬变流模型分析了缝隙粗糙程度及堵塞程度对脉动压力传播的衰变 影响。j f m e l o 等【3 9 】对水垫塘板块缝隙的位置和宽度对上举力的影响进行了研 究，得到了动水压力的平均值是水垫塘底板块安全性的决定因素。刘畴1 4 u j 开展了 多级板块下贯通缝隙层中脉动压力传播的实验研究，结果认为缝隙内压强是以波 的形式传播，传播源为上游板块上表面脉动压强。 上述研究成果，除了j f m e l o 外，都认为缝隙内的脉动压强是造成底板破 坏的决定因素，大量工程实践也证明了这种论断的正确性。总结缝隙内脉动压强 的传播规律，大概可用3 种模型来表示，即渗流模型、水体振荡模型和瞬变流模 型。渗流模型和水体振荡模型都视缝隙中的水体做某种运动，因而压强的传递靠 运动的水体传播。而事实上由于缝隙的尺度很小，水流在缝隙内可能是层流运动， 这就不能解释缝隙内急剧变化的脉动压强特征。瞬变流认为缝隙内压强是以波的 形式传播，缝隙中的水体作为压强波的传播媒体。 i 2 4 1 渗流模型 c t r e h b i n d e r 2 8 1 对射流切割岩体进行大量的实验研究，得出：当高速水射流冲 击天然岩体时，如果冲击射流的滞点压力小于岩体临界解体压力( 即p o 凡) ，射流水体在深入岩体裂隙的同时，岩体会以颗粒的形式被水流逐层剥 落。水体运动规律近似按d a r c y 定理描述，类比于溢洪道单体板块缝隙中的脉动 压力传播过程，有控制方程： au：=0(1-7) 苏 甜：一生望 ( 1 - 8 ) ” y 苏 式中：厂为水体的容重；k 为岩体渗透系数。 渗透模型认为水流阻力( 取决于岩体渗透系数k ) 和压力为主要作用力，脉动 压力以渗流速度传播，服从d a r c y 定理。但事实上当水垫塘底板发生破坏时，整 块的岩石被水流掀起冲走，而不是如射流切割岩体那样以颗粒的形式被逐层剥落 的。可见这种模型并不能合理解释水垫塘底板的破坏过程。 1 2 4 2 水体振荡模型 赵耀南、梁兴蓉【3 0 】认为，脉动压力作用于岩缝两端使缝隙内的水体运动类似 ( 在管道内或平行板间) 不可压缩水体的振荡运动，提出的一维运动方程为： 一a u ：0 ( 1 9 ) 舐 一a u ：一三望v 丝 (110)i- 一= 一一- 一l ，一 、 o t pc o xo y j 其中，u 为缝隙内的水流速度；x 为沿缝隙方向的坐标，y 为垂直于缝隙方 向的坐标；p 为缝隙内任一点的压强；p 和y 为水体的密度和运动粘滞系数。 将式( 1 一l o ) 在0 万之间沿y 方向上积分两次，并整理得 一o p ：一攀u + 1 2 p d - 丝 ( 1 - 1 1 ) 一= = a x6 a t 式中，材为缝隙中水体的断面平均流速。上式表明，缝隙内水体在两端压力 差的作用下作整体一致的振荡运动。进一步考虑缝口压力的脉动性，即令 鼻= 鼻+ 鼻，最= 只+ 只，只= 只+ 只 并代入式( 1 11 ) 后去掉时均项，经整体可得到缝隙中任意断面处的脉动压力 为。 乓= 量乏+ ( 1 - 主 只 ( 。，2 ) 对式( 1 1 2 ) 求方差得到 一= ( 主) 2 盯；+ ( 1 - 兰) 2 仃? + 2 主( ，一主) 尺。：仃，呸( 1 - 1 3 ) 第一章绪论 式中，r 1 2 为缝隙两端脉动压力的相关系数。 文献【4 l 】根据上式并结合实测资料得出脉动上举力的半经验半理论计算式： 盯廿= c ，( 西+ 西一c t ) n 5 ( 1 1 4 ) 其中： c ，= ( 甜5 c k1 2 5 叩h 南c 【c l ， o a = _ c 占 o b = 面8 g = 剿志一上1 0 5 2 b 卜p ( - 1 0 5 踟0 5 叶一志卜p ( - 6 5 跏j 叶一志卜p ( - 6 5 制 文献f 4 1 】用它进行平底板稳定性计算，其计算结果与实测结果基本一致。通过 上面的分析说明，应用振荡流模型得到的结果与缝隙中脉动压力的时均化后的结 果基本一致，也正是由于文献在对模型处理的过程中把压力脉动时均化，因而 没有真正反映缝隙中压力脉动的特性。该模型视缝隙内的水体为整体作振荡运 动，缝中的压力的变化取决于缝内水流的速度和加速度( 局部) 。实际上，缝隙中 水体的速度( 或加速度) 常是可忽略的小量，而脉动压力的变化却是急剧瞬变的， 1 2 4 3 瞬变流模型 根据以往的实验研究【4 2 4 3 1 ，在射流冲击下水垫塘底部缝隙中水体的压力脉 动和冲击区一样也很剧烈。c e b o w e r s 和j t o s o 等人【4 4 4 5 】在陡槽底板下排水廊 道中的脉动压力进行测试并分析后，最早提出了消力池底板冲刷破坏是由瞬变流 动而引起的观点。1 9 9 2 年f i o r o t t o v 和r i n a l d o a 【4 6 j 根据缝隙中脉动压力变化剧烈 和瞬变的特征，把缝内脉动压力过程看作为压力波动过程或水力瞬变过程。认为 在岩缝中脉动压力是以波的形式传播，而不是靠缝内水体的运动速度来传播。一 维瞬变流模型方程为 第一章绪论 皇竺+ “旦竺+ 2 旦竺+ r ( ) 材：0 u ( 1 1 5 ) 一+ “+ 2 一十k 1) 材= 、- 7 a t瓠融 一o h + 甜丝4 - 丝：0 ( 1 - 1 6 )一+ 甜一= 。7 魏a x g 融 式中：c 为压力波的传播速度；h = p 。j o g 为脉动压力测压管水头；g 为重 力加速度；尺( “) = x l u l l 4 8 为阻力参数，其中九为沿程阻力系数，万为缝隙厚度。 瞬变流模型同时考虑了缝隙中水流所受的惯性力、压力、水体弹性力以及阻力。 可以看出，瞬变流模型方程形式与压力管道中的水击方程组是一样的。遗憾的是 他们提出瞬变流模型后却未作更多的解释，方程的物理意义也不十分明确。 此后，刘沛清在这方面进行的研究具有代表性。1 9 9 4 年，刘沛清【博】在他的博 士论文中采用该模型并作了适当的简化，在忽略了阻力的情况下分析了岩缝中脉 动压力波的传播特性，认为是岩缝中脉动压力波导致了脉动上举力。基于这种认 识，提出岩缝中脉动压力方差与入口处脉动压力方差之间具有下述关系： = 仃；- p c x ( p ，圳古警 ( 1 - 1 7 ) 上式亦表明缝隙中脉动压力方差与瞬变流压力波的传播速度和岩块振动速 度竽有关。同时，文献m 1 认为“根据瞬变流理论，缝隙中脉动压力几乎是波 ( i t 形不变地瞬时传播到岩块底部 。并假设岩块上表面的脉动压强与下表面的脉动 压强不相关，且基本上符合正态概率分布，据此，他提出了可能最大脉动上举 力的计算公式： 4 n 戡= 3 哎 ( 1 - 1 8 ) 其中，4 1 1 。为作用于底板块单位面积的最大脉动上举力；盯。为板块接缝入 口处脉动压强的均方根值；口。= a ，彳为底部贯穿系数，三，为临底涡体的积分 尺度；三为板块的尺寸；口。为脉动压强系数。上式是在没有考虑摩阻影响的情 况下得到的，而实际情况是，当岩块未晃动时，无论是岩缝还是底板缝隙均非 常小，因此，阻尼将会相当大，如果不考虑摩擦阻力的影响，其结果和实际情 况将有很大差别。 脉动压力在水垫塘底板块缝隙中的传播机理是相当复杂的，本文通过改变板 块结构型式( 透水与不透水板块) ，研究了板块上下表面脉动压力传播特征。 1 2 5 透水底板研究现状 目前，工程上采用平底板与反拱形底板都是不透水的大体积混凝土结构，这 种结构会导致底板上表面和底面有很大的压力差，为抵抗这些压力差，底板块的 第一章绪论 厚度必须加大或者增加锚固钢筋，亦或增设抽排。增加底板厚度的效果只能是事 倍功半；锚固力不可能无限制地加大。因此这种防护理念势必会造成很被动的局 面，几乎所有已建、在建和拟建工程都将面临相似的威胁。于是人们开始寻求一 种新的方法来提高防护结构的安全性。 如果在水垫塘底板中设置透水孔，底板上下表面的压力波可以相互传递，这 样就可能减小底板上下表面的压力差，可以提高防护结构的安全性，进而可以减 少底板的厚度，节省混凝土方。 二十世纪六十年代，北京水利水电科学研究院的哈焕文【2 j 曾通过实验研究了 透水护坦的水力特性。研究表明：在护坦范围内设置排水孔( 排水孔面积与护 坦板面积之比为5 - 8 时) ，不仅能消除作为计算护坦板厚度时主要荷载的压力 差，而且可以减少护坦板上的脉动荷载；研究表明作用在透水护坦板表面及底 面的脉动荷载发生平均，从而减小底板上下表面的压力差。 孙勉【4 8 】通过试验研究了水垫塘透水底板水动力特性。研究表明：底板开孔 可以显著的减小上举力的脉动值，而对上举力的时均值的影响不大。可以有效的 减小底板的最大上举力。在相同的水舌条件下，上下游水位差对底板开孔后上 举力和开孔前的比值的变化影响不大。在相同的水舌条件下，板块上举力随着 开孔率的增加而减小，且减小的趋势逐渐变缓。板块开孔率在3 5 以前，随着 开孔率的增大，板块上举力最大值降低的比较显著；3 5 以后，随着开孔率的继 续增加，底板上举力降低的趋