反拱水垫塘流场底动水高压试验研究

反拱水垫塘流场底动水高压试验研究

目前，中国已开始建设大型节水水库。大坝下游通常修建二道坝形成衬砌水垫塘,以保护下游河床基岩免除水流冲刷,确保河床和两岸坡的稳定。因此,衬砌水垫塘的底板块稳定是至关重要的。衬砌水垫塘主要有平底和反拱两种形式。VirgilioFiorotto、毛野、姜文超、赵耀南、刘沛清、张建民、孙建等学者对平底水垫塘中底板缝隙中动水压强的传播规律、底板块的失稳机理进行了研究。反拱水垫塘则是一种新型的消能防冲结构。拱圈上底板块的破坏机理与平底水垫塘底板块不同,不仅与动水压强在拱圈底板缝隙中的传播规律有关,而且还与拱圈底板块间传递的轴力、底板块的振动特性以及拱端的支撑条件等因素关系密切。文献结合溪洛渡反拱水垫塘,对拱圈底板表面和底板缝隙中的动水压强进行了试验研究,得出了一些重要的结论。本文在此基础上,对高水头、大流量作用下,拱圈位于反拱水垫塘流场中任意位置时底板表面和底板缝隙中的动水压强进行同步量测,进一步研究拱圈底板动水压强的变化规律,以揭示拱圈底板的破坏机理。1反拱水垫塘和压力传感器图1给出了试验模型布置。试验模型以某高坝水垫塘为基础,按重力相似准则设计模型,同时满足紊流阻力相似条件,比尺为1∶170。模型主要由供水系统、射流系统、反拱水垫塘和回水系统组成。射流系统主要是出口尺寸为0.57m×0.0098m(宽×厚)的固定喷头,以此模拟高水头、大流量的挑流水舌。反拱水垫塘由灰塑料板制作,其尺寸为5m×0.9m×0.6m(长×宽×高)。在反拱水垫塘中部,安装有一个有机玻璃制成的拱圈,其内安装有9个(①～⑨)底板块。图2给出了拱圈底板块中压强传感器测点布置。其中,底板块表面与缝口共布置52个测点,底板缝隙中布置58个测点。反拱水垫塘可在滑动轴承上移动以改变水舌冲击点与量测拱圈的位置,达到拱圈位于反拱水垫塘流场中任意位置的目的,进而同步量测拱圈底板块表面、底板缝隙的动水压强。采用中国水利水电科学研究院水力学所研制的MPX50D型压力传感器和DJ800多功能采集系统。取采样时间间隔Δt=0.016s,采集时间T=160s,采样总容量N=1100000。试验中拱圈位于每一个固定位置上,重复采样3次,使每次量测的动水压强的均值基本相等。2水垫塘底板微织构设计图3给出了坐标系规定。沿水流方向为x轴,y轴向上为正,沿拱圈方向为z轴,o为坐标原点,也为水舌冲击点。x表示拱圈中心的坐标,x′表示各测点相对于拱圈中心的坐标(以远离冲击点的方向为正方向),X表示各测点沿纵向的坐标,其中,X=x+x′。水垫塘长L=5m;水舌入水厚d0=0.0098m,宽B=0.57m;入水流速u0=6.31m/s,入水角β=72.99°;水垫深度ht=0.288～0.488m。试验从x=1.3m处开始采集,保持水舌入水条件和下游水深不变,逐渐把水垫塘向上游移动,减小至x=-0.9m。为了便于分析,用pumax、pumin、pua、puσ表示底板表面瞬时最大压强、瞬时最小压强、时均压强、均方根;用pdmax、pdmin、pda、pdσ表示底板块缝隙瞬时最大压强、瞬时最小压强、时均压强、均方根。试验中对不同水垫深度下底板块上的动力荷载进行量测,经信号分析和数据处理后得出以下试验结果。2.1动水压力值对比图4给出了拱圈底板动水压强沿流程的变化曲线。从中可见,反拱水垫塘拱圈底板上动水压强幅值沿程分布曲线上有明显特征点,一个是峰点,另一个是谷点,两点之间是动水压强骤降区,骤降区以外是回升区。在冲击点附近,水舌动能全部转变为压能,拱圈底板表面与底板缝隙动水压强幅值(除底板表面瞬时最小值外)出现峰点,但底板缝隙动水压强幅值小于底板表面的,底板缝隙瞬时压强最小值均大于底板表面,底板块形成负上举力。在动水压强骤降过程中,底板表面动水压强递减梯度大,而底板缝隙内的递减梯度小,沿程形成了底板缝隙动水压强时均值大于底板表面的一个条带,形成了较大上举力。随距冲击点距离的增大,动水压强幅值沿程分布曲线上出现谷点;谷点之后,动水压强的幅值逐渐回升并趋于平稳。2.2拱圈底板与底板裂隙振动的差异图5给出了拱圈底板块上动水压强沿拱圈横向的分布曲线。从中可见,在沿拱圈方向,底板表面、底板缝隙时均压强沿拱圈分布形态基本相似,总体上,从拱冠附近的最大值沿拱圈向两岸递减。时均压强沿拱圈方向的最小值出现在拱端附近的底板块上。这反映了拱圈底板曲率对动水压强的衰减作用。底板表面的瞬时最大压强、瞬时最小压强分布规律性较差;而底板缝隙内的与时均压强相似,都是从拱冠附近的最大值沿拱圈向两岸递减。在冲击区和壁射流区,底板表面脉动强度在拱冠附近较小,在拱端附近较大;冲击区大,壁射流区小。在整个流场范围内,底板缝隙脉动强度沿拱圈方向变化不大。图6给出了拱圈底板表面与底板缝隙Z3、Z5断面上时均荷载沿拱圈横向的差值(用Δpa表示)。从中可见,在冲击区,距冲击点近的Δpa小,甚至为负;在距冲击点远的断面,Δpa较大。因此,水舌冲击区,拱圈底板块受力荷载不均匀。距离冲击点近的上举力荷载小,远的荷载大,底板块上举力的作用点离水舌冲击点远。底板块如果发生振动位移,则距冲击点远的一侧首先抬头,在其振动位移过程发生翻转(见图7a)。在壁射流区及渐变流区,距冲击点远、近的横向断面上,Δpa基本相等。因此,在这两个区域,拱圈底板块受力荷载基本均匀。底板块若发生振动位移,则其会悬浮而起(见图7b),挤压两侧底板块,并产生底板块轴力或拱端力。2.3底板裂隙的动水压力分布图8给出了拱圈位于不同位置时,底板块⑤的缝隙动水压强沿缝隙长度x′的分布曲线。从中可见,拱圈位于水垫塘内不同位置时,底板缝隙动水压强分布有“递减形”、“递增形”和“平稳形”三种形态,分别位于M、E、S三个区(见图3)。M区在冲击区对应的底板缝隙内,缝内上游端的动水压强比下游端大,底板缝隙动水压强沿流程呈递减形,且其递减的速率比底板表面的小,底板表面与底板缝隙压强的最大动水压强都出现在该区;E区在冲击区与壁射流区之间对应的底板缝隙内,随拱圈中心|x|增大,底板缝隙动水压强沿流程的递增趋势逐渐变缓,而底板表面pua呈逐渐递减趋势;S区包括部分壁射流区及其下游渐变流区对应的底板缝隙内,其动水压强沿缝长分布呈“平稳形”。从底板缝隙内和底板块缝口处最大瞬时压强的比较来看,在M、E、S区中,缝内上游端pdmax比对应缝口底板表面pumax小,缝内下游端pdmax比对应缝口底板表面pumax大,但缝隙上下游端两者相差的幅度不同。在缝内上游端,在M和E区中,底板缝隙pdmax比对应缝口底板表面pumax小得多,底板缝隙pdmax约为底板表面pumax的1/2;在S区中,底板缝隙pdmax比对应缝口底板表面pumax的略小,两者相近。这说明底板缝隙对由上游缝口传入的动水压强具有阻尼作用。同时,在M区对应的底板块表面,脉动压强急剧变化,且均方根值大;而S和E区对应的脉动压强变化较为平缓,且均方根值小。在底板缝隙中的M区内,底板表面puσ变化大,底板缝隙pdσ相对S和E区大,但比其缝口底板表面的小,约为缝口底板表面的1/7～1/2,这表现为缝口的阻尼作用较大;在底板缝隙的S区或E区,脉动压强均方根沿缝长基本不变,这是由于底板块上下游缝口脉动压强变化不大所致。可见,底板缝隙对由缝口传来的动水压强具有阻尼作用,且缝口处脉动压强越大,底板缝隙的阻尼作用越明显。2.4脉动压电谱密度图9给出了拱圈底板表面、底板缝隙测点脉动压强谱密度。从中可见,拱圈底板表面动水压强的优势频率分布范围较广,主要集中在0～4Hz之间;而底板缝隙动水压强的优势频率分布范围主要集中在0～1.0Hz,低频(小于1.0Hz)的脉动能量占主要部分,相对于底板表面,其频率较为集中。拱圈底板表面和底板缝隙内动水压强的峰值频率都集中在0～1Hz之间。在冲击区内,高频域和低频域内脉动压强谱密度的值较大,能量分布较广;其它区域较窄。当下游水垫深度较浅时,脉动压强谱密度在低频域或高频域内值大,能量在频域上分布较宽;随着水垫深度的增加,高频域内的谱密度值减小,低频域内的脉动能量占主要部分。3试验结果分析本文采用一种新的思路,建立反拱水垫塘水力学精细模型,研究高水头、大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板块表面、底板缝隙内的动水压强的变化规律,探讨反拱水垫塘拱圈底板的失稳机理。通过对试验结果分析得出:1)在整个反拱水垫塘流场范围内,拱圈底板表面和底板缝隙动水压强沿