高坝联合泄洪消力塘底板上举力分布特性研究

王怀明，杨 敏

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

1 研究背景

多孔联合泄洪是高拱坝常用的泄洪方式，尤其在我国，大多高拱坝坝址处具有高水头、大流量、窄河谷的典型特点，坝后水垫塘承担着巨大的消能压力，多孔联合泄洪应用更为广泛。水垫塘底板稳定性是泄洪安全的关键，而上举力是底板稳定性的重要控制指标。由于上举力产生的原因尚未从理论上得到完善的解释，模型试验数据的统计规律显得十分重要。文献［1－8］从理论分析、公式推导、点面转换、功率谱、概率密度、统计规律、板块尺寸影响等各方面对底板上举力进行了研究。

前人对水垫塘底板上举力已经做了大量的研究，但是对高坝表深孔联合泄洪下，表孔泄洪对深孔泄洪水舌冲击点附近上举力的影响或者深孔泄洪对表孔泄洪水舌冲击点附近上举力的影响研究较少。

本文通过某工程模型试验，对表深孔无碰撞联合泄洪下，表深孔水流对各自水舌冲击点附近上举力的影响做了较为详细的分析，对类似工程水垫塘底板上举力的探讨及水垫塘底板的设计有一定的参考。

2 模型试验设计

某水电站是雅砻江干流上的重要梯级电站，枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、泄水建筑物和地下引水发电系统组成。拱坝最大坝高305m，坝址区河谷狭窄、地质条件复杂、边坡稳定条件较差，枢纽设计洪水流量(p=0.1%)为13 600m3/s，校核洪水流量(p=0.02%)为15 400m3/s。泄洪建筑物具有高水头、大流量、窄河谷的特点，泄洪消能和泄洪雾化问题成为该工程枢纽布置的控制因素之一。坝身泄洪消能采用4表、5深孔无碰撞联合泄洪消能方式，表孔采用窄缝形式。泄洪时表孔水舌从深孔水舌中间穿过，空中无碰撞。

本试验模型水垫塘底板块分为4列，中间2列板块较大，靠近边坡板块较小。水垫塘及上举力传感器布置见图1及图2。

图1 上举力传感器布置侧视图Fig.1 Side view of the layout of uplift force sensors

图2 上举力传感器布置平面图Fig.2 Plan view of the layout of uplift force sensors

模型试验采用一套独有的上举力测试采集系统，在水垫塘岩基模型上铺设橡胶块底板，模型板块尺寸与原型板块尺寸成比例，比尺为50。在橡胶块底板上安装上举力传感器，测试整个底板块所受到的上举力。上举力测试采集方法见图3。

图3 上举力测试框图Fig.3 Block diagram of the uplift force test

由前人的试验资料表明，水垫塘底板上举力的能量主要集中在0～15Hz。在本试验的采集过程中，取采样频率fs=50Hz，样本容量N=8 192，采样长度 T=163.84 s。

3 上举力分布特性试验

高拱坝多孔联合泄洪时水垫塘内水流流态极其复杂，上举力大小和分布也与表孔或深孔单独泄洪时有一定区别，为研究多孔联合泄洪对上举力分布的影响，对多孔联合泄洪时的上举力大小及分布进行了测试，并对多孔联合泄洪和表、深孔单独泄洪时的最大上举力大小和分布进行了比较。

3.1 试验工况

试验分为多个工况，分别测试了在相同上下游水位、不同开孔情况下的上举力大小。测试工况上下游水位、流量关系见表1，下文中所提到的试验工况与表1中的工况相对应。本文旨在研究联合泄洪与表、深孔单独泄洪时上举力的不同分布规律，所以试验结果是在相同上下游水位的条件下测得的，不考虑上下游水位变化对上举力的影响，总流量和单宽流量只与开孔情况有关，水垫塘底板高程为0+1595m，水垫塘水深始终为59.72m。

3.2 上举力分布特性

影响上举力的主要因素有上下游水位差H，入水单宽流量q0，水垫塘水深 ht，水舌入水条件k。上举力的一般表达式可写成

式中水舌入水条件k随水舌形态、掺气浓度、对冲角、扩散程度等的不同而变化。取上举力FL的单位为9.8 kN/m2，经无量纲运算，得到3个参式(1)可进一步写成

表1 典型工况水位流量关系Table 1 Water level-discharge relations in typical working conditions

将最大上举力试验数据作无量纲化处理，绘制成曲线如图4所示。图中曲线是由大量试验数据经处理后线性回归拟合所得，图中每个点代表一个试验数据，3条直线分别表示4表孔或5深孔泄洪、4表+3深孔泄洪、4表+5深孔泄洪的情况，3条直线的k，b值见表2。图5为相同上下游水位条件下，表孔水舌冲击点附近，4表孔单独泄洪与4表+5深孔泄洪情况下的上举力分布对比。图6为深孔水舌冲击点附近，5深孔泄洪与4表+5深孔泄洪情况下的上举力对比。图5、图6中:FLmax为4表孔和5深孔单独泄洪时水舌冲击点附近上举力最大值;纵坐标表示相同水流条件下，不同开孔情况下板块实测沿程上举力与表孔或深孔单独泄洪时水舌冲击点附近最大上举力的比值;x为上举力测点到水舌冲击点的距离。图5、图6中的曲线是在图中先绘制点，再通过这些点经高斯拟合得到，每条曲线均在某一开孔情况下，以表孔或深孔水舌冲击点附近的5块板块的上举力为依据，同图4一样是将大量试验数据经处理后绘制而成的。其中每一板块的上举力是在相应水流条件下多次采集得到，每条曲线绘制的上举力数值不少于14组。

试验中单宽流量较难测得，本试验中先测得各工况下水舌入水宽度，用相应工况下的下泄流量除以水舌入水宽度得到单宽流量。

表2 曲线参数Table 2 Parameters of curve

图4 最大上举力对比Fig.4 Comparison of maximum uplift forces

图5 表孔水舌冲击点附近上举力对比Fig.5 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from surface outlets

图6 深孔水舌冲击点附近上举力对比Fig.6 Comparison of uplift forces near the impact point of water nappe from bottom outlets

3.3 上举力分布特性分析

上举力是水垫塘底板上下表面脉动压力综合作用的结果，是底板所受点脉动压力在板块上的均化，反应的是脉动压力对底板作用的整体效果。

从试验结果可以看出:

(2)单开表孔或单开深孔，相应水舌冲击点附近上举力值，与相同上下游水位条件下表深孔全开相比，上举力值明显偏大。表深孔全开联合泄洪时，表孔水舌冲击点附近上举力峰值与单开表孔泄洪时相比，要明显后移;而表深孔全开联合泄洪时，深孔水舌冲击点附近上举力峰值与单开深孔时相比，要明显前移。试验结果如图5、图6所示。

针对以上上举力分布特点，分析结果如下:之所以相同上下游水位条件下，表深孔全开联合泄洪时，表深孔水舌冲击点附近上举力值，与表孔或深孔单开时相比要明显偏小，原因是表深孔水舌落入水垫塘后形成大的旋滚，表深孔水舌所形成的大的旋滚之间相互作用、相互影响，使相互之间大旋滚对底板块的卷吸作用得不到充分的发挥，而表孔或深孔单独泄洪时，水舌入水后旋滚充分发展，不受其他水舌的影响，故而要比相应表深孔联合泄洪时上举力要大。相件下，单开表孔或深孔比表深孔全部打开联合泄洪情况下，最大上举力要大，也是同样的道理。联合泄洪时，表孔水舌入水后受深孔水舌的影响，所形成的强旋滚后移，进而导致表孔水舌冲击点附近的最大上举力后移;深孔水舌入水后形成的旋滚受表孔水舌的影响而前移，进而导致深孔水舌冲击点附近的最大上举力前移。4表孔+3深孔泄洪时由于深孔流量明显减小，表深孔水舌入水后相互之间的影响减小，致使最大上举力值介于表深孔全开与单开表孔或单开深孔之间，也证实了以上的说法。

4 结论

本文研究了高拱坝多孔联合泄洪水垫塘底板上举力的分布特性。试验结果表明:相同上下游水位情况下，多孔联合泄洪上举力大小与分布不同于表孔或深孔单独泄洪，相应位置上举力最大值比表孔或深孔单独泄洪时要小，且最大上举力的位置，表孔水舌冲击点附近要后移，深孔水舌冲击点附近要前移。分析其原因主要是表深孔水舌入水后形成大的旋滚，旋滚之间相互影响，得不到充分发展，对底板的卷吸作用明显减弱，进而导致相应上举力值明显减小，最大上举力的位置也有所改变。本试验结论对高坝水舌空中无碰撞多孔联合窄缝泄洪工程具有参考意义，同时要求表深孔水舌在水垫塘中的落点不重合，要有一定距离。对高坝泄洪表深孔水舌空中碰撞消能的情况需要单独试验，另作分析。

［1］BELLIN A，FIOROTTO V.Direct Dynamic Force Measurement on Slabs in Spillway Stilling Basins［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1995，121(10):686－693.

［2］FIOROTTO V，SALANDIN P.Design of Anchored Slabs in Spillway Stilling Basins［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2000，126(7):502－512.

［3］杨 敏，孙 勉.水垫塘透水底板上举力试验研究［J］.水利发电学报，2007，26(6):88－95.(YANG Min，SUN Mian.Experimental Study on the Uplifting Force of the Pervious Slabs in Plunge Pool［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26(6):88－95.(in Chinese))

［4］刘沛清，刘心爱，李福田.消力池底板块的失稳破坏机理及其防护措施［J］.水利学报，2001，(9):1－9.(LIU Pei-qing，LIU Xin-ai，LI Fu-tian.Failure Mechanism of Bottom Plate in Stilling Basin and Countermeasure for Protection［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2001，(9):1－9.(in Chinese))

［5］杨 敏，彭新民.高坝水垫塘底板上举力特性与预测方法［J］.水利水电技术，2003，(9):29－31.(YANG Min，PENG Xin-min. Characteristics and Prediction Method of Uplift Force on Cushion pool Floor of High Dam［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2003，(9):29－31.(in Chinese))

［6］崔广涛，林继镛，梁兴蓉.拱坝溢流水舌对河床作用力及其影响的研究［J］.水利学报，1985，(8):58－63.(CUIGuang-tao，LIN Ji-yong，LIANGXing-rong.Forces of Overflow Nappe of Arch Dam on Riverbed［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1985，(8):58－63.(in Chinese))

［7］林继镛，练继建.二元射流作用下点面脉动壁压的幅值计算［J］.水利学报，1988，(12):34－40.(LIN Jiyong，LIAN Ji-jian.Calculation of Wall Pressure Fluctuation under 2-D Jet Flow［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1988，(12):34－40.(in Chinese))

［8］刘沛清，冬俊瑞，余常昭.在冲刷坑底部岩块上的脉动上举力［J］.中国科学(E辑)，1998，28(2):175－182.(LIU Pei-qing，DONG Jun-rui，YU Chang-zhao.Study of Fluctuating Uplift at the Bottom of a Scour Pool［J］.Science in China(Series E:Technological Sciences)，1988，28(2):175－182.(in Chinese))