键槽式底板物模试验研究

(上海勘测设计研究院，上海 200434)

科学研究及工程设计

键槽式底板物模试验研究

许翔

(上海勘测设计研究院，上海 200434)

本文以某实际工程为背景，通过物理模型试验，分析研究了在水垫塘底板板块间设置键槽后，对不同位置板块所受上举力的影响以及各自的变化情况，旨在为应用这一结构提供参考。

水垫塘；底板；键槽；物理模型试验

随着我国水电工程的不断发展，在高坝设计及建造上不断取得新成就，但这也带来了一个严重的问题——消能防冲。国内外诸多专家学者如彭彬[1]、练继建[2]等对此进行了比较深入的研究。目前为了能较好地解决这一工程问题，通常在大坝的下游侧修建一个具有一定水深的消力池，即通常所说的水垫塘。同时水垫塘的底板有两种形式，一种是平底板，一种是反拱底板。本文通过具体工程模型试验，结合已有的研究成果，通过在平底板间增加键槽这一特殊结构，分析了其对板块上举力的影响。

1 工程概况

重庆市梅溪河渡口坝水电站位于梅溪河奉节县境内河段上，距离重庆市奉节县城90km。工程为Ⅲ等中型，采用混合式引水。总装机容量12.9万kW。最大坝高108.7m。挡水建筑物为一座变厚双曲混凝土拱坝。泄水建筑物由3个溢流表孔组成，设计洪水标准为100年一遇(P=1.0%)，校核洪水为1000年一遇(P=0.1%)，消能防冲设计流量为30年一遇(P=3.33%)。该工程消能采用水垫塘形式。水垫塘长176.8m，底部平均宽42.9m，由于呈凹形设计，因此底高程分别为480.00m、474.00m、479.00m。底板厚3m，水垫塘末端设高度为9m的二道坝，顶宽3m。

2 模型设计

由于重力是流经堰孔水流的主导性作用力，因此，根据水工模型设计的相似原理要求，该工程模型按重力相似准则制作。模型几何比尺拟定为λ1=50。水垫塘模型设计采用灰塑料板衬底，同时在衬底塑料板上放置加重橡胶块模拟水垫塘底板，其他要素比尺见下表。

模型比尺表

水垫塘断面见图1。

图1 水垫塘示意图

3 试验结果及分析

此次试验共选取了呈十字交叉状的不同位置的5块受力板块进行分析研究。键槽结构及板块布置如图2所示。

图2 键槽结构及研究板块位置

在试验中采用上游表孔全部开启的泄洪方式，并且设置570.25～572.25m的不同上游水位三组，水位间隔1m。每固定一个上游水位的同时对应不同的八个水垫塘水位，将研究板块按布置方向的不同，归为不同的两组分别进行研究。一类为顺下泄水流方向，包括编号为1、2、3的板块，对应的桩号为0+49～0+71,板块中心距为11m;一类为垂直下泄水流方向，包括编号为4、2、5的板块，此时三个板块桩号相同。试验后将顺下泄水流方向各组次结果绘制成图3～图4：

图3 上举力最大值

图4 上举力时均值

通过分析实验数据发现，在不同的三个上游水位工况下，增加键槽后底板上举力各实验数据变化趋势基本一致。由于键槽的存在，在顺水流方向上，不同位置的底板最大上举力存在明显下降趋势。对比实验数据认为，同一桩号处的底板，实测上举力受到的影响较小，表现为一个平滑稳定的过程，而时均上举力通过分析实验数据并没有发现显著的变化趋势，而图7中实测数据分为两部分，位于上部、均方差数值较大的均为无键槽实验组实测值，而下层实测数值较小的为有键槽试验组实测值。分析原因认为：键槽是一种比较特殊的结构，在水平方向上能够有效传递剪应力和压应力，同时不能传递拉应力。由于下泄水流的荷载作用，在底板下部产生上举力时，剪应力和压应力在水平方向上传播。而键槽传递的正是这两种力。因此，键槽增强了某一板块与各个相邻板块的联系，并且将原来由单一板块承受上举力作用，在设置键槽后变成多板块共同承受。正因如此，键槽的存在，也有效地减小或者避免了当下泄水流作用力较大而导致某一块底板失稳破坏的可能性。同时由于该桩号位于水垫塘淹没冲击射流的冲击区，正是整个水垫塘底板最容易发生失稳破坏的区域，当该区域的止水发生破坏时，在没有键槽作用的情况下，上举力作用由该区域的底板各自承担。而通过设置键槽，单一板块与周围相邻板块通过键槽而衔接为一个整体，从而显著减小了单个底板承受的下泄水流作用力。而实测数据也显示，作用在各板块的上举力大致处于同一水平，键槽将下泄水流的巨大荷载“均分”给了多个底板。对于上举力均方差在设置键槽前后产生的变化，分析认为，均方差所反映的是一个波动性的概念，它的大小反映的是上举力脉动值偏离平均水平的程度。而通过设置键槽这一结构，则将原来的单板块受力产生的脉动现象变为由多个板块衔接形成的联体脉动，基于脉动现象的高度随机性以及不同板块的整体性的强化，各板块受力情况得到改善，减少了单一板块上应力集中现象的发生。

为了更加全面地认识分析键槽的存在对水垫塘底板受力情况的影响，设置键槽后，对与下泄水流方向垂直的三个底板进行了试验数据采集分析，现将试验结果绘制成图5～图7。

图5 上举力最大值

图6 上举力时均值

图7 上举力均方差

可以发现，在垂直水流方向上，各板块上举力在不同试验工况下变化趋势类似，因此图5～图7同样给出了具有代表性的上举力各指标变化情况。通过对比发现，设置键槽导致底板上举力最大值也出现了上下分层的现象。不设键槽时最大值均位于图的上方，增设后位于图的下方，上举力均方差仍然和顺水流试验情况一致，设置键槽前后出现上下分层的现象。故认为键槽的存在对于垂直水流方向的底板上举力也有较大的影响，原因在于下泄水舌在泄流过程中有向水垫塘中线集中的趋势，使得水垫塘中间偏右侧的2号、5号板块上举力实测值大于左侧4号板块，但因为这三个板块在键槽的作用下已连为一体，很大程度上改变了2、5号板块的受力环境，受力情况由三板块各自承受上举力变为三者共同受力，弱化了上举力对单个板块的作用，减小了下泄水舌向水垫塘中线集中而产生的不利影响。

4 结 语

顺下泄水流的方向上，由于键槽的存在使不同板块间的联系得到加强。板块受力情况发生改变，不再是原先的各板块独自受到上举力作用。并且由于不同的板块衔接在一起弱化了上举力的作用，使得上举力作用效果显著降低。同时键槽对上举力均方差也产生了较大影响，实测数值发生了显著的上下分层现象，表明水垫塘底板不同块体在键槽的衔接下形成了一个联动体，进而导致上举力均方差降低。上举力幅值也随之减小。而在与下泄水流垂直的方向上，键槽的存在使上举力最大值及均方差均出现上下分层现象，这一特殊结构对弱化垂直下泄水流方向上底板上举力效果明显。

本文针对键槽的模型试验研究对水垫塘底板的稳定及设计工作具有一定的参考价值。同时为了进一步研究其作用机理，在以后的研究中可采用数值模拟及模型试验同时进行的方式来相互验证，以更好地全面地掌握这一结构的特性。

[1] 彭彬，张建海，蒙承刚.右江百色重力坝消力池结构缝键槽布置方案优化研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2004(1).

[2] 马斌，练继建，刘喜珠.带键槽消力塘底板的安全性分析[J].水利水电技术，2009,40(1).

StudyofGroovedFloorPhysicalModelTest

XU Xiang

(ShanghaiInvestigation&DesignInstitute,Shanghai200434,China)

In the paper, a practical project is adopted as background. After grooves are set among floor blocks in cushion pool, influence of upward lifting force and respective change condition on blocks in different positions are analyzed and studied, thereby providing reference for applying the structure.

cushion pool; floor; groove; physical model test

TV315

A

1673-8241(2014)08-0043-04