溢洪道陡槽底板上举力特性试验研究

李树宁，杨 敏，李会平，董天松

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.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

我国重大水利水电工程具有高水头、大单宽流量、大泄洪功率的特点，泄洪时对防护结构的安全提出了巨大挑战。近些年来有众多的学者对高坝泄洪消能建筑物水垫塘或消力池的防护结构稳定性的研究开展了大量工作并取得了相当丰富的成果[1,2]。而对溢洪道泄槽底板稳定性的研究却很少，研究内容也仅限于溢洪道陡槽的水面线、压强分布、流速分布及流态[3,4]等水力特性，以及对溢洪道的掺气减蚀研究[5,6]和台阶溢洪道消能研究[7,8]。而在实际工程中，国内外溢洪道陡槽底板破坏的实例很多，甚至比消力池还多[9,10]。国内工程如甘肃刘家峡水电站，湖北官庄水库等工程的溢洪道在小泄量时底板发生毁坏。国外工程如孟加拉国Karnafuli[11]溢洪道工程的泄槽底板也在小流量时发生破坏。大量工程失事表明：板块失事是由作用在底板上的脉动上举力引起的。评估溢洪道陡槽底板稳定性的直接参数是整体荷载即上举力，对于陡槽底板，是上下表面动水压力的合力。规范中对陡槽的设计要求没有明确的规定，设计者无量化的指标可资参考。而导致陡槽底板破坏的上举力与水力条件和表面平整度有关。迄今为止，还未见有任何相关的成果。基于此，本文对溢洪道陡槽底板的上举力特性进行了专门的模型试验研究，其成果可为设计人员提供科学的理论依据，可用于评估结构的稳定性。

2 模型简介

本项研究是在某水电站溢洪道陡槽底板上进行的。溢洪道为开敞式的岸边溢洪道，由进水渠段、控制段(溢流堰段)和陡槽段组成。溢流堰采用曲线形实用堰，堰高13.5 m，溢流坝共4孔，每孔净宽15 m，坝顶设弧形闸门。陡槽段坡度i=1∶4.5，断面为矩形，长325.6 m，宽73.5 m。

试验模型比尺为1∶50，本项试验在陡槽底板中心线沿程布置了2个测力板块(板块原型尺寸为17.5 m×14 m×1 m,按模型比尺缩小成35 cm×28 cm×2 cm)。图1为测力板块沿程布置及上举力测试系统图。本试验设计了4种不同的单宽流量，在闸门全开时，对陡槽底板上举力进行了测量。

图1 上举力测试块布置及测试系统Fig.1 Uplift force sensors placement and test system

3 上举力试验结果

3.1 上举力分布

陡槽板块上举力为底板上下表面的动水压力的合力。对试验测得的上举力随机信号进行处理，分别得到单位面积板块上的上举力最大值、时均值和均方差。定义无量纲化的参数----流能比R来表征陡槽底板的水力条件，表达式为：

(1)

式中：q为陡槽单宽流量；H为上游水位与陡槽水深之差。

图2给出了不同水力条件下，陡槽底板上单位面积上举力的分布。从图2中可以得出，陡槽底板单位面积最大上举力、时均值及均方差分布规律趋于一致，都是随着流能比R的增大而增大。其中，陡槽底板上单位面积的上举力最大值和时均值增长较快，而底板上举力均方差增长缓慢，增幅不大。分析其原因，随着流能比的增大，陡槽底板上紊流能量增大，水流紊动混掺更加剧烈，底板上受到的脉动压力也增加。而上举力大小主要是由板块上表面的脉动荷载特性所决定的[12]。因此，陡槽底板上单位面积的上举力随着流能比的增大而增大。

图2 单位面积上举力分布Fig.2 Uplift force distribution on unit area

3.2 错台高度对陡槽底板上举力的影响

在施工控制不佳或存在不均匀沉降的情况下，陡槽底板板块接缝处容易产生错台。而溢洪道陡槽底板上的水流流态为宽浅急流，当急流遇到错台后会迅速改变错台周围的水流特性，这样就会使得原本平顺的水流在错台处会迅速隆起而后迅速跌落，对错台下方的陡槽底板产生一个很大的冲击力，大大增加了作用在底板上的水动力荷载，因此错台成为防护结构稳定性的严重隐患。本试验中设计了两个错台高度，分别为2.5 cm错台和5 cm错台(对应模型尺寸分别为0.5 cm和1 cm)，来研究错台高度与陡槽底板上举力的量化关系。错台高度用Δ表示，陡槽水深用h表示，则相对错台高度δ可表示为：

δ=Δ/h

(2)

图3给出了错台高度对上举力的影响情况。纵坐标上举力比值为有错台时的陡槽底板上举力与无错台时的陡槽底板上举力之比。由图3可知，随着错台高度的增加，陡槽底板块上举力最大值有大幅度的增大，增幅高达1.17～2.26倍， 陡槽底板块上举力均方差随着错台高度的增加也有小的增幅，增幅仅为1%～74%；同时，随着相对错台高度的增加，陡槽底板块上举力标准差和上举力最大值均相应减小。分析其原因是由于陡槽中水流流态发生了变化引起的。大惯性的陡槽急流遇到错台阻挡后，首先给错台一个冲击作用，同时错台对水流施加反作用，促使水流转向，发生动量变化，造成水面局部迅速雍高，然后迅速跌落，如此对错台下方陡槽板块产生一个很大的冲击压力，从而导致上举力增大，而且错台越高，跌落时对底板的冲击压力越大，从而使上举力迅速增大。同时，随着流能比的增大，陡槽底板上的水垫深度增大，跌落到底板上的冲击力就相对减小，这就解释了实际工程在小流量的情况下陡槽底板屡屡发生破坏的原因。可见，错台对陡槽底板上举力的影响不容小觑，必须采取有效的措施确保板块的平整度以保证工程的安全。

图3 错台高度对上举力的影响Fig.3 The influence of the irregularity height on uplift force

3.3 上举力概率密度

概率密度分布函数的正态性是脉动压力幅值研究中的一个重要问题。上举力是作用在底板上下表面动水压力之差，有研究表明，上下表面动水压力基本符合正态分布，因此上举力也应该具有正态分布的特征，模型实测结果证明了这一点。图4为不同错台高度情况下上举力的概率密度图，从图4中可以看出， 脉动上举力基本符合正态分布；同时，错台高度对脉动上举力幅值的概率密度影响不大。

图4 上举力概率密度图Fig.4 The probability density of uplift force

3.4 板块尺寸对底板块上举力的影响

顺水流方向改变陡槽底板板块尺寸，文中对4种不同尺寸的陡槽底板进行了上举力试验，分别为8.75 m×14 m×1 m, 17.5 m×14 m×1 m, 26.25 m×14 m×1 m以及35 m×14 m×1 m。图5和图6分别给出了顺水流方向陡槽板块尺寸对陡槽底板上举力的影响情况。从图中可以得出，陡槽底板板块的上举力最大值与上举力均方差随着顺水流方向板块面积的增加，单位面积上举力最大值和均方差均相应减小。

图5 板块尺寸对上举力最大值影响Fig.5 The influence of the plate size on maximum uplift force

图6 板块尺寸对上举力均方差影响Fig.6 The influence of the plate size on mean square error of uplift force

图7为板块1上下表面的脉动压力瞬时相关系数。从图7中可以得出，板块上下表面点脉动压力相关系数随着板块面积的增大而增大。分析其原因，板块下表面脉动压力来源于上表面的脉动压力，上下表面脉动压力的瞬时互相关系数的大小体现了上下表面脉动压力的同步性好坏。陡槽底板上下表面脉动压力的同步性越好，则作用在底板上的合力就小，从而上举力就越小。

图7 板块上下表面点脉动压力相关系数Fig.7 Fluctuating pressure correlation coefficient

3.5 错台对上举力频谱特性影响

脉动压力的频率特性通常用自功率谱密度函数来表达，它反映了各测点脉动能量按频率的分布特性。图8给出了实测的不同相对错台高度情况下归一化的上举力功率谱图，其中横坐标为陡槽底板板块的脉动频率。从图8中可以得出，脉动能量主要集中在低频，具有明显的优势频率。脉动上举力的优势频率在0.01～0.2 Hz，明显小于板块的自振频率，由此可得出底板块不会发生共振破坏。同时陡槽底板板块脉动上举力的能量相对集中的频率范围均在0.2 Hz以下，表明各脉动上举力是由低频脉动压强产生的。此外，错台高度对上举力频谱特性影响不显著。

图8 上举力功率谱图Fig.8 The power spectrum of uplift force

4 结 语

通过模型试验结合理论分析，得到以下结论。

(1)陡槽底板上举力随着流能比的增大而增大；上举力最大值增长较快，均方差则增长较为缓慢。

(2)错台对底板上举力影响显著，底板上举力标准差和上举力最大值随着错台高度的增大而增大；底板块上举力标准差和上举力最大值随着相对错台高度的增大呈减小趋势。因此必须采取有效的措施确保板块的平整度以保证工程的安全。

(3)陡槽底板脉动上举力基本符合正态分布，脉动上举力是由低频脉动压强产生的，底板块不会发生共振破坏。

(4)陡槽板块面积越大，上举力越小。

□

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