某枢纽工程联合水垫塘不同运行工况上举力变化规律研究

罗昌辉

(新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

某枢纽工程位于叶尔羌河山区河段下游，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。水库总库容22. 45×108m3，最大坝高164.8 m，最大下泄流量6 700 m3/s。

高坝泄洪消能方式中，挑流消能方式因工程量小、结构简单、施工方便、耗资省等优点而应用最多[1-2]，高坝泄洪水舌落入水垫塘，在护坦上出现形成淹没冲击射流。由于射流的卷吸作用，射流流速沿程衰减，水垫起到消能作用。但是，冲击射流到达边壁时，尚具有一定的流速，故产生冲击压强。由于水垫塘底板衬砌块之间存在施工缝及与基岩间有接触缝，在高速冲击射流的作用下，动水压强不仅作用于底板上表面，也通过缝隙传到底板的下表面。水垫塘底板块所受上举力定义为上下表面动水压力之差。

李树宁等[3]对某水电站溢洪道陡槽底板的稳定性进行试验研究，分析了溢洪道陡槽底板的上举力特性。辜晋德和练继建[4]利用BP人工神经网络的非线性映射功能构建一个上举力预测系统，具有较好的预测效果。侯庆国[5]根据某工程反拱型水垫塘的模型试验，阐明上举力的横向分布规律和上举力随下游水垫深度不同而变化的规律。马斌等[6]通过模型试验对带键槽的透水底板进行研究。

基于此，笔者通过模型试验，研究跌坎消力池在不同运行工况下单位面积最大上举力随着位置不同的变化规律，以期为计算板块稳定所需要的锚固力提供设计依据。

2 上举力传感器布置及监测

本文在前期模型试验的基础上[7]，沿水垫塘底板布置两列(分别定义为A列、B列)上举力传感器，每列7个共计14个上举力传感器，板块及传感器布置见图1，各传感器对应的桩号见表1，板块尺寸为10 m×10 m×3 m。消力池底板上举力通过仪器进行测量，具体测量方法见图2-图3，运行工况见表2。

表1 上举力传感器及其桩号

图1 水垫塘底板板块及上举力传感器布置

图2 上举力传感器安装

图3 上举力测试框图

工况泄洪运行组合上游水位 /m下游水位 /m工况11#表孔、2#表孔、中孔全开1 819.201 667.26工况21#表孔、中孔全开1 820.991 666.45工况31#表孔、2#表孔全开1 820.991 666.42工况41#表孔、2#表孔、中孔全开1 819.861 667.38工况51#表孔、2#表孔、中孔全开1 820.991 667.61工况61#表孔、2#表孔、中孔全开1 821.651 667.74工况71#表孔、2#表孔、中孔全开1 823.641 668.10工况81#表孔、2#表孔全开1 823.231 667.01

3 各工况下上举力和测点桩号之间的变化规律

为研究在不同运行工况下，不同位置上举力的变化规律，将模型试验中仪器监测到的A列、B列单位面积上举力值绘制于图4-图19。图4-图19中，时均上举力和脉动上举力用来复核最大上举力的变化趋势。

图4 工况1A列上举力随桩号变化规律

图5 工况1B列上举力随桩号变化规律

图6 工况2A列上举力随桩号变化规律

图7 工况2B列上举力随桩号变化规律

图8 工况3A列上举力随桩号变化规律

图9 工况3B列上举力随桩号变化规律

图10 工况4A列上举力随桩号变化规律

图11 工况4B列上举力随桩号变化规律

图12 工况5A列上举力随桩号变化规律

图13 工况5B列上举力随桩号变化规律

图14 工况6A列上举力随桩号变化规律

图15 工况6B列上举力随桩号变化规律

图16 工况7A列上举力随桩号变化规律

图18 工况8A列上举力随桩号变化规律

图19 工况8B列上举力随桩号变化规律

分析图4-图19可知，工况1中A列和B列单位面积最大上举力分别为16.186×9.8和12.531×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况2中A列和B列单位面积最大上举力分别为26.211×9.8和15.649×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况3中A列和B列单位面积最大上举力分别为18.745×9.8和4.000×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+673.740”；工况4中A列和B列单位面积最大上举力分别为19.558×9.8和11.898×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况5中A列和B列单位面积最大上举力分别为20.938×9.8和12.792×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况6中A列和B列单位面积最大上举力分别为20.710×9.8和13.101×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况7中A列和B列单位面积最大上举力分别为20.651×9.8和13.554×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+713.740”；工况8中A列和B列单位面积最大上举力分别为21.273×9.8和4.018×9.8 kN/m2，桩号分别为“中0+718.740”和 “中0+673.740”。图4-图19中，时均上举力和脉动上举力变化趋势与最大上举力的变化趋势几乎一致，说明试验结果较为合理。综合上述各工况实验结果可知，A列、B列中单位面积上举力最大值发生在约0.83倍水垫塘长度处。

为进一步分析不同工况下，水垫塘底板上举力随着桩号变化规律，将各工况下水垫塘底板单位面积最大上举力与不同桩号之间的变化规律绘制于图20。

图20 各工况下单位面积最大上举力随桩号变化规律

分析图20可知，工况1、4、5、6、7为1#表孔、2#表孔、中孔全开的情况，单位面积上举力分布趋势一致，上举力基本随上游水位的增大而增大。A列上举力的变化幅度明显大于B列上举力。A列的最大上举力在桩号“中0+718.740”处达到最大，为21.273×9.8 kN/m2；B列的最大上举力在桩号“中0+713.740”处达到最大，为13.554×9.8 kN/m2。工况2、3、8为泄水建筑物不对称开启工况，A列单位面积最大上举力的分布趋势一致，在桩号“中0+718.740”处达到最大，其单位面积最大上举力达到26.211×9.8 kN/m2。

综合所有工况，桩号“中0+718.740”附近板块所承受的上举力最大，中线附近板块承受的最大上举力大于两侧，从而为计算板块稳定所需要的锚固力提供依据。若需减小这一锚固力，可采取必要措施增加水垫塘水垫深度，降低上举力。如在水垫塘尾部增设尾坎、降低水垫塘底板或二者组合，都可以有效增加水垫塘水垫深度，减小上举力。

4 结 论

本文借助前期模型试验，对水垫塘上举力变化规律进行研究，对1#表孔、2#表孔和中孔不同开启方式和下泄流量共计8个工况和不同位置处的单位面积上举力进行分析。结果表明，工况2时，单位面积上举力最大，且发生在距水垫塘进口100 m处，为设计底板锚固力提供依据。