水墊塘底板穩(wěn)定水力要素的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

張 康，牧振偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 sk高拱壩水墊塘穩(wěn)定性的研究

1.1 開展水墊塘底板穩(wěn)定研究的意義

拱壩是一種比較經(jīng)濟(jì)和整體安全度較高的壩型，適宜在巖基條件良好的峽谷修建。當(dāng)泄量較大時(shí)，拱壩水流徑向集中情況較突出。就拱壩而言，在下游一定距離內(nèi)設(shè)二道壩加高水位形成水墊的塘壩結(jié)合方式，是高拱壩工程常采用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)較為合理的消能方式[1]。而泄流時(shí)水墊塘底板的失穩(wěn)則意味著水墊塘整體受到損害，從而對(duì)壩體安全產(chǎn)生影響，因此對(duì)泄流時(shí)水墊塘底板穩(wěn)定性進(jìn)行研究很有意義。

1.2 水墊塘底板穩(wěn)定的控制要素

從塘內(nèi)水力要素分析水墊塘底板的穩(wěn)定性：水舌所攜帶的流量和流速越大，下游水墊越薄，板上表面壓強(qiáng)減低越多，更易失穩(wěn)。塘內(nèi)底板表面的沖擊壓力P作為水墊塘泄洪消能和底板穩(wěn)定設(shè)計(jì)的控指標(biāo)[2]有其合理性，P越小，底板越不易破壞[3]。在泄量Q和落差H一定的情況下，減小P的途徑可采用如分層、窄縫[4]出流、縱向橫向擴(kuò)散、水舌空中碰撞分散水流等措施減少水流的集中程度[5]，這些在工程中都可以實(shí)現(xiàn)。

1.3 sk高拱壩水墊塘穩(wěn)定性的研究

本次研究擬通過模型試驗(yàn)[6]和數(shù)值模擬兩種方式進(jìn)行sk高拱壩水墊塘穩(wěn)定性的研究。其中，模型試驗(yàn)擬從泄水建筑出口體型優(yōu)化[7]的角度對(duì)影響水墊塘底板穩(wěn)定的水力要素沖擊壓力P進(jìn)行分析，然后通過數(shù)值模擬，對(duì)水墊塘底板壓力分布、失穩(wěn)位置、沖擊壓力的允許值進(jìn)行研究，與模型試驗(yàn)相互補(bǔ)充印證。

2 泄水建筑出口體型優(yōu)化的模型試驗(yàn)研究

2.1 泄水建筑出口體型優(yōu)化影響分析

從泄水建筑物出口體型式優(yōu)化的角度對(duì)影響塘內(nèi)底板穩(wěn)定性的水力要素沖擊壓力P進(jìn)行分析。

2.1.1 表、深孔出口體型優(yōu)化方案的擬定

從增強(qiáng)水流縱橫向擴(kuò)散的角度，擬定4個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行分析。見表1。

表1 表孔、深孔出口體型優(yōu)化方案

2.1.2 底板穩(wěn)定性水力要素沖擊壓力P分析

1) 壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)位置。測(cè)壓點(diǎn)的位置見圖1，主要位置樁號(hào)見表2。

圖1 消能塘壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)位置圖

測(cè)點(diǎn)號(hào)樁號(hào) /m高程 /m測(cè)點(diǎn)號(hào)樁號(hào) /m高程 /m1314151617181920212223242526270+065.0000+065.0000+065.0000+065.0000+075.0000+075.0000+075.0000+075.0000+085.0000+085.0000+085.0000+085.0000+095.0000+095.0000+095.000563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000563.000 563.000 563.000 2829303132333435363738394041420+095.0000+105.0000+105.0000+105.0000+105.0000+115.0000+115.0000+115.0000+115.0000+131.5000+131.5000+131.5000+131.5000+141.5000+141.500563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000 563.000

2) 壓強(qiáng)對(duì)比分析。對(duì)水墊塘各測(cè)點(diǎn)的壓力統(tǒng)計(jì)分析，將其中最大值出現(xiàn)的位置及數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，見表3和圖2。

表3 不同表深孔孔口型式對(duì)應(yīng)水墊塘最大壓強(qiáng)及位置對(duì)比表

圖2 不同表深孔孔口型式最大壓強(qiáng)對(duì)比

2.2 泄水建筑出口體型優(yōu)化影響分析結(jié)論

由表3和圖2分析可知：

1) 隨著上游水位的增加，僅調(diào)整挑角并不能明顯減少挑射水流對(duì)地板的沖擊壓力，而表、深孔水舌縱橫向擴(kuò)散，減小了對(duì)塘內(nèi)底板的沖擊力，底板壓力降低近50%，出口體型的優(yōu)化對(duì)減小消能塘底板壓力具有明顯效果。

2) 在638 m水位時(shí)，泄流主要集中在深孔。當(dāng)深孔出口采用斜挑坎型式時(shí)，塘內(nèi)22#測(cè)點(diǎn)壓力值最大，當(dāng)其進(jìn)一步優(yōu)化為對(duì)稱收縮型式時(shí)，挑距增加，塘內(nèi)38#測(cè)點(diǎn)壓力值最大，最不利板出現(xiàn)的位置均位于水舌落點(diǎn)之后。

3) 在646、643.73和647.21 m水位時(shí)，泄流主要集中在表孔。塘內(nèi)位于中心線偏左15#測(cè)點(diǎn)壓力值最大，這是由于表、底孔聯(lián)合泄洪，位于右岸的深孔在泄流時(shí)一定程度上抵消了表孔泄流對(duì)于底板的沖擊作用，最不利板出現(xiàn)的位置仍位于水舌落點(diǎn)之后。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

模型試驗(yàn)主要是針對(duì)水力要素沖擊壓力P的分析，進(jìn)而對(duì)底板穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，而數(shù)模則是針對(duì)物模中孔口優(yōu)化體型四方案，進(jìn)一步通過數(shù)值模擬對(duì)塘內(nèi)底板壓力分布及允許值、失穩(wěn)位置進(jìn)行研究。

采用軟件CATIA按照1∶1建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，根據(jù)模擬部位的重要性，網(wǎng)格最大尺寸為2 m，最小網(wǎng)格尺寸為0.3 m，一共有約200萬(wàn)個(gè)有效計(jì)算單元。采用FLOW-3D軟件[8]進(jìn)行計(jì)算，上游進(jìn)水口設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界條件，根據(jù)工況不同設(shè)定上游水深；下游出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，并根據(jù)工況不同給定下游水深；水墊塘模型底部和兩側(cè)設(shè)置為wall邊界條件，模型頂部設(shè)置為空氣進(jìn)口邊界條件。數(shù)值模型的收斂判據(jù)主要有兩條：①塘內(nèi)水流流速基本穩(wěn)定；②水墊塘進(jìn)出口流量差值在5%以內(nèi)。

3.2 塘內(nèi)底板壓力分布

由模型試驗(yàn)成果，順?biāo)鞣较蛱羶?nèi)最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)闃短?hào)0+055～0+085。為便于研究，數(shù)模只在塘內(nèi)關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為保證分析的可對(duì)比性，數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)與模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)名稱及位置均相同。不同工況下，塘內(nèi)水舌落點(diǎn)處沖擊壓力見表4。

表4 不同工況下塘內(nèi)水舌落點(diǎn)處沖擊壓力匯總表

續(xù)表4

由表4分析可知，隨著上游水位的增加，水舌落點(diǎn)的沖擊流速以及沖擊壓力平均值也隨之增加，本次研究工況下，沖擊流速范圍為28.04～31.08 m/s，沖擊壓力范圍為29.54×9.81～36.28×9.81 kPa。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于拱壩水墊塘底板設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)為動(dòng)水壓力允許值，其取值范圍為(10～15)×9.81 kPa[9-10]，換算為沖擊流速約為20 m/s。本文的計(jì)算值遠(yuǎn)大于相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的允許值，而本文所依托的工程已完建多年，目前運(yùn)行良好。集合國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，造成塘內(nèi)底板失穩(wěn)破壞的主要原因是脈動(dòng)上舉力，而水舌落點(diǎn)處底板所承受的沖擊動(dòng)水壓力對(duì)底板穩(wěn)定性反而有一定貢獻(xiàn)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外拱壩底板失穩(wěn)的相關(guān)案例，并結(jié)合本次研究成果以及依托工程的運(yùn)行情況認(rèn)為，現(xiàn)行規(guī)范采用沖擊動(dòng)水壓力允許值作為拱壩水墊塘底板設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)值得進(jìn)一步研究。

3.3 水墊塘底板失穩(wěn)位置分析

9號(hào)、13號(hào)、17號(hào)、21號(hào)測(cè)點(diǎn)位于水墊塘右岸，12號(hào)、16號(hào)、20號(hào)、24號(hào)測(cè)點(diǎn)位于水墊塘左岸，其余測(cè)點(diǎn)平均分布于水墊塘中間部位。各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)見表5。

表5 各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表5

由表5可知，各不同工況下，位于左岸測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)平均值分別為2.20、2.17、1.42和1.73；與之對(duì)應(yīng)位于右岸測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)平均值分別為2.28、2.23、1.55和1.78，位于右岸測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)均大于位于左岸測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)約 5%。這是由于表、底孔聯(lián)合泄洪，位于右岸的底孔在泄流時(shí)一定程度上抵消了表孔泄流對(duì)于底板的沖擊作用，而位于中間位置的各測(cè)點(diǎn)受湍流影響穩(wěn)定系數(shù)無明顯規(guī)律。

本次數(shù)值模擬的主要分析區(qū)域?yàn)樗嘀苯幼饔玫臎_擊區(qū)及水舌落點(diǎn)上游、下游水躍漩滾區(qū)。對(duì)表5所列穩(wěn)定系數(shù)從順?biāo)鞣较蚍治隹芍S著上游水位的增加，水舌落點(diǎn)逐漸向下游偏移，位于漩滾區(qū)的底板受摻氣水流、折沖等因素的影響，脈動(dòng)上舉力最大，底板最容易失穩(wěn)。模擬的計(jì)算結(jié)果表明，最不利板出現(xiàn)的位置均為水舌落點(diǎn)之后。

4 結(jié) 論

本文以已實(shí)施sk拱壩為研究背景，通過模型試驗(yàn)從泄水建筑出口體型優(yōu)化的角度對(duì)影響水墊塘底板穩(wěn)定的水力要素沖擊壓力P進(jìn)行分析，得出通過優(yōu)化泄水建筑出口體型，可以使入射水舌在空間更加分散，從而達(dá)到減小消能塘底板壓力的效果的結(jié)論。同時(shí)提出出口體型優(yōu)化效果比僅挑角優(yōu)化能更加有效降低水墊塘內(nèi)壓力，并通過數(shù)值模擬對(duì)水墊塘底板壓力分布及允許值、失穩(wěn)位置進(jìn)行研究。物模試驗(yàn)和數(shù)模分析均表明，最不利板通常位于水舌落點(diǎn)之后，由于表、底孔全開聯(lián)合泄洪，底孔泄流時(shí)在一定程度上抵消了表孔泄流對(duì)于底板的沖擊作用。

模型試驗(yàn)直觀的體現(xiàn)了泄水建筑物泄洪時(shí)互相之間影響效果，數(shù)值模擬從時(shí)間累計(jì)的角度對(duì)水墊塘內(nèi)的壓力分布及流速進(jìn)行分析，二者互為補(bǔ)充，相互印證，得到一致的結(jié)論，可供工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行參考。