水力結構新型纖維混凝土耗能器設計的邊界條件研究

李銘杰

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

0 引 言

在沿河流縱剖面坡度高程相差較大時，可以采用砌塊坡道結構形式，該結構具有許多優勢，如更好地融入景觀、保護河流上的沉積物控制機制。砌塊坡道通常用作魚梯[1]，也可以專門設計用于水庫的溢洪道尾水渠，在結構設計時要考慮砌塊承載力、動能耗散率等。在高度下降突變較大的地方水流會產生較大的動能，所以需要有效消散斜槽上水流的動能，卵石槽可以有效耗散能量，具備良好的能量耗散效率，可保護下游段河道。擋圍板也是專門設計用于水能量耗散的結構，可直接安裝在斜槽上。另外，還有激流控制條件下水流能量耗散效率的相關研究，如大型水壩的溢洪道大多設計為光滑的溜槽，溜槽末端設有一個高臺[2]。

當然，也有其他類型的消能結構形式，如河道下游是消力池或梯級溜槽或較小的階梯式溜槽。在特殊情況下，水壩消能池中的水躍所產生的能量耗散可能會帶來問題。因為溜槽涉及處理具有脈動壓力的高速水流，設計要求相對較高，所以使用的材料強度和穩定性非常重要[3]。纖維增強混凝土在水利工程中已經應用幾十年，比普通混凝土更能滿足對于結構強度的需求[4]。纖維混凝土應用的主要部分是高壓力高動能的水流所流過的區域，或者是泥沙所經過的區域。同時，纖維混凝土也用于需要縮小收縮裂縫和抑制混凝土變形的建筑。本文主要研究動能耗散效率的量化問題，分析由流水引起的脈動壓力引起的砌塊坡道結構的水動力荷載[5]。

1 砌塊坡道上的能量耗散

(1)

式中：d50為溜槽材料的平均粒度。

圖1 斜坡坡道圖

砌塊坡道上的水力損失取決于溜槽河床粗糙度(用曼寧系數表示)，可使用式(2)計算，該公式適用于取值范圍為0.1～0.4之間的坡度S：

n=0.029(d50S)0.147

(2)

式中：d50為塊體斜坡的平均粒度，mm。

本文進行的研究試驗，驗證了混凝土砌塊坡道的高能量耗散性。圖2為斜坡河床的橫截面，該結構適用于大型縱向河床邊坡和大壩溢洪道尾水渠。斜坡河床的尺寸為0.64～1.28 m，嵌入混凝土中的深度為其深度的1/2。因此，卵石平均尺寸d50=0.96m，突出卵石的平均高度h50=0.48m。試驗還采用一個備選方案，即突出卵石的平均高度h50=0.24m，以及一個光滑的混凝土溜槽。在前面的方案h50=0.48m的空隙中澆筑混凝土后，設計了突出卵石高度h50=0.24m的備選方案。

圖2 砌塊坡道橫截面

試驗是在比例為1:20的水力模型上進行的，實際工程案例的其他坡道參數如下：河床坡度S=0.21，溜槽長度L=56m，溜槽高度H=11.7m，溜槽寬度b=15m。試驗溜槽將用作水庫的側槽尾水渠，試驗驗證了Q20至Q10000的不同排水量之間的關系。Q與q=1.7～7.1 m2.s-1到q=1.7之間的溜槽中的特定排放率是有一定比例關系的。Q10000流量是最大流量，同時可以用于驗證大壩在洪水中的安全性。圖3為實驗室水力模型的照片，比例為1:20。

圖3 砌塊坡道比例模型(1:20)

本試驗對圖1中的1號剖面斜槽末端的深度和速度值的評估值進行了計算，并將結果與數學模型進行比較，數學模型采用超臨界流態下標準剖面法計算的溜槽水位圖。為保證在1號剖面的溜槽端部達到均勻流，必須進行給定溜槽長度情況下達到均勻流的深度計算。圖4為溜槽上的相對能量耗散ΔEr與相對高度hk/H的關系，同時將溜槽上的計算能量耗散模式與比例模型上的測量值進行了比較。

圖4 相對能量耗散ΔEr與相對深度hk/H關系圖

由圖4可知，混凝土溜槽光滑表面的相對能量耗散最低，隨著相對深度hk/H的增加，其迅速趨近零。增大相對深度臨界深度hk/H可以通過升高hk或減小斜槽高度H的方式。恒定坡度S下的下降斜槽高度對應于較短的溜槽長度。圖4顯示了光滑混凝土溜槽和由突出高度h50=0.48m混凝土卵石制成的溜槽的相對能量耗散模式非常一致。對于突出卵石高度h50=0.24m，能量耗散比通過計算獲得的低約10%。這種情況可能是由于根據式(2)得出的河床粗糙度n取決于d50值，該值由卵石之間的間隙深度代替。對于半嵌入混凝土中卵石的替代方案，根據測量結果，該假設仍然適用，但對于嵌入混凝土高度為3/4卵石高度的方案，實際溜槽粗糙度低于計算值。該方案會使河道更光滑，所以會降低溜槽的能量耗散率。

2 砌塊坡道的水動力載荷

(3)

式中：P′為脈動壓力分量；A為規定合成壓縮力的定義區域。

在水利工程平板結構穩定性評估中，根據向上靜水壓力產生的提升阻力，每個定義區域的合成壓縮力的量化非常重要。對消力池底板的水動力荷載可以通過兩種方法進行量化：第一種方法是在與其他部分分離的部分結構中直接測量壓縮力(如通過傳感器)，也可在實驗室條件下用實驗裝置測量這種效應。第二種方法是基于對負載區域上測量的壓力脈動性的統計評估，以及對即時脈動空間相關性的量化。

在砌塊坡道水力模型上安裝12個壓力傳感器，傳感器監測在T=1h內的脈沖壓力，采集頻率為1Hz。對單個傳感器中的脈動壓力進行標準化，公式如下：

(4)

標準化壓力值顯示了高斯概率分布的概率特征，偏度偏差很低，峰度偏差超過3。對試驗中的3種溜槽床粗糙度值和一組測試流量值進行了分析。通過改變水流量(水流量分別取Q100、Q1000和Q10000)，測試泄槽在發生洪水時的性能。與上述水流量對應的具體流量為q=2.9、5.4、7.1 m2.s-1。圖5為標準化壓力脈動y的Q-Q圖(正態概率圖)。

圖5 溜槽床粗糙度值和3種排放情況標準化壓力脈動Q-Q圖

在圖5中，標準化壓力脈動繪制在X軸上，標準隨機變量對應的z分數繪制在Y軸上。根據圖5可知，壓力脈動顯示了高斯概率分布，最大壓力脈動值可以達到公式定義的RMS(均方根)值的4倍，公式如下：

(5)

RMS值取決于溜槽床的粗糙度和輸送的排放率。在溢洪道泄槽的案例研究中，對這種關系進行了分析。在輸送不同比流量q(m2.s-1)時，通過水力模型讀取3個河床所有粗糙度值下的壓力脈動監測值，見圖6。從圖6可知，在光滑河床的情況下，RMS值取最低值，隨著流量的增加，該值略有增加。當嵌在混凝土中的卵石為d50=0.96m時，深度為其深度的1/2(間隙深度h50=0.48m)，此時RMS的最大值隨著流量的增加而顯著增長。在這種情況下，壓力脈動可能達到RMS值的4倍，即約為水頭(16 kPa)的1.6m，見圖7。在平均壓力或泄槽水深較低的情況下，混凝土結構表面的總壓力值可能會低于大氣壓力。這種現象會連續引發混凝土表面的氣蝕風險，從而縮短其生命周期。針對這種情況，一種有效的預防措施是用纖維混凝土加固溜槽的混凝土部分。

圖6 RMS壓力脈動與特定排量和槽床粗糙度的關系

圖7 流量Q10000(q=7m2.s-1)時砌塊坡道上的脈動壓力分布(砌塊之間的平均間隙深度h50=0.48m)

3 結 論

1)在沿河流縱斷面坡度的高跨越河道輸送水時，采用砌塊坡道是一種非常有效的技術解決方案，可以保護自然景觀、生物棲息地等。

2)砌塊坡道具有良好的能量耗散效率，有利于相鄰河流段的襯砌穩定性。

3)溜槽的粗糙度越大，能量耗散越高，溜槽河床遭受的脈動壓力的水動力載荷也越大。

4)結果表明，脈動壓力具有高斯概率分布，最大壓力脈動值達到RMS(均方根)值的4倍。

5)本研究推導了溜槽粗糙度和比流量的RMS關系，可用于確定纖維混凝土制成的溜槽表面的尺寸。