人工水墊塘在土石壩工程中的應用

曹彥虎，楊璐暢

（1.新疆兵團勘測設計院集團股份有限公司陜西分公司,陜西 西安 710000；2.山東省長清黃河河務局,山東濟南 250000）

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程位于河口出山口上游基巖出露的丘陵狹谷區,河谷形態多呈“U”型,該水利樞紐工程主要由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪洞、引水發電洞、表孔溢洪洞、電站廠房等建筑物組成。其中設置的人工水墊塘主要用于表孔溢洪洞的末端消能,表空溢洪道布置在左壩肩處,隧洞軸線與壩軸線夾角為91°。挑流鼻坎下設寬20 m,長50 m,深6 m鋼筋砼水墊塘。水墊塘后接270 m泄洪渠,將洪水宣泄至下游河道。

2 水墊塘布置

根據項目區地形情況,表空溢洪洞出口為一天然沖溝,沖溝與隧洞出口底高程的落差約11.5 m,沖溝最大寬度為50 m,兩側為巖質山體,且走向基本與洞軸線垂直,若采用底流式消能,存在兩個主要問題,一是沖溝寬度有限,設置“陡坡+消力池”進行一級消能時長度不足,且對岸岸坡為巖質山體,不便進行大規模的開挖；二是沖溝走向與洞軸線基本呈垂直狀態,水流處消力池后要經過90°折角才能下泄到下游河道,水流流態差。鑒于地形條件的制約,考慮采用“差動式挑流+人工水墊塘”的方式進行表孔溢洪洞的一級消能。布置見圖1。

圖1 水墊塘平面布置示意圖

人工水墊塘水利設計的要點主要有兩個：一是水流挑距的確定,即確定水墊塘的長度；二是水墊塘容積的確定,即保障消能的效率。

2.1 水舌挑距的確定

對于水舌的確定,在項目建議及可研階段一般通過理論公式計算,結合工程類別確定,在項目初步設計階段多用模型實驗的方式加以驗證。《混凝土拱壩設計規范》[1]中對水流挑距的計算給出了經驗公式,即：

計算結果見表1。

表1 水舌挑距計算成果表

在經驗公式計算的基礎上,通過模型實驗對計算結果進行驗證,模型實驗成果見表2。

表2 模型實驗水舌挑距成果統計表

通過上述成果可以看出,模型實驗的水舌挑距明顯小于規范公式計算值,約為計算值的58%～62%之間,最大差值接近26 m。無論是經驗公式計算還是模型實驗結果,均隨著下泄流量的增大,水舌挑距在增大。因此下泄流量一旦超過限制,水流將會直接沖出水墊塘。

2.2 水墊塘有效容積的確定

對于人工水墊塘容積需求的計算,規范里沒有明確的說明。吳鵬等在《高頭泄水建筑差動式挑流消能研究》[2]中給出了消能所需水體體積的估算公式,即：

式中：T為水墊深度,包括尾水和沖坑深度,m。

根據上述公式,計算結果見表3。

表3 水舌挑距及消能所需水體體積計算表

考慮到現場實際地形條件的限制,在模型實驗的基礎上,確定水墊塘的設計尺寸為50 m×20 m×6 m。根據設計尺寸,水墊塘有效容積為6000 m3,遠大于理論計算值,從模型實驗的效能效果上看,水舌在水墊塘內消能比較充分。水流在水墊塘中的流態見圖2。

圖2 水流在水墊塘中的流態

3 水墊塘抗浮穩定計算

《混凝土拱壩設計規范》[1]中指出,人工水墊塘的空間布置、結構型式以及混凝土底板穩定條件的確定,是挑流、跌流消能工況設計的關鍵內容。水墊塘水深和板塊穩定設計的控制性指標為（10～15）×9.8 kPa。

3.1 經驗公式計算方法

研究表明,導致水墊塘底板失穩的主要荷載是脈動上舉力,因此水墊塘板塊穩定分析的關鍵在于確定脈動壓力的分布范圖。《水工建筑物荷載設計規范》[3]給出的脈動壓力公式如下：

脈動壓強計算公式如下：

3.2 模型實驗研究成果

動水脈動壓力測點位置根據各試驗工況水舌入水范圍綜合確定,具體位置見圖3。

圖3 水墊塘底板與側壁動水壓力測點布置示意圖

根據各工況條件下水墊塘底板各測點動水壓力時程曲線以及各工況條件下水墊塘側壁動水壓力時程曲線。從瞬時壓力時程曲線來看,測點1的壓力波動最小,其他測點在不同的工況下趨勢差異相對明顯。

不同負荷條件下,各測點動水壓力時均值、均方差統計結果見表4,圖4為底板與側壁各測點動水壓力統計值對比圖,圖5為水墊塘底板上動水壓力最大時均值、最大均方差與泄流的關系。圖、表中各特征量均已換算為原型值。

表4 消能防沖工況脈動壓力統計值（原型值）

圖4 水墊塘形體示意圖

圖5 鍵槽大樣圖

3.3 水墊塘抗浮穩定計算

根據《水工建筑物水流壓力脈動和流激振動模型試驗規程》[4]的規定,水墊塘底板動水壓力均方差（即脈動壓力的均方根）表征了壓力脈動強度的大小。

水墊塘底板的抗浮穩定基本計算公式如下：

將模型實驗給出的計算結果帶入穩定計算公式,并和經驗公式計算的結果進行對比,計算結果見表5。

表5 抗浮穩定計算

從上述計算的結果可以看出：

（1）脈動壓力的經驗公式計算值均大于模型實驗實測值,計算值約為實測值的1.26～1.55倍。

（2）由于特殊組合為放空檢修狀態,不受脈動壓力的影響,因此特殊組合情況下各工況的安全系數值均相等,為定值。

（3）脈動壓力實測值對應的安全系數均大于脈動壓力計算值對應的安全系數,再次說明脈動壓力對底板的穩定起了決定性的作用,是決定水墊塘底板穩定的關鍵因素。

（4）在基本組合中,無論是脈動壓力實測值對應的安全系數,還是脈動壓力計算值所對應的安全系數,隨著下泄流量的增大而減小。當下泄流量超過一定限制后,水墊塘必然會發生破壞。

通過計算及模型實驗成果,最終確定的水墊塘形體見圖4。

3.4 構造措施

針對本工程的實際情況,在理論計算和模型實驗的基礎上,采取以下措施,進一步保障工程在設計上安全可靠。

（1）合理確定板塊分塊面積,盡量加大底板面積。根據本項目實際,底板最大塊分塊面積為10 m×11.5 m,最小板塊為10 m×8.5 m。封縫處采用高壓閉孔板填縫,上側為10 cm雙組份聚硫密封膏封縫。

（2）底板縱橫縫貫通布置,不設置錯縫。

（3）縫間設置651止水帶止水,防止動水壓力進入底板下部。

（4）底板順水流方向的縫間設置鍵槽,使得底板間互相作用,鍵槽大樣見圖5。

（5）在水墊塘底板設置φ28砂漿錨桿錨固,錨桿長9.00 m,伸入基礎7.00 m,錨筋伸入底板2.00 m,伸入底板部分末端需折成90°彎鉤,且與底板鋼筋焊接。

（6）板塊澆筑時要求連續澆筑,杜絕出現層間冷縫,嚴格控制澆筑質量,加強養護,避免出現板塊裂縫,保障板塊的整體性。

（7）加強安全監測,對破損的區域及時修補,防止產生更大的破壞。

4 結語

較為常用的水利消能設施主要有兩類,一類是底流消能,另一類是挑流消能。水墊塘是拱壩挑流消能的主要設施,在工程中應用廣泛,但對于土石壩等壩型中,水墊塘消能運用的較少。由于受地形地質條件的制約,本文通過水力計算結合模型實驗的方式,對砂礫石地基上人工水墊塘的應用做了初步的探索。在綜合前人研究經驗的基礎上,對水墊塘設置了一些構造措施,進一步保障了結構運行的安全。由于缺乏實驗資料及相關經驗公式,本文對地基有效重度的分析較為簡單,相信隨著工程技術的不斷發展和實際工程設計的需要,人工水墊塘在土石壩消能中會得到廣泛應用。