陳 亮,盧 亮,張 瑩

(1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810000;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

反拱形水墊塘結(jié)構(gòu)在拉西瓦水電站上的研究與應(yīng)用

陳 亮1,盧 亮2,張 瑩2

(1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810000;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

通過自行設(shè)計的拉西瓦水電站反拱型水墊塘模型,并通過在模型底板上鋪設(shè)脈動壓力傳感器和流速傳感器的方法,研究了在不同的上下游水位時反拱形水墊塘的動水荷載特性。研究表明:脈動壓強(qiáng)的概率密度曲線與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律,最大流速發(fā)生在水舌沖擊點下游的壁射流區(qū),其結(jié)果可為反拱形水墊塘的設(shè)計與施工提供參考。

水墊塘;反拱形;拉西瓦;傳感器

1 工程概況與研究現(xiàn)狀

拉西瓦水電站位于青海省貴德縣及貴南縣交界處,是黃河上游龍羊峽—青銅峽河段的第二個大型梯級電站,該電站消能區(qū)采用水墊塘形式集中消能,反拱水墊塘在國內(nèi)250 m級高拱壩首次采用,雖然國內(nèi)在建或擬建的高拱壩壩后水墊塘如小灣、構(gòu)皮灘、溪洛渡、錦屏一級等水電站均進(jìn)行了反拱型水墊塘研究,但這些工程因其各自的地形、地質(zhì)和其它原因沒有采用或目前還處在論證階段。與同類工程相比,拉西瓦水電站水墊塘短、下游水深淺、單位水體的消能率較大。本次試驗通過自行設(shè)計的水墊塘模型,通過在水墊塘模型底板上安裝傳感器的方法,研究水墊塘底板上的脈動壓強(qiáng)和流速分布情況,對不同工況下的反拱水墊塘的動水荷載特性做細(xì)致的研究,為施工設(shè)計提供理論支持。

關(guān)于水墊塘的研究與應(yīng)用,在我國已有幾十年的時間,呂陽泉[1]用熱膜流速儀在比尺為1∶380的精細(xì)模型上量測了拱壩挑跌流在水墊塘內(nèi)的流速場,研究表明,要想提高水墊塘的消能效率,就必須設(shè)法增大強(qiáng)紊動剪切層區(qū)的范圍;王常讓[2]考慮采用部分混凝土襯砌水墊塘和不襯砌水墊塘預(yù)挖沖刷坑加二道壩的消能防沖布置方案,并對以上兩種方案可行性進(jìn)行了初步探討;鄭春城[3]通過消能方案優(yōu)化及模型試驗研究,確定了多級消力坎消能優(yōu)化方案。關(guān)于反拱形水墊塘在我國也有不少研究;孫健[4]分析了平底水墊塘和反拱水墊塘的穩(wěn)定性原理,論證了反拱水墊塘底板具有超載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點;侯慶國[5]分析了水墊塘反拱形底板拱端推力的影響因素,擬合出反拱形底板拱端推力的經(jīng)驗公式;馬斌[6]的研究也表明,反拱型底板具有較好的受力條件,其穩(wěn)定性能夠得到保證;王繼敏[7]對長潭崗水電站反拱型水墊塘的動水荷載、底板揚(yáng)壓力、錨固鋼筋應(yīng)力、拱端推力等進(jìn)行了原體觀測,結(jié)果表明反拱型水墊塘可較好地協(xié)調(diào)地形、結(jié)構(gòu)和水流條件,曲線形狀可使水流平順。常云華[8]以實際工程高拱壩水墊塘底板穩(wěn)定性研究為背景,分析了底板上舉力的分布規(guī)律,給出了最大上舉力經(jīng)驗公式。

2 試驗研究

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

水墊塘全長約218.27 m。從拱壩下游～壩下0+055.40 m為梯形斷面;壩下0+055.40 m～壩下0+240.0 m為反拱形水墊塘,等寬布置。反拱內(nèi)半徑60.5 m,底板最低點高程2 214.5 m;底板及兩岸邊坡高程2 265.0 m以下均采用鋼筋混凝土襯砌?；炷炼缐挝挥趬魏?40.00 m處,最大壩高31.5 m,二道壩后設(shè)混凝土護(hù)坦,長30 m。另外對抽排水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,原設(shè)計水墊塘有7條橫向排水廊道,三條縱向排水廊道,優(yōu)化后水墊塘底板下無橫向排水廊道,僅在水墊塘上游和二道壩內(nèi)分別設(shè)一橫向排水廊道;優(yōu)化后的三條縱向排水廊道,其中兩側(cè)縱向廊道由水墊塘底部移到拱座內(nèi),并抬高了5 m左右。

該模型比尺為1∶100。本次試驗采用水彈性模型試驗為主,數(shù)值計算為輔的綜合方法進(jìn)行研究。通過水彈性模型試驗研究新型水墊塘水力學(xué)問題及水動力學(xué)問題。

2.2 傳感器的布置

2.2.1 脈動壓力傳感器布置

本次試驗在水墊塘底板上共布置42個脈動壓力傳感器,其分布圖如圖1所示。

脈動壓強(qiáng)測量采用中國水利水電科學(xué)研究院的DJ800采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,測試框圖見圖2。

圖1 脈動壓力傳感器布置(單位:m)

圖2 脈動壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與分析框圖

2.2.2 水墊塘臨底流速測點布置

本次試驗在水墊塘底板上共布置40個流速測點,見圖3。

臨底流速采用自制畢托管測量,其裝置如圖4。

在難以事先判斷流速方向的測點上,安裝兩個方向相反的動壓管,取其與靜壓管讀數(shù)差,大者為該點的流速測量值并判別其方向。

圖3 水墊塘臨底流速測點布置(單位:m)

圖4 臨底流速測量裝置(自制畢托管)

3 試驗結(jié)果及分析

為研究不同工況下的反拱形水墊塘的動水荷載特性,本次試驗共進(jìn)行了9種工況下的測試,各工況下的上下游水位如表1所示。其中工況1為表、深聯(lián)合泄洪校核洪水位,工況2為表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計洪水位。

表1 各工況下的上下游水位變化

3.1 水墊塘底板上表面脈動壓強(qiáng)分布

將各工況下的不同樁號處的壓強(qiáng)繪于圖5中,從圖中可以看出,工況1時,最大脈動壓強(qiáng)均方根值為8.87×9.8 kPa,概率密度曲線均具有一個峰值,且峰值點兩側(cè)的曲線具有相似的變化規(guī)律,具有很好的對稱性,與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律出現(xiàn)概率大于99.7%的測點其最大可能脈動幅值A(chǔ)max=3σ(σ為脈動壓強(qiáng)的強(qiáng)度)。按3σ計算,脈動壓強(qiáng)幅值是26.61×9.8 kPa,為總水頭(242.5 m)的11%。峰值的樁號為0+150 m。由于測點距沖擊區(qū)最近,故其脈動壓強(qiáng)最大。壩址處和二道壩附近的脈動壓強(qiáng)均方根值相對較小。工況2(表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計洪水位)時,最大脈動壓強(qiáng)均方根值為4.69×9.8 kPa。按3σ計算,脈動壓強(qiáng)幅值為14.1×9.8 kPa,為總水頭(237.5 m)的5.9%。峰值的樁號為0+150 m,對應(yīng)于圖上的150處,其他的類同。

圖5 各工況下的脈動壓強(qiáng)變化值

圖6是按各工況最大脈動壓強(qiáng)值繪出的關(guān)系曲線,由圖6可以看出,其它工況的脈動壓強(qiáng)強(qiáng)度比校核工況小很多。

圖6 各工況下最大脈動壓強(qiáng)值

3.2 水墊塘反拱形底板縱向流速分布試驗結(jié)果

將各工況下不同樁號的流速曲線繪于圖7中,從圖7中可以看出,工況1(表、深聯(lián)合泄洪校核洪水位)時,水墊塘臨底最大流速為21.7 m/s。工況2(表、深聯(lián)合泄洪設(shè)計洪水位)時,水墊塘臨底最大流速為17.5 m/s。工況5水墊塘臨底最大流速為20.1 m/s。各工況最大臨底流速(水墊塘中線)如圖8所示。一般來說,最大流速發(fā)生在水舌沖擊點下游的壁射流區(qū),最大值水舌沖擊點上游,流速在8 m/s以內(nèi)。

圖7 各工況下的中線流速分布圖

4 結(jié) 論

本文通過自行設(shè)計的室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?研究了反拱形水墊塘的動水荷載特性,研究了不同工況下的水墊塘底部的脈動壓強(qiáng)和水流速度變化規(guī)律,得出如下規(guī)律:

圖8 各工況下的最大流速分布

(1)對于底板的脈動壓強(qiáng),各工況下不同樁號處的脈動壓強(qiáng)的概率密度曲線與正態(tài)分布曲線具有相似的變化規(guī)律,在壩址處和二道壩附近的脈動壓強(qiáng)均方根值相對較小。

(2)對于地板上的水流速度,最大流速發(fā)生在水舌沖擊點下游的壁射流區(qū),最大值水舌沖擊點上游,流速在8 m/s以內(nèi)。

[1]呂陽泉,李永祥,冬俊瑞.水墊塘的水流特征和消能規(guī)律研究[J].長江科學(xué)院院報,2001,18(1):10-12.

[2]王常讓,周述椿,周 勇.水墊塘結(jié)構(gòu)形式問題探討[J].水力發(fā)電,2010,36(10):31-33,44.

[3]鄭春城,何占斌.多級消力坎加水墊塘綜合消能的試驗研究[J].中國水運(yùn),2012,12(3):237-238.

[4]孫 建,陳長植.反拱水墊塘與平底水墊塘底板穩(wěn)定性諸方面之比較[J].長江科學(xué)院院報,2003,20(4):3-6.

[5]侯慶國,郭東平.水墊塘反拱形底板拱端推力的試驗研究[J].東北水利水電,2005,23(12):55-56.

[6]馬 斌,練繼建,楊 敏.水墊塘反拱型底板襯砌結(jié)構(gòu)的非線性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報,2007,40(5):536-541.

[7]王繼敏,練繼建,崔廣濤.溢流拱壩反拱型水墊塘性能的原型觀測與模型試驗研究[J].水利學(xué)報,2009,40(7):805-812.

[8]常云華,王秀杰,李宗偉.反拱形水墊塘底板上舉力特性的試驗研究[J].震動與沖擊,2010,29(5):228-229,234.

Study and Application of Reverse Arch Water Cushion Pond in Laxiwa Hydropower Station

CHEN Liang1,LU Liang2,ZHANG Ying2
(1.Engineering Construction Branch Office,Qinghai Hydropower Development Co.,Ltd.of Upper Course of Yellow River,Xining,Qinghai810000,China;2.Key Laboratory of Ministry of Enducation for Geomechanics
and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Through the Laxiwa Hydropower Station's arch-typed water cushion pond model which is self-designed,and by laying the pulse pressure sensor andvelocity sensor on the model'sbase,the water cushion pond'shydrodynamic load characteristics are researched under different downstream water level.The research shows that the pulsation pressure's probability density curve and normal distribution curve would have the similar change rule,and the maximum velocity would happen in the wall jet area in the downstream reach of water-tongue impact point.The research result could provide references for the design and construction of the arch-typed water cushion pond.

water cushion pond;reverse arch;Laxiwa;sensor

TV653

A

1672—1144(2013)02—0196—04

2012-08-13

2012-09-10

陳 亮(1984—),男,江蘇鹽城人,工程師,主要從事水電站建設(shè)方面的施工與管理。