与宽尾墩联合使用的台阶面破坏问题研究

李昕尧，尹进步

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)



与宽尾墩联合使用的台阶面破坏问题研究

李昕尧，尹进步

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

宽尾墩+台阶式溢洪道的消能形式已被许多工程所应用，但从近年工程运行情况看，个别工程出现台阶面破坏现象。根据工程模型试验资料，结合同类工程原型观测资料，对有可能在宽尾墩水舌作用下，影响台阶面出现破坏的时均压强、近底流速、掺气浓度等水力学参数分别进行了测试分析；同时，依据台阶面脉动压强和时均压强试验测试数据，采用材料力学方法，对台阶面混凝土分层后的受力情况也进行了分析。结果表明：若台阶面碾压混凝土出现分层与表面止水破坏，则脉动压强就会通过表面缝隙与层面间隙作用于混凝土，混凝土也可能因此出现最大正应力，而当最大正应力超过混凝土的抗拉强度，台阶面混凝土就可能出现破坏。

台阶面破坏；宽尾墩；流速；掺气浓度；脉动压强

1 研究背景

融合了宽尾墩与台阶面的宽尾墩+台阶面联合消能工，既推动了RCC筑坝技术的发展，又发挥了宽尾墩大单宽泄洪消能工的优势，尤其是宽尾墩后面的无水区或薄水区在保证台阶坝面通气的同时，还解决了台阶面大、小单宽流量泄洪的问题[1]。国内最早采用宽尾墩+台阶面联合消能工的工程是福建水东水电站[2]。其后，又相继建成了大朝山[3]、索风营和思林[4]等多个该消能形式的工程。这些工程分别采用了不同坝高、不同宽尾墩与台阶面的布置形式，且分别经历了100～200 m3/(s·m) 不同单宽流量的洪水泄洪运行考验。

上述工程良好的运行结果及经验说明，宽尾墩+台阶面消能形式完全可以解决台阶面大单宽泄洪的问题。但同样采用这种消能形式的个别工程，在建成之初的首场洪水泄洪时就出现了台阶面破坏现象，特别是有些破坏竟然发生在小单宽流量泄洪条件下，如图1所示。

同样的布置形式，为什么其它工程运行良好，而个别工程会产生破坏，因此很有必要对这些工程台阶面出现破坏的原因进行探索研究。由于本文研究在参考部分工程原型资料基础上，主要围绕水工水力学模型试验资料的测试研究进行，因此首先简介模型试验并进行了测试结果分析简介。

2 台阶面模型试验测试与分析

2.1 模型试验简介

考虑到边孔宽尾墩体型与中间孔不同，可能影响宽尾墩水舌对台阶面的作用，试验选择原型中靠近边墙的2个闸孔制作局部试验模型。模型长度比尺Lr=40，原型闸孔宽度15 m，堰上最大水头21.6 m，堰面布置X型宽尾墩，台阶面坡比为1∶0.75，台阶高度为1.2 m，共有50个台阶。

试验先后进行了上、下游不同水位、闸门不同开度的台阶面时均压强、脉动压强、流速及水流近底掺气浓度等主要水力学参数的测试。其中每个台阶共布置3个压强测点，水平面2个，垂直面1个，垂直面测点c布置于距离上平面大约0.16 m处，水平面第1个测点a布置于距离内侧垂直面0.3 m处，第2个测点b布置于距离外测边缘0.16 m处，模型布置与压强测点位置如图2所示。流速测点布置于10#，16#，24#，32#，40#，48#台阶的闸孔中心线，掺气浓度测点布置于16#，24#，32#，40#，48#台阶的闸孔中心线及距离中心线3.75 m处。

图2 试验模型布置Fig.2 Layout of testing model

2.2 测试结果分析

台阶面时均压强整体趋势与同类工程研究资料的压强分布是相同的[4]，呈锯齿状分布，就单个台阶来说，台阶水平面从内到外，压强从小变到最大，垂直面从上到下，压强从小变到大。水平面最外侧的b点压强大部分都在150 kPa以下，在下游水位以下的个别测点，由于受到下游水深的压强叠加作用可能高于200 kPa。

流速测点布置于模型台阶面近底2 mm附近，相当于原型距离台阶面8 cm左右。试验测试发现个别近底流速在25 m/s附近，大部分在20 m/s左右。这一结果与同类工程试验及原型结果一致[5]。

掺气浓度测试结果规律性也很强，受宽尾墩横向收缩作用影响，其后台阶面的水深很小，掺气浓度就大一些，而闸孔中心线附近水深大，掺气浓度就小一些；测点越靠近台阶初始段的掺气空腔，掺气浓度越高，远离掺气空腔，向下游台阶面发展，掺气浓度逐渐减小，水流进入水垫后则呈现不同的变化规律；上游水位较低时水舌较薄，掺气浓度一般较大，上游水位高时水舌厚，掺气浓度较小；总体掺气浓度基本都在2%以上，已建工程试验与原型观测掺气浓度测试结果表明，模型试验掺气浓度在2%左右时，原型基本在5%左右，说明本次试验的掺气浓度是满足掺气减蚀的要求[6]。

前面很多试验研究工作很少对台阶面脉动压强进行测试，但台阶内部水流旋滚又增加了台阶所承受的水流紊动作用，因此本试验在常规测试的基础上，又对台阶水平面脉动压强进行了测试，测点基本沿闸孔中心线布置，从上到下每5个台阶设1个测点，所有测点均与台阶水平面外侧的时均压强测点位置重合，以便对水流冲击压强较大值进行测试。分析脉动压强均方根值发现，均方根变化幅度很大，最大的100 kPa，小的只有10～20 kPa，且脉动均方根最大值基本位于10#，40#，45#台阶处，10#是水流刚接触台阶面的冲击点位置，40#，45#台阶处水流已经接近反弧段，说明测试结果符合水流特征；中间段脉动均方根较小，相对比较稳定，大多集中在50 kPa左右。

将上述时均压强、掺气浓度及近底流速等水力学参数的测试结果与同类工程比较发现，其分布范围与同类工程基本一致，这一结果说明，该工程台阶面体型设计已满足同类工程设计标准。

3 台阶面破坏原因的初判

一般台阶面破坏原因可能有以下3类：①过流面空蚀破坏;②高速水流对混凝土表面产生的冲击破坏;③受水流作用力影响出现混凝土结构破坏。

过流面空蚀破坏一般产生于台阶面大单宽过流，而掺气又得不到满足的条件，早期丹江口大坝施工期过流出现的破坏应该属于这一类。此处所选工程是台阶面与宽尾墩联合使用，前面测试已经表明，受宽尾墩作用影响，闸孔中心线掺气浓度最小，基本在2%以上，但结合已建工程资料的分析，其原型值可达5%左右，基本满足原型台阶面掺气减蚀需要，另外掺气浓度和空腔长度均与索风营工程基本相同，而索风营工程台阶面运行良好，由此可以说明台阶面不可能存在因掺气不足而出现空蚀破坏。

本工程模型试验测试台阶面时均压强最大值只有200 kPa，大部分在150 kPa左右，如果再加上脉动压强值约300 kPa，绝对不可能超过400 kPa。而流速测试结果发现近底最大流速只有25 m/s，将该流速全部换算为冲击水头也只略>300 kPa，与压强测试结果基本相同。台阶面碾压混凝土设计强度基本在25 MPa以上，远远大于流速水头的冲击压强，因此台阶面也不可能出现因水流冲击而产生破坏。

脉动压强对水工建筑物形成的破坏较多，许多工程事故分析结果表明，混凝土板块的破坏基本是由于水流脉动压力传入板块底面缝隙层中，形成强大的脉动上举力致使板块失稳[7]。

在板块之间止水完好的情况下，脉动压力很难侵入板块底部，但止水与混凝土施工质量有问题时，止水就容易破损，破损就容易大量破坏。文献[8]对止水完好与止水破坏2种状态下的板块稳定性进行计算对比发现，止水破坏时板块稳定安全系数显著降低，并且作用水头越大，脉动压力作用越明显。对本工程破坏特征进行观察发现，很多混凝土的碾压层面结合并不好，因此有可能出现高速水流进入层面导致台阶面破坏的现象发生。下面将从脉动压强测试资料与混凝土层面受力方面进行破坏原因分析。

4 碾压混凝土层面分离引起台阶面破坏机理探索

台阶面混凝土的浇筑是借助于RCC的逐层上升而完成，一般层厚0.3～0.5 m，与常态混凝土相比，碾压混凝土成层性较多，每层之间的粘结力相对层内较低。而所选工程原型闸孔中心线正好对应坝体分缝，破坏特征观察发现，很多坝缝止水已被破坏，同时施工形成的混凝土层间缝也比较多。下面就针对这种状况进行混凝土受力分析。

图3 台阶面受到的作用力Fig.3 Forces on stepped surface

4.1 RCC混凝土层面上的作用力

由于台阶面混凝土破坏一般都是从台阶面水平面的最上层开始，所以此处就选择最上层混凝土作为研究对象，对其受力进行分析。破坏状况表明，所选混凝土已与下层分离，同时深插入坝体，又受到上一层台阶混凝土的压重，因此可认为该层混凝土为左侧有固定端的悬臂结构。如图3所示，其向下的作用力有时均压强、混凝土层自重；向上的作用力只有水流脉动压强，其量值大小按照68.3%，95.5%，99.7%的结构保证率，可分别取1倍、2倍、3倍脉动均方根。由于台阶内部水流的旋滚非常强烈，加上宽尾墩水流的射流作用，使得台阶内部压强分布非常复杂，因此计算作用力时，又对时均压强进行了一定的简化和线性处理。

此处台阶水平面a点左侧的压强分布一般是从内向外逐渐减小，a点处为最小值，但试验无法测量a点左侧的压强，该部分作用力对弯矩影响又很小，因此将其忽略不计。台阶水平面压强最大值出现在距离内边缘(0.8～0.86)B(B为台阶水平面宽度)，甚至更靠外边缘[4]，所以可取b点外侧与b点等压。a点与b点之间的压强分布不一定是线性分布，可按线性化处理。混凝土自重及混凝土层下部的脉动压强都为均布荷载[9]。

4.2 混凝土层所受最大正应力

这里计算分析采用材料力学的方法，因此需要提出2点假设：第一，台阶面混凝土为各向同性的材料；第二，台阶面最上层混凝土的约束为固定端约束。则其最大正应力计算公式为

(1)

式中：σmax为混凝土层的最大正应力；M为作用于混凝土层上的弯矩；Wz为弯曲截面系数。

混凝土的抗拉强度ft很低，一般约为抗压强度fcu的7%～14%，这种关系可以近似地用经验公式表示为

(2)

此处取fcu=25 MPa，则ft=1.97 MPa。

再引入一个不稳定系数ξ，并且定义ξ为最大正应力σmax与混凝土抗拉强度ft的比值，即

(3)

若ξ<0，说明向上的弯矩小于向下的弯矩，此时混凝土板的弯曲变形受到下层混凝土的支撑，使得混凝土板保持稳定。若ξ∈[0,1]，说明向上的弯距大于向下的弯矩，但最大拉应力σmax小于混凝土抗拉强度ft，此时混凝土板也保持稳定。若ξ>1，则向上的弯矩大于向下的弯矩，且最大拉应力σmax大于混凝土抗拉强度ft，此时混凝土板可能向上翻折出现破坏。

结合脉动压强测试结果，先后计算了8个台阶分别在8种工况下，脉动压强取不同值的最大正应力，总共192种情况。计算结果如图4所示。

图4 3种工况台阶面下的ξ值Fig.4 Values of ξ under three working conditions

通过图4的ξ值分析发现：如果脉动压强大小取σ，则不同台阶的ξ值均小于1，甚至一半小于0，即台阶面上层混凝土安全度较高；如果脉动压强大小取2σ，有少量测点的ξ>1，且堰上水头越高，ξ>1的工况越多；如果脉动压强取3σ，大部分台阶的ξ值均大于1。即脉动压强达到3σ时，台阶面都比较容易遭受破坏。

虽然分析结果说明，脉动压强取3σ时，台阶面易出现破坏。但实际脉动压强作用力大小是一个随机变化过程，而3σ仅在小于0.5%的小概率下出现，混凝土因施工而出现层面分离的概率也很小，因此一般情况下，台阶面出现破坏的可能性更小，这也正是很多与宽尾墩联合使用的工程台阶面，虽然大流量泄洪，但却极少出现破坏的原因。

5 结 语

本文通过工程模型试验，对有可能影响台阶面产生破坏的台阶面时均压强、近底流速、掺气浓度等水力学参数进行了测试分析；并在此基础上，根据模型试验测试的台阶面脉动压强和时均压强数据，采用材料力学的方法，对台阶面混凝土进行受力分析。分析结果表明：一般情况下，台阶面不容易产生破坏，但若碾压混凝土由于施工质量原因出现层面分离，同时又有坝缝止水破坏，则台阶面表层混凝土可能在脉动压强作用下出现破坏。

[1] 尹进步，梁宗祥，龚红林．X宽尾墩应用与发展的试验研究[J].水力发电学报，2007，26( 4) : 36 -39．

[2] 何光同，曾宪康，李祖发.水东水电站新型消能工结构优化设计[J].水力发电，1994，(9)：26-28.

[3] 林可冀，韩 立，邓毅国，等. 大朝山水电站RCC溢流坝宽尾墩、台阶式坝面联合消能工的研究及应用[J].云南水力发电，2002，(4)：6-15.

[4] 梁宗祥，尹进步，卢 红，等.与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究[J].长江科学院院报,2009,26(3):17-20.

[5] 梁宗祥，尹进步，卢 红，等.与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性[J].人民黄河,2009,(8):79-81.

[6] 尹进步，梁宗祥，刘韩生.台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究[J].长江科学院院报,2005,22(4):1-4.

[7] 刘沛清，刘心爱，李福田.消力池底板块的失稳破坏机理及其防护措施[J].水利学报,2001,(9):1-9.

[8] 谢卫生，黎 慧.止水破坏情况下的消力池护坦稳定分析[J].江西水利科技,2004,30(增刊):57-60.

[9] 李爱华，刘沛清.脉动压力在板块缝隙中传播衰变机理研究[J].水利水电技术,2006,37(9):33-37.

(编辑：曾小汉)

Study on the Damage of Stepped Spillways Combinedwith Flaring Gate Piers

LI Xin-yao, YIN Jin-bu

(School of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture and Forest University, Yangling 712100, China)

Joint energy dissipation of stepped spillway and flaring gate pier was used in many projects, but the stepped surface damage was recently found in several projects. According to the model test and prototype measurement, the hydraulic parameters such as time average pressure, flow velocity near bottom and aeration concentration possibly affecting the damages of stepped surface under the action of nappe of flaring gate pier were analyzed. In the same time, the method of mechanics of materials was used to conduct force analysis of stepped concrete layers in association with fluctuating pressure and testing data of time average pressure. Results show that, under the conditions of stratifying of roller compacted concrete(RCC) and the damage of surface sealant , fluctuating pressure will act on concrete through surface fissures or interlayer fissures . Thus the maximum tensile stress will possibly occur and when it exceeds tensile strength of concrete, stepped concrete surface is possible to be harmed.

stepped concrete damage; flaring gate pier; flow velocity; aeration concentration; fluctuating pressure

2014-09-10；

2014-11-03

李昕尧(1991-)，男，山西灵石人，硕士研究生，主要从事工程水力学研究，(电话)15822216955(电子信箱)lxy31330@163.com。

尹进步(1968-)，男，陕西礼泉人，副研究员，主要从事工程水力学研究，(电话)13609259097(电子信箱)xbsyjb@sina.com。

10.11988/ckyyb.20140789

2016,33(01):61-64

TV135.2

A

1001-5485(2016)01-0061-04