宽尾墩和消力池联合消能工底板稳定试验研究

何 富 刚

(雅砻江流域水电开发有限公司， 四川 成都 610051)

0 前 言

宽尾墩消能方式因其显著的技术效果和经济效益，已经广泛应用于安康、索风营、隔河岩、景洪等大型工程。宽尾墩与消力池、消力戽、台阶溢流面等的结合，充分发挥了两者的优势，取得了更好的消能效果[1]。同时基于各工程的工程应用条件，也提出了一些相应的宽尾墩体型，Y型、X型、V型、T型各有特色[2]。所以，对于不同的工程，联合消能工形式和宽尾墩表孔体型的选择是宽尾墩消能效果充分发挥的关键技术之一，近年来很多专家在这些方面都取得了很大的成就[3]。

目前，在应用宽尾墩消能方式的已建和在建工程中，坝高和泄洪流量越来越高，泄洪建筑物体型方案选择难度也越来越大。本文所涉及水电站在我国采用“宽尾墩+消力池”联合消能的工程中水位落差和泄洪流量均居于前列，其坝高168 m，最大泄洪流量为15 500 m3/s。初步研究表明，其消力池脉动压力、临底流速等水力学指标都很高[4]，存在一定的安全隐患，故需要对消力池底板稳定性加以重点研究。本文从底板上下表面脉动压力特性入手，通过底板上举力的测试与分析，评价消力池底板的稳定性和安全性，为工程设计提供重要参考和依据。

1 模型设计与实验方案

某水电站枢纽区河谷呈基本对称“V”型谷，谷坡陡峻。枢纽建筑物主要由挡水重力坝、表孔溢流坝、坝内泄洪中孔、下游设置的消力池和右岸地下厂房等建筑物组成。最大坝高168 m，最大泄量15 500 m3/s。由于两岸风化卸荷强烈，岸坡稳定性较差，因此，泄洪消能采用“表孔宽尾墩+跌坎消力池”的底流消能方式。溢流坝段布置于河道中部，设置5个表孔，每孔净宽15 m，下游采用短消力池消能。它是采用宽尾墩型式中坝高最大的工程。溢流堰和消力池平面布置如图1所示。

图1 溢流堰和消力池平面布置示意(单位：m)

该工程水工模型为整体、正态模型，模型比尺为1 ∶80，根据重力相似准则设计制作模型。为保证模型进、出口流态的相似性，河道模拟总长度为2 450 m，包括坝轴线上游1 000 m至坝轴线下游1 450 m。本文选择典型工况阐述不同方案水力学指标的差异，试验工况见表1。

表1 试验工况

2 试验研究及结果分析

2.1 脉动压力测试

为了研究各个工况下的板块底部脉动压力，在板块底部布置脉动压力传感器如图2所示。布置的位置与板块上表面脉动压力传感器布置位置相对应，以便于进一步分析比较。

图2 板块底部脉动压力传感器布置

从图3、图4中可以看出，在工况1～6、工况8情况下，消力池底板下表面脉动压力明显低于上表面；消力池上表面脉动压力大多在桩号0+145 m出现峰值。最大峰值达到94.32 kPa，为所有工况下的最大值。消力池上表面脉动压力均方根值波动较大，工况1～3脉动压力均方根值在0+145 m处出现峰值之后急剧下降，之后基本不出现太大波动；工况4～6、工况8脉动压力均方根值在0+145 m处出现峰值以后迅速下降，之后在0+200 m附近出现另一个峰值，其中工况6情况下0+200 m处的峰值较0+145 m处的峰值更高，究其原因应该是由于两侧闸门开度比中间闸门大，两侧流量较大，两侧水流在消力池后半段才对中心线产生明显的影响。相比底板的上表面，底板下表面的脉动压力明显较小，且变化幅度不大，说明在8 m厚度的底板和较大底板尺寸影响下，脉动压力传入底板底部有很大衰减。这也预示在止水完好的情况下，消力池底板所受上举力不会很大。工况7为中孔单独泄流的工况，属于挑流消能。在试验中可以观察到水流落水点在消力池后段，因此脉动压力均方根值分布情况与其他工况不同，消力池前段较低而后段较高。从图中可以看出工况7情况下消力池底板上下表面脉动压力均方根值较为接近，可能是由于水流在进入消力池时有较大的垂直方向的流速，因此脉动压力更加容易进入板块底部传播。

由图4中可以看出消力池底板下方脉动压力都比较小。除了放空工况以外，脉动压力强度分布基本都是在前段较高，之后沿程略有下降。但是绝对数值较小，大多都在25 kPa以下，波动程度也比较小。

2.2 上举力测试

2.2.1 传感器布置及测量方法

试验出于简化与对不利情况的考虑，池底测试板块采用脉动压力较大的中部区域、均按8 m厚度模拟。选取消力池中心的两排板块，测试板块编号如图5所示，沿着板块中心线安装DY80上举力传感器，为了研究板块的倾覆力矩，在每个板块上安装两个传感器，共安装14个，安装位置见图6，上举力传感器安装见图7。模型底板块采用加重橡胶制作，试验的条件为板块的止水完全破坏，抽排设施完全失效，并且没有锚固。本试验对消力池底板是否安全的评价，未考虑消力池底板基础渗透扬压力的影响。

图3 消力池底板上下表面脉动压力均方根值对比

图4 消力池典型测点脉动压力峰值点功率谱

图5 上举力测试板块编号示意

图6 底板上举力传感器安装示意(单位：m)

图7 上举力传感器安装示意

试验采用的传感—测力系统测试板块所受动水荷载包括板块的浮重和上举力两项，即：

动水荷载=-浮重+上举力

(1)

每个传感器都在测量前与整个测量系统一起现场率定并在静水中调零，这样采集的数据为上举力(不含有板块的浮重)。传感器的电信号通过动态应变仪传至数据采集仪，再由计算机进行所有通道的同步采集。采样时间间隔△t=0.01 s，采样时间T=40.96 s，采样容量N=4 096次。

2.2.2 上举力测试结果分析

以安装在同一板块上的两个传感器受力之和作为板块受到的力，测试结果如表2所示。

表2 各工况消力塘底板上举力测试结果 单位/t·m-2

在止水完全破坏的情况下，不考虑施加其上的锚固力，水垫塘底板块的受力分析如图8。

图8 平底板块受力分析

P1为板块上表面的动水压力，P2为板块下表面的动水压力，G′为板块的浮重。底板抗浮稳定安全系数的计算公式根据溢洪道设计规范(SL253-2000)中的C模式：

(2)

式(2)中，分母中压力差即是底板上下表面的时均压力差，暂不考虑锚固力，时均压力和脉动压力之和就是由模型实测的上举力。由上式即可计算出安全系数。采用最大上举力作为计算方法，虽然最大上举力最优参数有待商榷，但这是偏于安全的。

根据上述公式，结合试验实测数据，当考虑底板厚度为8 m时，根据实测数据计算的抗浮稳定安全系数如图9所示。从图中可以看出，在各个运行工况下，板块抗浮稳定安全系数均在1以上，属于安全范围之内，也就是说，若采用板块抗浮稳定安全系数为1，则板块不需要锚固，仅仅依靠自重就能维持板块稳定。若考虑板块最小安全系数为1.7，则从图中可以看出板块2在工况2，板块4在工况1超出安全允许范围，需要锚固力。经计算，板块2需要锚固力0.37 t/m2，板块4需要锚固力0.03 t/m2，可以看出，需要的锚固力也较小。

因此，若最小抗浮稳定安全系数为1，则在任何工况下，板块抗浮稳定安全系数均在安全范围之内。也就是说，板块在上举力的作用下不会发生浮升失稳破坏。

对于22 m厚底板可以得到如图10的抗浮稳定安全系数。从图中可以看出，当考虑板块厚度为22 m时，板块抗浮稳定安全系数都比较大，最小安全系数值都在4以上。可以认为，板块厚度为22 m时，板块自重足以抵抗上举力，不需要进一步的锚固。

图11为消力池板块上举力典型功率谱图。从图中可看出消力池底板所受上举力基本服从正态分布，能量集中在3.0 Hz以下。

图9 测试板块抗浮稳定安全系数(8 m板厚)

图10 测试板块抗浮稳定安全系数(22 m板厚)

图11 消力池典型位置底板上举力典型功率谱图

3 结论及讨论

本文针对高水头重力坝采用“宽尾墩+短消力池”的泄洪消能形式中消力池底板脉动压力和冲击压力较大的问题，采用水工模型试验的方法，测试了底板上下表面脉动压力均方根幅值及其频谱分布特性、底板上举力及其功率频谱，基于试验结果对不同厚度底板稳定性进行了分析，并提出了建议的锚固处理参考数据。本文得到结论如下：

(1)对于高坝采用“宽尾墩+短消力池”的泄洪消能形式，坝面及消力池底板动水冲击荷载和脉动压力幅值均很高，消力池底板稳定性问题需要特别重视，通过试验研究及计算分析提出合理的工程措施以确保建筑物安全。

(2)根据本工程消力池底板上举力测试分析结果表明，当考虑底板厚度为8 m时，依据抗浮稳定安全系数大于1.7的标准，局部板块需要增加锚固措施以满足抗浮稳定安全。

(3)由于消力池底板上举力较大，在工程建设过程中须严格控制施工质量，尤其是8m底板必须整体一次性浇筑，严禁分层施工。

(4)这类工程在投入运行后还需要通过监测手段持续关注消力池底板的安全问题。