平底型与反拱型水垫塘动水荷载对比试验研究

2021-04-23徐建荣辜晋德章道生

水资源与水工程学报 2021年1期

徐建荣，彭育，辜晋德，王宇，章道生

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122; 2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；3.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210006)

1 研究背景

目前高水头、大流量的水利工程建设方兴未艾，泄洪消能仍然是高坝工程中的一个重要问题[1-2]。高水头大坝喷射出的高速射流在冲击下游岩质河床时产生冲刷和侵蚀，从而有可能影响大坝本身的稳定性[3]。水垫塘设置在大坝下游，可缓冲下泄水流的射流冲击作用并消散入水能量，特别适用于大流量、大功率泄洪工况[4]；射流产生的冲击压强作用于水垫塘底部，并通过岩石裂隙内部传递到岩体节理处，易造成水垫塘底部的岩石块体隆升和失稳[5]。因此，水垫塘防护结构的稳定性不仅是水利工程安全领域的热点问题，也是水电工程建设中需要解决的关键技术问题。

考虑基岩和局部地质特征，优化水垫塘几何形状，提高其抗失稳能力迫在眉睫[6]。当前，水垫塘的底板几何型式主要有平底底板、反拱底板、透水底板和带键槽底板等型式，其中平底型和反拱型底板因具有超载能力大、稳定性好、开挖量小等优点被业界认可[7]。传统的平底型水垫塘在国内外各大水电工程中得到了广泛应用，而格鲁吉亚Inguri、西班牙Susqueda、中国拉西瓦等水电站工程中采用反拱型水垫塘，也凸显了其设计优势[8]。

平底型水垫塘底板是平底块状结构，多为矩形或梯形，板块间为垂直或平行的缝隙，并加设止水设施；而反拱水垫塘可依据山坡走势进行设计和施工，由于反拱型结构可将荷载传递至拱端，因此从防护和结构稳定的角度看，反拱型底板具有诸多优点[9]。目前，对于平底型水垫塘的研究主要针对于水流流态、底板稳定性等方面，而脉动压强引起上举力变化或许是板块失稳破坏的重要原因[10-11]。对于反拱型底板，除常规水力和结构特性外，业界主要关注其特有的拱端力和反拱失稳破坏机制等[12-13]。

从国内外研究进展来看，当前主要采用有限元等数值分析的方法研究不同反拱控制参数对反拱型底板稳定性的影响[14-17]，对于平底型和反拱型底板的对比研究则重点关注水流流态[18]和底板结构稳定性[19]等方面；事实上，水垫塘动水荷载作为影响底板结构稳定的主要参数，也是影响坝身泄水建筑物设计的重要指标[20-21]。目前，有关不同型式水垫塘动水荷载比较的文献尚不多见，在时均和脉动压强方面做进一步对比是必要的。

本文采用白鹤滩水利枢纽1∶50大尺度整体物理模型试验，基于模型试验数据对比了平底型和反拱型水垫塘在不同来流工况下时均压强和脉动压强的异同，分析了两种型式水垫塘动水荷载作用机制的差异，为相关设计提供参考。

2 工程概况

白鹤滩水利枢纽工程拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.0 m，最大坝高289.0 m。泄洪消能设施由坝身6个表孔(14.0 m×15.0 m)、7个深孔(5.5 m×8.0 m)及坝体下游长约400 m的水垫塘、二道坝组成。水垫塘二道坝设为重力坝型式，上游坡面坡度为1∶0.6，下游坡面坡度为1∶0.8，二道坝坝顶高程602.0 m，坝顶宽度8.0 m，坝高42.0 m。

由于坝下游河谷为不对称V型(左缓右陡)，为了使枢纽拱坝线布置适应于坝址区下游河道地形的特点，水垫塘底板中心线与坝身孔口溢流中心线平行并右移11.4 m，水垫塘横断面亦根据地质条件为不对称布置。

白鹤滩水利枢纽工程平底型和反拱型两种方案水垫塘横剖面图如图1所示。平底型水垫塘断面型式为复式梯形，底板顶面高程为560.0 m，底板厚4.0 m，底板水平宽84.8 m，两边分别以圆弧与边墙相衔接，左侧圆弧半径为35.0 m，右侧圆弧半径为25.0 m。左岸边墙坡度为1∶1.0，右岸582.0 m高程以下坡度为1∶0.6，582.0 m高程以上坡度为1∶0.4；左、右岸各在582.0、604.0 m高程处设一条5.0 m宽的马道，582.0 m高程以下边墙厚度为4.0 m，582.0 m高程以上为3.0 m。水垫塘顶高程为635.0 m，水垫塘顶宽210.0 m。

图1 白鹤滩水利枢纽工程平底型和反拱型两种方案水垫塘横剖面图(单位：m)

平底型与反拱型水垫塘布置的主要差别在于582.0 m高程以下部分，而582.0 m高程以上部分不变。反拱底板最低点顶面高程为560.0 m，底板厚4.0 m，反拱中心角为74.8°，反拱底板中心线偏离溢流中心线7.0 m，反拱半径为107.02 m，两边分别以圆弧在582.0 m高程与边墙相衔接。

3 试验模型与方法

建立白鹤滩水利枢纽1∶50大尺度整体物理模型，模型布置见图2。以反拱底板中心线与底板的交点为坐标原点，顺水流方向为x轴，垂直水流指向右岸方向为y轴。在测点布置方面，平底型水垫塘时均压力测点x向间距为5.0 m，y向间距为6.0 m(均为原型尺寸，下同)，并且在水舌冲击区进行了局部加密，即x向间距为2.5 m，y向间距为3.0 m；在水流流动范围内，反拱型水垫塘以7°圆心角为间距布置了19排测点。

图2 白鹤滩水利枢纽工程试验模型布置

试验观测了校核工况(上游水位832.34 m，下游水位627.41 m)、设计工况(上游水位827.83 m，下游水位623.45 m)和消能设计工况(上游水位825.00 m，下游水位619.82 m)下两种型式的水垫塘时均压强和脉动压强。时均压强采用测压管量测，脉动压强数据采用脉动压强传感器(宝鸡华强传感测控有限公司生产)采集，传感器量程为0～3 m，电源24 Vdc，输出电压为0～5 V，精度0.05 m。

4 试验结果与分析

4.1 两种型式水垫塘时均压强对比

试验量测了水垫塘底板各测点的时均压强数据，结果表明，校核工况下两种型式底板时均压强峰值均出现在y=0部位；设计工况下两种型式底板时均压强峰值均出现在y=15 m部位。为方便表示，图3绘制了校核工况(y=0)和设计工况(y=15 m)两种型式水垫塘底板的时均压强沿水流方向(x方向)分布；图4给出了校核工况和设计工况下两种底板型式时均压强横向(y方向)分布。

图3 不同工况下两种型式水垫塘底板的时均压强沿水流方向分布图4 不同工况下两种型式水垫塘底板的时均压强横向分布

由图3可以看出：(1)校核和设计工况均在x=200 m底板处出现时均压强峰值，随后在x=230～240 m范围内出现时均压强低谷值，由于水垫塘后二道坝的存在，时均压强在低谷值后稳步增加并趋于平稳。(2)两种底板型式下时均压强峰值点位置无显著差异，但反拱底板时均压强峰值相对较小。(3)两种底板型式下时均压强峰值后的低谷点略有不同，校核工况下，平底板低谷值平均压强约为60×9.8 kPa，而反拱底板低谷值平均压强约在56×9.8 kPa左右，两者相差约4×9.8 kPa；设计工况下，两种底板低谷差值略小，约在1×9.8 kPa左右。

由图4可以看出：(1)在校核工况下，两种型式水垫塘的底板冲击压力峰值位置比较接近，平底板水垫塘的峰值略高。(2)平底板压强峰值的左、右侧各有1个较明显的低谷值；而反拱底板压强峰值的左侧压强基本稳定，没有明显差异，说明反拱底板横向压强分布较为均匀(压强梯度较小)。(3)在水垫塘压强峰值两侧，反拱底板的压强值大于平底板，校核工况尤为明显，这是由于反拱底板两侧高程渐增使局部水垫厚度减小所致。

综合以上结果，反拱底板比平底板水垫塘两侧消能空间略小，导致在相同泄流条件下反拱底板两侧受力略大，同时产生压强低谷值的差异。从校核和设计工况试验实测数值来看，反拱型底板所受压强普遍较大，但反拱底板与平底板所受冲击压强的最大峰值相当。

4.2 两种型式水垫塘脉动压强对比

图5、6分别为设计工况和消能设计工况下平底板及反拱底板脉动压强等值线图。由图5可以看出，两种底板型式最大脉动压强值接近，均为9.0×9.81 kPa左右；从等值线的分布看，反拱底板脉动压强梯度比平底板略小，反拱底板脉动压强大于5.0×9.81 kPa的区域范围大于平底板，这或许归因于反拱底板有效水垫深度较小，使水舌冲击区附近整体脉动较大。由图6可以看出，两种型式底板消能设计工况与设计工况的脉动压强分布规律类似，水舌冲击区域平底板脉动压强梯度更大；反拱底板的脉动压强最大值略小于平底板，但从整体分布上看，反拱底板的脉动压强更大。

图5 设计工况下两种型式水垫塘底板脉动压强等值线图(单位：9.81 kPa)

图6 消能设计工况下两种型式水垫塘底板脉动压强等值线图(单位：9.81 kPa)

反拱型式与平底型式水垫塘底板压强分布的差别主要与冲击区距底板中心线的位置有关，而在同一冲击位置所造成的底板压强分布差异的原因主要有两点：(1)有效水垫厚度不同，水垫厚度小则冲击压强大；(2)冲击压对底板的作用方向也有差异，作用角度(压强作用方向与底板切向夹角)小则冲击压力小。

由此导致压强分布主要分为几个典型区域：(1)在底板中心线附近，有效水垫深度无明显变化，冲击压强作用角度略有不同，两种型式底板压强峰值基本相当且反拱型式底板相对略小；(2)在底板中心线两侧，反拱型式的有效水垫深度减小，而且冲击压强作用角度亦变小，两者作用相互抵消，压强峰值基本相当；(3)在水垫塘两侧的边壁区，反拱型式水垫塘的有效水垫深度减小，而冲击压强作用角度变大，导致反拱型式该部位的底板压强明显高于平底板型式。