鍵槽式底板物模試驗研究

(上?？睖y設計研究院，上海 200434)

科學研究及工程設計

鍵槽式底板物模試驗研究

許翔

(上?？睖y設計研究院，上海 200434)

本文以某實際工程為背景，通過物理模型試驗，分析研究了在水墊塘底板板塊間設置鍵槽后，對不同位置板塊所受上舉力的影響以及各自的變化情況，旨在為應用這一結構提供參考。

水墊塘；底板；鍵槽；物理模型試驗

隨著我國水電工程的不斷發展，在高壩設計及建造上不斷取得新成就，但這也帶來了一個嚴重的問題——消能防沖。國內外諸多專家學者如彭彬[1]、練繼建[2]等對此進行了比較深入的研究。目前為了能較好地解決這一工程問題，通常在大壩的下游側修建一個具有一定水深的消力池，即通常所說的水墊塘。同時水墊塘的底板有兩種形式，一種是平底板，一種是反拱底板。本文通過具體工程模型試驗，結合已有的研究成果，通過在平底板間增加鍵槽這一特殊結構，分析了其對板塊上舉力的影響。

1 工程概況

重慶市梅溪河渡口壩水電站位于梅溪河奉節縣境內河段上，距離重慶市奉節縣城90km。工程為Ⅲ等中型，采用混合式引水?？傃b機容量12.9萬kW。最大壩高108.7m。擋水建筑物為一座變厚雙曲混凝土拱壩。泄水建筑物由3個溢流表孔組成，設計洪水標準為100年一遇(P=1.0%)，校核洪水為1000年一遇(P=0.1%)，消能防沖設計流量為30年一遇(P=3.33%)。該工程消能采用水墊塘形式。水墊塘長176.8m，底部平均寬42.9m，由于呈凹形設計，因此底高程分別為480.00m、474.00m、479.00m。底板厚3m，水墊塘末端設高度為9m的二道壩，頂寬3m。

2 模型設計

由于重力是流經堰孔水流的主導性作用力，因此，根據水工模型設計的相似原理要求，該工程模型按重力相似準則制作。模型幾何比尺擬定為λ1=50。水墊塘模型設計采用灰塑料板襯底，同時在襯底塑料板上放置加重橡膠塊模擬水墊塘底板，其他要素比尺見下表。

模型比尺表

水墊塘斷面見圖1。

圖1 水墊塘示意圖

3 試驗結果及分析

此次試驗共選取了呈十字交叉狀的不同位置的5塊受力板塊進行分析研究。鍵槽結構及板塊布置如圖2所示。

圖2 鍵槽結構及研究板塊位置

在試驗中采用上游表孔全部開啟的泄洪方式，并且設置570.25～572.25m的不同上游水位三組，水位間隔1m。每固定一個上游水位的同時對應不同的八個水墊塘水位，將研究板塊按布置方向的不同，歸為不同的兩組分別進行研究。一類為順下泄水流方向，包括編號為1、2、3的板塊，對應的樁號為0+49～0+71,板塊中心距為11m;一類為垂直下泄水流方向，包括編號為4、2、5的板塊，此時三個板塊樁號相同。試驗后將順下泄水流方向各組次結果繪制成圖3～圖4：

圖3 上舉力最大值

圖4 上舉力時均值

通過分析實驗數據發現，在不同的三個上游水位工況下，增加鍵槽后底板上舉力各實驗數據變化趨勢基本一致。由于鍵槽的存在，在順水流方向上，不同位置的底板最大上舉力存在明顯下降趨勢。對比實驗數據認為，同一樁號處的底板，實測上舉力受到的影響較小，表現為一個平滑穩定的過程，而時均上舉力通過分析實驗數據并沒有發現顯著的變化趨勢，而圖7中實測數據分為兩部分，位于上部、均方差數值較大的均為無鍵槽實驗組實測值，而下層實測數值較小的為有鍵槽試驗組實測值。分析原因認為：鍵槽是一種比較特殊的結構，在水平方向上能夠有效傳遞剪應力和壓應力，同時不能傳遞拉應力。由于下泄水流的荷載作用，在底板下部產生上舉力時，剪應力和壓應力在水平方向上傳播。而鍵槽傳遞的正是這兩種力。因此，鍵槽增強了某一板塊與各個相鄰板塊的聯系，并且將原來由單一板塊承受上舉力作用，在設置鍵槽后變成多板塊共同承受。正因如此，鍵槽的存在，也有效地減小或者避免了當下泄水流作用力較大而導致某一塊底板失穩破壞的可能性。同時由于該樁號位于水墊塘淹沒沖擊射流的沖擊區，正是整個水墊塘底板最容易發生失穩破壞的區域，當該區域的止水發生破壞時，在沒有鍵槽作用的情況下，上舉力作用由該區域的底板各自承擔。而通過設置鍵槽，單一板塊與周圍相鄰板塊通過鍵槽而銜接為一個整體，從而顯著減小了單個底板承受的下泄水流作用力。而實測數據也顯示，作用在各板塊的上舉力大致處于同一水平，鍵槽將下泄水流的巨大荷載“均分”給了多個底板。對于上舉力均方差在設置鍵槽前后產生的變化，分析認為，均方差所反映的是一個波動性的概念，它的大小反映的是上舉力脈動值偏離平均水平的程度。而通過設置鍵槽這一結構，則將原來的單板塊受力產生的脈動現象變為由多個板塊銜接形成的聯體脈動，基于脈動現象的高度隨機性以及不同板塊的整體性的強化，各板塊受力情況得到改善，減少了單一板塊上應力集中現象的發生。

為了更加全面地認識分析鍵槽的存在對水墊塘底板受力情況的影響，設置鍵槽后，對與下泄水流方向垂直的三個底板進行了試驗數據采集分析，現將試驗結果繪制成圖5～圖7。

圖5 上舉力最大值

圖6 上舉力時均值

圖7 上舉力均方差

可以發現，在垂直水流方向上，各板塊上舉力在不同試驗工況下變化趨勢類似，因此圖5～圖7同樣給出了具有代表性的上舉力各指標變化情況。通過對比發現，設置鍵槽導致底板上舉力最大值也出現了上下分層的現象。不設鍵槽時最大值均位于圖的上方，增設后位于圖的下方，上舉力均方差仍然和順水流試驗情況一致，設置鍵槽前后出現上下分層的現象。故認為鍵槽的存在對于垂直水流方向的底板上舉力也有較大的影響，原因在于下泄水舌在泄流過程中有向水墊塘中線集中的趨勢，使得水墊塘中間偏右側的2號、5號板塊上舉力實測值大于左側4號板塊，但因為這三個板塊在鍵槽的作用下已連為一體，很大程度上改變了2、5號板塊的受力環境，受力情況由三板塊各自承受上舉力變為三者共同受力，弱化了上舉力對單個板塊的作用，減小了下泄水舌向水墊塘中線集中而產生的不利影響。

4 結 語

順下泄水流的方向上，由于鍵槽的存在使不同板塊間的聯系得到加強。板塊受力情況發生改變，不再是原先的各板塊獨自受到上舉力作用。并且由于不同的板塊銜接在一起弱化了上舉力的作用，使得上舉力作用效果顯著降低。同時鍵槽對上舉力均方差也產生了較大影響，實測數值發生了顯著的上下分層現象，表明水墊塘底板不同塊體在鍵槽的銜接下形成了一個聯動體，進而導致上舉力均方差降低。上舉力幅值也隨之減小。而在與下泄水流垂直的方向上，鍵槽的存在使上舉力最大值及均方差均出現上下分層現象，這一特殊結構對弱化垂直下泄水流方向上底板上舉力效果明顯。

本文針對鍵槽的模型試驗研究對水墊塘底板的穩定及設計工作具有一定的參考價值。同時為了進一步研究其作用機理，在以后的研究中可采用數值模擬及模型試驗同時進行的方式來相互驗證，以更好地全面地掌握這一結構的特性。

[1] 彭彬，張建海，蒙承剛.右江百色重力壩消力池結構縫鍵槽布置方案優化研究[J].四川大學學報(工程科學版)，2004(1).

[2] 馬斌，練繼建，劉喜珠.帶鍵槽消力塘底板的安全性分析[J].水利水電技術，2009,40(1).

StudyofGroovedFloorPhysicalModelTest

XU Xiang

(ShanghaiInvestigation&DesignInstitute,Shanghai200434,China)

In the paper, a practical project is adopted as background. After grooves are set among floor blocks in cushion pool, influence of upward lifting force and respective change condition on blocks in different positions are analyzed and studied, thereby providing reference for applying the structure.

cushion pool; floor; groove; physical model test

TV315

A

1673-8241(2014)08-0043-04