高壩消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理及控制指標(biāo)研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高壩消力塘底板破壞的實(shí)例屢屢發(fā)生。本項(xiàng)目以提高消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)安全性為目標(biāo)，開(kāi)展了高壩消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機(jī)理、破壞模式以及水動(dòng)力荷載特性等各方面的研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： ①通過(guò)對(duì)高壩消力塘水動(dòng)力荷載特性的研究，找出了“沖擊壓強(qiáng)-脈動(dòng)壓強(qiáng)-上舉力”之間的量化關(guān)系，從而得到了底流消能和挑跌流消能高壩消力塘平底板抗浮安全系數(shù)。 ②研究了板塊尺度、渦旋尺度對(duì)整體荷載的影響?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)順?biāo)鞣较虬鍓K尺度遠(yuǎn)大于上表面脈動(dòng)壓強(qiáng)空間積分尺度時(shí)，單位面積最大上舉力隨板塊面積的增大而降低；超過(guò)最大上舉力降幅系數(shù)的峰值以后，單位面積最大上舉力的降幅逐漸減小；在其它條件允許的情況下可以考慮將該系數(shù)作為優(yōu)選合理板塊尺度的參考指標(biāo)。 ③以出穴作為板塊的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)三組不同抗力的試驗(yàn)研究了挑跌流水墊塘板塊的失穩(wěn)概率。隨機(jī)出現(xiàn)的瞬時(shí)最大上舉不能作為板塊穩(wěn)定性的判別條件；試驗(yàn)范圍內(nèi)，最大上舉力大于或等于抗力時(shí)板塊失穩(wěn)的概率約為90%，板塊失穩(wěn)時(shí)最大上舉力約為抗力的1.4倍。 ④研究了跌坎消力池的水動(dòng)力荷載特性。跌坎消力池前端中線的脈動(dòng)壓強(qiáng)、上舉力比傳統(tǒng)底流消力池有明顯降低，最大脈動(dòng)壓強(qiáng)、最大上舉力降幅均可達(dá)到50%左右。 ⑤研究了消力池底板止水破壞程度對(duì)上舉力的影響。通過(guò)15組不同止水破壞形式的試驗(yàn)，得出了各種形式止水破壞時(shí)的最大上舉力與四周止水完全破壞時(shí)的最大上舉力的量化關(guān)系，從而可以預(yù)測(cè)止水不同破壞程度時(shí)可能的最大上舉力。 ⑥在上述研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量國(guó)內(nèi)外破壞工程的調(diào)研以及典型破壞工程的反演分析，提煉出以脈動(dòng)壓強(qiáng)和單位水體消能率為主要參數(shù)的消力塘底板穩(wěn)定控制指標(biāo)；建議消力塘脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根控制在50kPa以內(nèi)、單位水體消能率控制在25kW/m3以內(nèi)。 2100433B

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高壩消力塘底板破壞的實(shí)例屢屢發(fā)生。截止目前，挑跌流水墊塘采用沖擊壓強(qiáng)ΔP≤15×9.8kPa、底流消力池采用脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差低于入池水頭的5~10%為穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)，均無(wú)法直接計(jì)算底板的安全系數(shù)。為設(shè)計(jì)人員提供量化指標(biāo)和科學(xué)理論依據(jù)迫在眉睫，因此研究消力塘底板在水流荷載作用下的失穩(wěn)機(jī)理、給出具有明確物理概念的底板結(jié)構(gòu)安全計(jì)算方法顯得尤為重要。本課題以提高消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)安全性為目標(biāo)，擬開(kāi)展大規(guī)模模型試驗(yàn)深入研究以下內(nèi)容：(1)分析以沖擊壓強(qiáng)為底板穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)的科學(xué)性，研究沖擊壓強(qiáng)與上舉力的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而提出更合理的底板穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)；(2)闡明板塊尺度、渦旋尺度與上舉力的關(guān)系，提出板塊尺度的水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(3)研究在板塊與水體的耦聯(lián)動(dòng)力作用下底板的失穩(wěn)機(jī)理與失穩(wěn)條件，確定消力塘底板動(dòng)力失穩(wěn)的概率條件。研究成果將對(duì)目前大量擬建高壩消力塘的穩(wěn)定性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)消能防沖的關(guān)鍵。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外消力塘底板發(fā)生破壞的工程實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，如何有效地改進(jìn)消力塘整體穩(wěn)定性對(duì)確保樞紐整體安全至關(guān)重要。本研究提出一種可綜合發(fā)揮平底板、透水底板及反拱底板優(yōu)勢(shì)的異型構(gòu)造底板，針對(duì)這種型式底板開(kāi)展脈動(dòng)壓力沿復(fù)雜縫隙傳播規(guī)律、水動(dòng)力荷載特性、失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式等方面的研究。結(jié)合系列模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬，從幅值域、時(shí)域和頻域三個(gè)方面研究不同縫隙形式、不同渦旋板塊尺度比下的消力塘水動(dòng)力荷載特性，分析并闡明脈動(dòng)壓力沿復(fù)雜縫隙傳播規(guī)律；提出水動(dòng)力荷載（脈動(dòng)壓力或上舉力）與水力條件（佛汝德數(shù)）的量化關(guān)系，建立脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值與整體荷載的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；在水動(dòng)力荷載研究基礎(chǔ)上，充分考慮多種非線性因素及靜動(dòng)力耦合效應(yīng)，建立能反映異型構(gòu)造底板受力特點(diǎn)及失穩(wěn)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，揭示底板失穩(wěn)機(jī)理及可能存在的破壞模式，為消力塘底板的優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供科學(xué)的理論依據(jù)。

消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)消能防沖的關(guān)鍵。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外消力塘底板發(fā)生破壞的工程實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，如何有效地改進(jìn)消力塘整體穩(wěn)定性對(duì)確保樞紐整體安全至關(guān)重要。本研究提出一種異型構(gòu)造底板即帶鍵槽的透水底板型式，并針對(duì)這種型式底板，結(jié)合系列模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬，分析闡明了鍵槽及透水孔對(duì)脈動(dòng)壓力沿復(fù)雜縫隙傳播規(guī)律的影響；統(tǒng)計(jì)分析了多個(gè)工程的試驗(yàn)成果，提出了脈動(dòng)壓力與整體荷載之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以及水動(dòng)力荷載（脈動(dòng)壓力及上舉力）與水力條件的關(guān)系；建立能反映異型構(gòu)造底板受力特點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合水動(dòng)力荷載研究成果，揭示底板失穩(wěn)機(jī)理及破壞動(dòng)態(tài)過(guò)程，為消力塘底板的優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供科學(xué)的理論依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容包括三個(gè)方面：1、異型構(gòu)造底板的脈動(dòng)壓力沿復(fù)雜縫隙傳播規(guī)律研究；2、消力塘水動(dòng)力荷載特性研究；3、異型構(gòu)造底板的失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式研究。通過(guò)系統(tǒng)的研究，得到以下的研究成果：1、從脈動(dòng)壓力幅值、時(shí)程線、相關(guān)特性、功率頻譜等方面闡明了鍵槽及透水孔對(duì)脈動(dòng)壓力沿縫隙傳播規(guī)律的影響，分析了異型構(gòu)造底板提高消力塘底板穩(wěn)定性的原因；2、對(duì)多個(gè)工程的模型試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到脈動(dòng)壓力與上舉力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以及上舉力與水力條件之間的關(guān)系；3、建立能充分考慮多種非線性因素及靜動(dòng)力耦合效應(yīng)的數(shù)值模型，揭示了透水底板以及帶鍵槽的透水底板的內(nèi)因失穩(wěn)和外因失穩(wěn)機(jī)理；分析了靜力失穩(wěn)、動(dòng)力失穩(wěn)和斷裂劈裂破壞三種破壞模式。研究成果中有3篇被SCI/EI收錄，9篇核心期刊，3項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，還有2篇SCI刊源論文在投，達(dá)到預(yù)期的研究成果。 2100433B