高壩消力塘防護結構失穩(wěn)機理及控制指標研究結題摘要

近年來，國內外高壩消力塘底板破壞的實例屢屢發(fā)生。本項目以提高消力塘防護結構安全性為目標，開展了高壩消力塘防護結構的失穩(wěn)機理、破壞模式以及水動力荷載特性等各方面的研究，主要研究內容和結論如下： ①通過對高壩消力塘水動力荷載特性的研究，找出了“沖擊壓強-脈動壓強-上舉力”之間的量化關系，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、渦旋尺度對整體荷載的影響?？傮w來說，當順水流方向板塊尺度遠大于上表面脈動壓強空間積分尺度時，單位面積最大上舉力隨板塊面積的增大而降低；超過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??；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。 ③以出穴作為板塊的失穩(wěn)標準，通過三組不同抗力的試驗研究了挑跌流水墊塘板塊的失穩(wěn)概率。隨機出現(xiàn)的瞬時最大上舉不能作為板塊穩(wěn)定性的判別條件；試驗范圍內，最大上舉力大于或等于抗力時板塊失穩(wěn)的概率約為90%，板塊失穩(wěn)時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力荷載特性。跌坎消力池前端中線的脈動壓強、上舉力比傳統(tǒng)底流消力池有明顯降低，最大脈動壓強、最大上舉力降幅均可達到50%左右。 ⑤研究了消力池底板止水破壞程度對上舉力的影響。通過15組不同止水破壞形式的試驗，得出了各種形式止水破壞時的最大上舉力與四周止水完全破壞時的最大上舉力的量化關系，從而可以預測止水不同破壞程度時可能的最大上舉力。 ⑥在上述研究成果的基礎上，通過大量國內外破壞工程的調研以及典型破壞工程的反演分析，提煉出以脈動壓強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；建議消力塘脈動壓強均方根控制在50kPa以內、單位水體消能率控制在25kW/m3以內。 2100433B

近年來，國內外高壩消力塘底板破壞的實例屢屢發(fā)生。截止目前，挑跌流水墊塘采用沖擊壓強ΔP≤15×9.8kPa、底流消力池采用脈動壓強均方差低于入池水頭的5~10%為穩(wěn)定性控制標準，均無法直接計算底板的安全系數(shù)。為設計人員提供量化指標和科學理論依據(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)機理、給出具有明確物理概念的底板結構安全計算方法顯得尤為重要。本課題以提高消力塘防護結構安全性為目標，擬開展大規(guī)模模型試驗深入研究以下內容：(1)分析以沖擊壓強為底板穩(wěn)定性評估指標的科學性，研究沖擊壓強與上舉力的內在聯(lián)系，進而提出更合理的底板穩(wěn)定性評估指標；(2)闡明板塊尺度、渦旋尺度與上舉力的關系，提出板塊尺度的水力設計準則；(3)研究在板塊與水體的耦聯(lián)動力作用下底板的失穩(wěn)機理與失穩(wěn)條件，確定消力塘底板動力失穩(wěn)的概率條件。研究成果將對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用價值。

消力塘防護結構自身的穩(wěn)定是實現(xiàn)消能防沖的關鍵。近年來國內外消力塘底板發(fā)生破壞的工程實例屢見不鮮，如何有效地改進消力塘整體穩(wěn)定性對確保樞紐整體安全至關重要。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)勢的異型構造底板，針對這種型式底板開展脈動壓力沿復雜縫隙傳播規(guī)律、水動力荷載特性、失穩(wěn)機理及破壞模式等方面的研究。結合系列模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬，從幅值域、時域和頻域三個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力荷載特性，分析并闡明脈動壓力沿復雜縫隙傳播規(guī)律；提出水動力荷載（脈動壓力或上舉力）與水力條件（佛汝德數(shù)）的量化關系，建立脈動壓強幅值與整體荷載的經(jīng)驗關系；在水動力荷載研究基礎上，充分考慮多種非線性因素及靜動力耦合效應，建立能反映異型構造底板受力特點及失穩(wěn)機制的數(shù)學模型，揭示底板失穩(wěn)機理及可能存在的破壞模式，為消力塘底板的優(yōu)化設計及安全運行提供科學的理論依據(jù)。

消力塘防護結構自身的穩(wěn)定是實現(xiàn)消能防沖的關鍵。近年來國內外消力塘底板發(fā)生破壞的工程實例屢見不鮮，如何有效地改進消力塘整體穩(wěn)定性對確保樞紐整體安全至關重要。本研究提出一種異型構造底板即帶鍵槽的透水底板型式，并針對這種型式底板，結合系列模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬，分析闡明了鍵槽及透水孔對脈動壓力沿復雜縫隙傳播規(guī)律的影響；統(tǒng)計分析了多個工程的試驗成果，提出了脈動壓力與整體荷載之間的經(jīng)驗關系，以及水動力荷載（脈動壓力及上舉力）與水力條件的關系；建立能反映異型構造底板受力特點的數(shù)學模型，結合水動力荷載研究成果，揭示底板失穩(wěn)機理及破壞動態(tài)過程，為消力塘底板的優(yōu)化設計及安全運行提供科學的理論依據(jù)。主要研究內容包括三個方面：1、異型構造底板的脈動壓力沿復雜縫隙傳播規(guī)律研究；2、消力塘水動力荷載特性研究；3、異型構造底板的失穩(wěn)機理及破壞模式研究。通過系統(tǒng)的研究，得到以下的研究成果：1、從脈動壓力幅值、時程線、相關特性、功率頻譜等方面闡明了鍵槽及透水孔對脈動壓力沿縫隙傳播規(guī)律的影響，分析了異型構造底板提高消力塘底板穩(wěn)定性的原因；2、對多個工程的模型試驗成果進行統(tǒng)計分析，得到脈動壓力與上舉力之間的經(jīng)驗關系，以及上舉力與水力條件之間的關系；3、建立能充分考慮多種非線性因素及靜動力耦合效應的數(shù)值模型，揭示了透水底板以及帶鍵槽的透水底板的內因失穩(wěn)和外因失穩(wěn)機理；分析了靜力失穩(wěn)、動力失穩(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項授權發(fā)明專利，還有2篇SCI刊源論文在投，達到預期的研究成果。 2100433B