水垫塘消能在高拱坝工程中的应用研究

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反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝工程中的应用及研究成果综述

ｎｓ，ｓａｉｔｃａｉｍ，ａｌｒｃａｉｍ，ｂａｉｇｃｐｃｔ，ａｃｏｍｉｇｃｎｉｏｓｕｌｅｓｒｃｕｅａｄｆｒａｉｎｈｓａｐｉｉｍｔｌｍｅｈｎｓｆｉｅｍｅｈｎｓｂｉｙｕｅｒａａｉｎｙｒｈｆｒｎｏｄｔｎ，ｏｔｎｔｔｒｎｍｔ．Ｔｕｐｌｉｉｕｏｏ－
是没有同类工程应用先例；是对这种消能水垫塘二
应用中诸如适应条件、拱条件、来，别是近几年来，着中国西部地区特随特高拱坝的兴建，科研单位和高等院校对反拱水众垫塘开展了大量的试验分析研究工作，得了较丰取富的成果，反拱水垫塘在实际工程中的应用仅有但
西北水电・０１２０年・第１期
文章编号：０６６０２１）１０２＿０１０１２１（０００ — ｏ３．５
２３
反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝枢纽中
的应用及研究成果综述
姚栓喜，亚杜生宗，友科王娥，张
ｖｒｐｕｇｏｌａｅｎｏｅａｉｇｎｒｌｈｏｇｏｔａｆｅｒｃｎｉｕｕｐｒｔｎａｄｓｔｆｄｔｅｄｓｇｅｕｒｍｅｔ．ｅｌｎｅｐｏｓｂｅｐｒｔｏｍａｌｔｒｕｈｕｌａｏｔｏｓｏｅａｉｎａｉｉｈｅｉｎｒｑｉｅｎｓｔｈｎｙｈｙｎｏｓｅ

试论高坝工程泄洪消能的特点与研究

泄洪洞泄洪” 的泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄高坝泄洪消能仍然是一门实践性很强的应用性学科，其研究方法目前仍洪考验，表明是成功的。以试验研究为主要技术手段，在解决实际工程问题时，往往需要与已建
为有效控制水垫塘底板最大冲击压强（一般要求不大于工程成败的经验教训与研究者的经验积累。尽管如此，同其它学科一样１５Ｘ９．８ｋＰａ），目前较多采用出射角度不等的大差动布置型式，通过分散基础理论方面的研究依然十分重要，理论研究与发展的不足，制约了学挑流水舌的入水能量，达到降低水垫塘底板冲击压强的目的，而采用溢科的进一步发展。而目前，大量研究工作由于客观条件限制往往只能立流前缘为舌形的出口鼻坎以及在出Ｈ鼻坎上增设分流齿坎也是行之有足于解决具体工程的生产实际问题，而缺乏系统而深入的总结归纳与理效的工程措施。除此之外，目前正在积极开展如下非碰撞式坝身泄洪消论分析，致使该学科的基础理论研究相对比较薄弱且进展缓慢。能布置及深厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能布置两方面的。（２）高坝建设中环境制约因素的研究。当前我国的水电开发已进入生态环境制约的发展阶段，在不断获取效益的同时，人们对高坝建设高水头大流量底流消能底流消能是一种传统的消能方式，共具有流态稳定、消能效果好、的环境影响问题日益关注。因此，必须重视高坝建设中的环境影响问对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。但从国内外的运用情题，并积极寻求减免其不利影响的工程措施与非工程措施。仅工程措施况看，底流消能在大型高坝水电工程中所占的比例远远低于挑流消能。而言，与高坝泄洪消能研究相关的包括低雾化泄洪消能技术、泄洪雾化

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用

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正向荷载作用下，各荷载工况、基岩条件下，拱端推力、底板表#
模型编号模型特征底板单独承载底板 /(,0 ’ 基岩底板 / 基岩基岩
有限元模型及计算工况
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包括水垫塘流速和底板上动水荷载 !
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水垫塘流速岸边流速均小于 "#$% & ’ ( ，对岸边的冲刷影响不大 ! 水舌
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王继敏等 ! 长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用
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反拱形水垫塘平面布置（+ ’ 宽）值，变位、应力如表 ( 所列 ! 表中拱端推力为单位宽度拉应力为正，压应力为负；位移指垂直分量 ! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，跨中最大位移为 0,#*( 设计工况时跨中最大 ’’! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，位移为 1,22* ’’! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，拱端推力值为 ( -(+ 设计工况时推力值 $% & ’! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，为 - 1"" $% & ’! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，拱端最大压应力跨中最大压应力 (,+51 .34 ，均远小于混凝土的抗 *,0"1 .34 ，压强度；拱端最大拉应力 #,+5( .34 ，跨中最大拉应力 #,##2 设计工况时拱端最 .34! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，大压应力 ++,(0 .34 ，跨中最大压应力 0,(25 .34 ，均小于混凝小于混凝土的抗土的抗压强度；拱端最大拉应力 #,"5# .34 ，拉强度! 反向荷载

东庄反拱水垫塘防护结构优化与安全性分析

东庄反拱水垫塘防护结构优化与安全性分析针对“高水头、窄河谷、大泄量”的泄洪消能特点,反拱形衬砌式水垫塘利用天然河床基岩形状,将引起水垫塘破坏的水力荷载(主要是上举力与扬压力)传递到两岸山体或拱座,充分发挥出拱结构的超载能力和材料的抗压特性,提高了防护结构的安全性。

实践表明,反拱形水垫塘是解决高拱坝泄洪消能问题的有效措施。

近年来,国内外许多学者基于理论分析与模型试验,对反拱水垫塘内水动力荷载、衬砌结构的稳定性开展了大量的研究,但是关于反拱水垫塘防护结构优化与安全性研究却涉及不多。

本文以泾河东庄水利枢纽坝后水垫塘为研究背景,从工程实际出发,对初拟反拱水垫塘防护结构方案进行多因素的静力非线性优化分析,并将力学模型与数值模型相结合,对反拱水垫塘防护结构进行安全性与稳定性研究,主要成果如下:(1)对反拱防护结构数值分析中的模拟方法进行改进,主要包括材料非线性损伤本构、计入抗剪效应的锚杆单元选取和考虑分缝的流固耦合处理手段等,以使数值模拟研究更为接近实际。

(2)在设计扬压力条件下,以稳定性与整体性为主要权衡指标,对反拱水垫塘底板防护结构进行优化研究,确定了反拱半径32m、板块厚度3m、非均匀柔性锚固(边缘板块自由段2.5m,中间板块自由段3m)的方案,达到锚固钢筋与拱座联合承载的目的,承载力较刚性均匀锚固提高30%;粘结滑移效应对常规2m~5m自由段锚固方式的稳定性影响小到可以不计,同样对边坡防护结构进行了优化研究。

(3)以有初始间隙的接触单元来模拟拱端裂缝,对反拱底板成拱条件和键槽的成拱作用进行深入研究;计入预应力锚固和不同渗压水平等因素,基于刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析,本工程反拱底板承受240kPa扬压力稳定安全有保证;以不耦合的开裂损伤评价方法,研究了不同区域锚固失效时反拱底板的破坏模式。

(4)本着“静力设计、动力调整”的原则,对模型实测动水荷载进行处理,结合最大上举力预测公式,得到反拱水垫塘底板和边坡衬砌块的上举力时程,研究优化调整后的反拱水垫塘防护结构在泄流工况下位移、应力等动力响应,并作出安全评价。

拱坝的消能和防冲

拱坝的消能和防冲拱坝泄流具有以下两个特点：（1）水流过坝后具有向心集中现象，水舌入水处单位面积能量大，造成集中冲刷，因此消能防冲设计要防止发生危害性的河床集中冲刷。

（2）拱坝河谷一般比较狭窄，当泄流量集中在河床中部时，两侧形成强力回流，淘刷岸坡，因此消能防冲设计要防止危及两岸坝肩的岸坡冲刷或淘刷。

拱坝消能形式通常有以下几种：1、水垫消能水流从坝顶表孔或坝身孔口直接跌落到下游河床，利用下游水流形成的水垫消能。

由于水舌入水点距坝趾较近，故需采取相应的防冲措施，一般都在坝下游一定距离处设置消力坎，二道坝或挖深式消力池。

如：法国的乌格朗拱坝，利用下游施工围堰做成二道坝，抬高下游水位；我国的红岩双曲拱坝（图1），在下游设置二道坝形成水垫消能。

图1 乌格朗拱坝消力池2．挑流消能这是拱坝采用最多的消能形式。

鼻坎挑流式、滑雪道式和坝身泄水孔式大都采用各种不同形式的鼻坎，使水流扩散、冲撞或改变方向，在空中消减部分能量后再跌入水中，以减轻对下游河床的冲刷。

为减小水流向心集中，国内外一些拱坝将布置在两侧或一侧的溢洪道的挑流鼻坎做成窄缝式或扭曲挑坎，使挑射出的水舌能沿河谷纵向拉开，既减少落点处单位面积能量又不冲两岸。

3．空中冲击消能对于狭窄河谷中的中、高拱坝，可利用过坝水流的向心作用特点，在拱冠两侧各布置一组溢流表孔或泄水孔，使两侧水舌在空中交汇，冲击掺气，沿河槽纵向激烈扩散，从而消耗大量的能量，减轻对下游河床的冲刷，但应注意两侧闸门必须同步开启，否则射流将直冲对岸，危害更大。

我国先后成功地修建了陈村、泉水和广西的山花（坝高45m）等两侧挑流对冲消能工。

在大流量的中、高拱坝上，采用高低坎大差动形式，形成水股上下对撞消能。

这种消能形式不仅把集中的水流分散成多股水流，而且由于通气充分，有利于减免空蚀破坏。

我国的白山重力拱坝采用高差较大的溢流面低坎和中孔高坎相间布置，形成挑流水舌相互穿射，横向扩散，纵向分层的三维综合消能，效果很好。

高拱坝水垫塘消能的研究进展

ｅｎｅｒｙｇｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｗａｔｅｒｐｌｕｎｇｅｐｏｏｒｗａｓｓｕｍｍａｉｒｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．Ａｎｄｈｅｔｎ，ｔｈｅ
ＰｏｏｒｉｎＨｉｇｈＡｒｃｈＤａｒｎ
ＷＡＮＧＹｉｎｇ—ｋｕｉ，ＬＩＡＯＲｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＸＵＷｅｉ—ｌｉｎ
（１．Ｃｈａｎ￣ｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｕｖｅｒｙＰｌａｎｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｗｕｈａｎ４３００１０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ
及结构特点。【关键词］高拱坝；泄洪消能；冲击射流理论；水垫塘
［中图分类号】ＴＶ２１２［文献标识码］Ａ［文章编号］１００６— ７１７５（２０１３）０７—０００１ — ０５
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＥｎｅｒｇｙＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆＰｌｕｎｇｅ
Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｃｕｉｔｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｗｅｒｅａｌｗａｙｓｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｔｈｅｈｉ．ｇｈａｒｃｈｄａｍｓ

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型马斌;练继建;杨敏;李毅佳【摘要】反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在,为了研究反拱型底板块各体型参数对其稳定性的影响,结合某高拱坝水垫塘反拱型底板稳定性的实验研究,采用有限元数学模型及局部稳定性力学模型,从反拱水垫塘底板的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析了底板稳定性与其体型的关系.结果表明,拱圈的圆心角及板块尺度不宜过大,板块厚度在满足稳定性要求的基础上可做适当调整,而锚固钢筋应尽量做到均匀布置.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2007(040)011【总页数】7页(P1284-1290)【关键词】水垫塘;反拱型底板;体型;稳定性【作者】马斌;练继建;杨敏;李毅佳【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津理工大学经济管理学院,天津,300191【正文语种】中文【中图分类】TV653我国目前在建的高坝大部分位于深山峡谷中，一般具有窄峡谷、高水头和大流量等特点，如二滩、小湾、溪洛渡和拉西瓦等，它们普遍采用表、中联合泄洪，水垫塘消能的布置形式．水垫塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是实现消能防冲的关键所在．反拱型水垫塘是利用河床基岩的天然形状将底板做成反拱形，利用拱形结构的力学特性，将射流冲击荷载传递到两岸山体或拱座，充分发挥混凝土材料的抗压特性和拱结构的超载能力，提高底板的整体和局部稳定性．根据已有的研究成果，反拱型水垫塘底板结构抵抗破坏的能力强，其稳定性大大优于平底板，在相同运行工况下，反拱型底板的安全系数可达平底板的2～3倍[1—4]．国外较早地采用了反拱水垫塘[5]，如西班牙 Susqueda双曲拱坝、南非P.R.Le.Roux双曲拱坝和格鲁吉亚Inguri拱坝等．20世纪80年代初，我国学者郭怀志等结合一中型砌石坝工程，对反拱形水垫塘进行了研究[6]．随后，在构皮滩、小湾和溪洛渡等工程的试验中，均对反拱形水垫塘进行了研究．湖南长潭岗水电站首先建成了反拱形水垫塘[7]，拉西瓦水电站也拟采用反拱型水垫塘．目前，人们对反拱型水垫塘进行了大量研究，但主要集中在水垫塘内的水流流态特征、底板表面的时均及脉动压强、脉动压力沿缝隙的传播规律、水垫塘底板稳定计算模式及控制指标等，虽然也有学者对反拱型底板的体型进行了研究[8]，但仅考虑了部分参数，反拱型底板体型对稳定性的影响还有待进一步研究．笔者以拉西瓦工程为背景，利用有限元数学模型和局部稳定性力学模型，主要从反拱水垫塘的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析反拱水垫塘结构型式对稳定性的影响，为工程设计提供参考．由于射流水舌冲击压力的随机性，造成了反拱形水垫塘底板沿拱圈方向在任一时刻的荷载分布是不均匀的．同时，底板板块间缝隙的存在又使拱圈不成为一个整体弹性结构．因此，反拱形水垫塘底板在一些特定条件下有不能形成拱作用的可能性．即在某一时刻，作用于某单个板块的上举力出现大的数值，形成一种“随机拱”．此时，这个板块有失稳(出穴) 的趋势，两侧的板块可视为其拱座．如果此时该板块的上举力大于阻止其失稳的抗力，反拱底板就产生局部破坏．与此同时，作用在一个拱圈各板块上的荷载又通过拱结构传至拱端．如果拱座提供的稳固力大于拱结构传来的推力，则这个拱圈整体是稳定的．因此，反拱形水垫塘底板存在局部失稳和整体失稳两种稳定模式[9]．与整体失稳对应的是拱座的抗力，即拱座在保证安全的前提下所能承受的由板块传到拱端的最大推力．与局部失稳对应的是与平底板类似的单个板块的抗力．1.1 整体稳定性研究方法整体失稳是当反拱底板在水动力荷载或扬压力作用下形成整体上抬时，上举力或扬压力形成的拱端推力超过“拱座”的抗力产生的失稳．反拱底板的整体稳定依赖于拱座的稳定，即反拱水垫塘的稳定取决于拱圈稳定，拱圈稳定取决于拱座稳定．由于反拱底板结构的受力条件比较复杂，且各底板板块间存在缝隙，又使其不成为一个整体弹性结构，因此笔者利用ANSYS有限元通用软件，建立反拱水垫塘有限元模型[10]，对其整体稳定性进行分析．该模型采用三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋与基岩的位移协调、接触元模拟衬砌块接缝以及底板、拱座、基岩和边坡间的碰撞、滑移行为，采用附加质量考虑水体与底板之间的相互作用，能较为全面地反映水垫塘的受力特点和失稳机制．1.2 局部稳定性研究方法局部稳定性是建立在“随机拱”模型基础之上的稳定分析方法[11]．1.2.1 边缘衬砌块的稳定性分析边缘衬砌块临界破坏状态的受力情况如图1所示．图中：下标“i”表示边缘第i 块衬砌板；Ld为块体极限平衡时所需上举力；A为锚固力；N为拱的轴向推力；F 为板块间的摩擦力；τ为板块基岩间的摩擦力；f为混凝土块间的摩擦系数；fd为混凝土与基岩之间摩擦系数；α为板块中心线至水垫塘中心线的夹角；β为板块半中心角．边缘衬砌块没有承受其他块体传来的拱推力时，即拱的作用未形成时，板块受力分析是最危险的．由于水流荷载完全是随机的，运行过程中完全可能存在不形成拱作用的状态．由受力平衡可得：径向力平衡切向力平衡得边缘衬砌块（径向）稳定安全系数为式中Lmax为作用在板块上的水流最大上举力．1.2.2 中间衬砌块的稳定性分析当拱的作用形成后，即块体存在拱的轴向推动力．假定拱端提供的轴向推力为0N，切向锚固力为T，由边缘板块切向受力平衡可得由此可逆推出任意板块在临界平衡状态的轴向推力为当拱的作用形成后，根据中间板块径向受力平衡可得中间板块的安全系数为由以上分析模型可求出任一衬砌块的安全系数．拉西瓦双曲拱坝最大坝高 250 m，电站装机容量6×700 MW，为Ⅰ等大(1)型工程．坝址区为高山峡谷地貌，两岸坡陡峻，高差近700 m．坝后主要消能建筑物为水垫塘和二道坝．坝址的地形和地质条件决定了水垫塘更适宜采用反拱底板衬砌形式．反拱水垫塘长度约 218.30,m，横剖面按圆弧设计，底板最低点高程2,215.0,m，衬砌厚度 3,m，反拱中心角73.74°．每个拱圈内将底板均匀分成5块．水垫塘底板全断面布设锚筋并设有抽、排水设施，锚固水平底板，拱座为7.6 t/m2，边坡为5.0 t/m2．反拱水垫塘横断面见图2．3.1 反拱水垫塘圆心角对稳定性的影响对于弦长相同的反拱结构，其圆心角(或曲率)越大，则拱端推力的垂向分量也越大．较小的圆心角可充分利用拱座(山体)提供稳固力的水平分量，对于反拱结构的整体稳定性有利．然而，对于单个板块的局部稳定性来说，情况正好相反．因此，研究反拱结构的曲率对整体稳定性和局部稳定性的影响是有实际意义且必要的．建立拉西瓦水垫塘不同圆心角的有限元模型，计算工况为扬压力150 kPa，各圆心角下拱端推力及板块位移结果如图3和图4所示．图中板块相对位置均以α /θ 表示，α为各板块中心至水垫塘中心线夹角，θ 为水垫塘半圆心角，板块位移为底板沿径向的位移，以指向圆心方向为正．由计算结果可以看出，随着圆心角的增大，拱端推力逐渐增大，当圆心角为设计值(73.74°)时，拱端推力达到99.9×9.8 kN/m，然后开始有所减小．当圆心角小于45°时，拱端推力的水平分量逐渐增大，圆心角在45°～75°时，变化不大，圆心角大于75°后，水平分量开始减小．而拱端推力的垂直分量则随圆心角的增大，一直增大，使得拱座的竖向位移也呈现出相同的变化趋势，但是拱座的整体位移、应力值都不大．水垫塘底板块的最大位移逐渐减小，当圆心角较小时，中间板块位移较大，边缘板块位移较小，位移分布呈“Π”型，随着圆心角的增大，中间板块和第2、4块板块的位移逐渐减小，中间板块的位移减小更为显著，边缘板块的位移则逐渐增大，当圆心角达到105°时，边缘板块的位移已经超过其他板块，位移分布呈“V”型．图5为不同圆心角的反拱结构单个板块的极限平衡抗力，其中L为极限抗力，G 为各板块自重．从图5（a）中可明显看出，单个板块局部稳定极限抗力随反拱结构圆心角的增大而增大．当圆心角达到30°时，拱的作用就已经非常明显．拱形底板块的抗力比平底板增加了1倍多，第2、4板块也增加了0.7倍，而90°圆心角则分别增加了2.14倍和1.25倍．推力水平分量取得较大值，同时又使板块的极限抗力不致过低，即充分发挥拱在这两方面的作用．由图5（b）可分析各板块极限抗力的变化趋势，当圆心角大于30°时，曲线斜率降低，即抗力增量减小；但同时考虑拱端推力水平分量在45°～75°之间趋于平稳，当圆心角大于75°时，拱端推力水平分量急剧下降．综合两方面的因素，反拱结构圆心角在45°～75°之间较为适宜，应视工程具体情况而定．3.2 板块厚度对稳定性的影响当底板厚度变薄时，拱座位移和应力、板块位移、锚筋应力都呈增大趋势．扬压力主要靠板块自重、锚固钢筋力和拱座提供的推力来承担，以保持结构的稳定．由于底板厚度变薄，自重减轻，拱端推力和锚固钢筋应力势必增大，极限抗力减小，对于反拱底板的整体稳定性及局部稳定性均不利．因此，必须在拱座能维持稳定的情况下，板块的厚度才可适当减小．3.3 板块尺度对稳定性的影响在扬压力的作用下，反拱水垫塘底板分块数量对拱端推力及拱座、板块位移的影响不大．这是因为在扬压力(均布荷载)的作用下，不同数量板块构成的拱圈具有相同的拱作用．水垫塘在施工中的纵缝和横缝将底板分割成一定尺度的块体．反拱型底板块尺度对局部稳定性的影响主要体现在以下两方面：一是水流荷载(上举力)因板块尺度的不同而异；二是拱结构本身效应使其极限抗力有所不同．3.3.1 板块尺度对抗力的影响利用“随机拱”模型对板块尺度对抗力的影响进行分析，结果如图 6所示．由图可知，板块极限抗力随尺度的增大而减小，说明反拱形底板单个板块主要靠其他板块对其约束．因此，从反拱结构角度看，板块尺度越小越对局部稳定有利．但是，板块尺度小，作用其上的上举力就可能大，特别是脉动上举力会增大．3.3.2 板块尺度对上举力的影响上举力为作用在板块上下表面的动水压力之差．抗力增量系数为以单个板块(单个板块的圆心角2β与整个反拱圆心角θ的比值为0.111)的抗力为1，当板块面积增大(沿拱圈方向)后的抗力与单个板块抗力的比值．荷载增量系数与抗力增量系数类似．由文献[12]的点面脉动上举力转换系数计算出沿拱圈方向不同尺度的水流荷载，同时计算出相应的抗力，当板块尺度变化时，板块抗力增量与荷载增量的关系如图7所示．由图 7可知，当板块的尺度增大到2β/θ=0.20时，抗力增量速率降低，而荷载增量速率不变．因此，反拱形底板垂直水流方向的尺度不宜过大，否则，将不能充分利用其他板块对其产生的约束力．根据随机拱的力学模型，这种约束力主要来自其他板块的切向摩擦力和锚固力．3.4 锚固水平对稳定性的影响在扬压力的作用下，钢筋的不同锚固水平产生的拱端推力可能不同．在保证结构安全运行的前提下，应尽量减少锚固钢筋量，或是总体锚固量一定(同一拱圈)时，应通过合理布置钢筋来增强结构稳定．因此，有必要对扬压力作用下不同钢筋锚固水平下的整体稳定性进行研究．这里将钢筋的锚固水平分为两种情况考虑：①保持同一拱圈上锚固钢筋总量不变，在这里锚固总量为各个板块均匀锚固7.6 t/m2时的钢筋量，保持第2、4块的锚固水平不变，改变A1或 A5（A1=A5）与中间板块A3之间锚固水平的相对关系；② 同一拱圈均匀锚固，改变总体锚固水平．两种情况下的拱端推力计算结果如图8所示．由计算结果可知：①在扬压力(均布荷载)的作用下，当同一拱圈上的钢筋锚固量总体不变时，钢筋愈趋向于均匀布置时产生的拱端推力愈小，板块、拱座的位移和应力变化趋势与拱端推力一致，同一拱圈内的不均匀锚固可能使个别板块位移加大，从而加大拱端推力，同时也使局部区域的锚固钢筋达到屈服，所以在扬压力的作用下，应尽量均匀布置钢筋，使拱端推力较小，有利于反拱水垫塘底板的整体稳定；②同一拱圈上均匀锚固时，随锚固水平的增加，拱端推力降低趋势变缓，大约锚固5,t/m2后，再增加锚固量，拱端推力和拱座位移的变化效果不显著．拱端力系数N0/G =0.57时，两种锚固水平情况下的极限抗力计算结果如图9所示．本文在建立有限元数学模型和反拱形水垫塘底板失稳模式基础上，以拉西瓦水垫塘为例，分析了反拱水垫塘底板衬砌结构型式对稳定性的影响，进一步印证了反拱型底板的稳定性优于平底板的观点，并得到以下结论：(1) 综合圆心角对整体稳定性和局部稳定性的影响，反拱结构圆心角在45°～75°之间较为适宜．曲率过大，拱端推力的水平分量就小，不能充分利用拱座(拱端两侧山体)提供的较大水平力，或者说不能充分利用山体的横向约束；曲率过小，抗力不大，而且拱端推力水平分量也不大．(2) 对于局部稳定性来说，单个板块圆心角与整个反拱结构圆心角的比值不宜超过0.2．板块横向尺度过大，荷载增量大于抗力增量，不利于板块的稳定．(3) 底板厚度变薄将会导致拱端推力和锚固钢筋应力的增大，在保证拱座能维持稳定的情况下，板块的厚度可适当减小．(4) 钢筋锚固应尽量沿拱圈均匀分布，同一拱圈的不均匀锚固会导致个别板块位移加大，从而加大拱端推力，同时也使局部区域的锚固钢筋达到屈服，当同一拱圈上均匀锚固时，随锚固水平的增加，拱端推力降低趋势变缓，大约锚固5,t/m2后，再增加锚固量，拱端推力和拱座位移的变化效果不显著．【相关文献】［1］崔广涛，彭新民，杨敏．反拱型水垫塘——窄河谷大流量高坝泄洪消能工的合理选择［J］．水利水电技术，2001，32（12）：1-3．Cui Guangtao, Peng Xinmin, YangMin.Reasonable selection of high arch dam energy dissipator in narrow valley under large discharge— counter-arch slab plunge pool［J］.Water Resources and Hydropower Engineering, 2001, 32（12）：1-3（in Chinese）.［2］杨敏，练继建，王继敏, 等．水垫塘反拱形底板局部稳定性［J］．天津大学学报，2004, 37（7）：605-609．Yang Min，Lian Jijian，Wang Jimin，et al．Study on local stability of counter-arched slab in plunge pool［J］．Journal of Tianjin University, 2004, 37（7）：605-609（in Chinese）．［3］孙建，陈长值．反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较［J］．长江科学院院报，2003, 20（4）：3-6．Sun Jian，Chen Changzhi．Comparison of aspects on stability of inverted arch cushion pool with those of flat bottom one［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003, 20（4）：3-6 (in Chinese)．［4］彭新民，王继敏，崔广涛．拱坝水垫塘底板拱型底板受力与稳定性实验研究［J］．水力发电学报, 1999, 18（2）：52-59．Peng Xinmin，Wang Jimin，Cui Guangtao．Study on the stability of slab in plunge pool of arch dam［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，1999, 18（2）：52-59（in Chinese）．［5］艾克明．拱坝泄洪与消能的水力设计和计算［M］．北京：水利电力出版社，1987．Ai Keming．Hydraulic Design and Its Computation of Energy Dissipation and Flood Discharge for Arch Dam[M]. 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Water Resources and Hydropower Engineering，2002，33（3）：40-42（in Chinese）．［10］马斌．高拱坝及反拱水垫塘结构泄洪安全分析与模拟［D］. 天津：天津大学建筑工程学院，2006．Ma Bin. Safety Analysis and Simulation of Flood Discharge of High Arch Dam and Counter-Arch Plunge Pool［D］. Tianjin：School of Civil Engineering, Tianjin University，2006（in Chinese）．［11］练继建，杨敏，安刚．反拱型水垫塘底板结构的稳定性研究［J］. 水利水电技术，2001，32（12）：24-26． Lian Jijian，Yang Min，An Gang．Study on stability of counter-arch slab in plunge pool［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2001，32（12）：24-26（in Chinese）．［12］林继镛，练继建．二元射流作用下点面脉动壁压幅值计算［J］. 水利学报，1988，19（12）：34-40．Lin Jiyong，Lian Jijian．Calculation of the point and area wall fluctuatingpressure amplitude for twodimensional jet［J］. Journal of Hydraulic Engineering, 1988，19（12）：34-40（in Chinese）．。

试析我国高坝泄洪消能研究的新进展

我国高坝泄洪消能研究的新进展
赫兰波
（杜尔伯特蒙古族自治县乌双管理站，黑龙江大庆１６３２００）摘要：当前我国的水利发电正在各地如火如荼的展开，方便了人们的生活，促进了经济的发展。同时对于水利发电涉及到的各领域的技术要求，也在不断的提高。比如高拱坝泄洪消能方面，一直都是比较热门的研究领域。我国的高坝泄洪消能方面，已经达到了国内外比较先进的水平。结合实际情况，并在查阅了相关资料的基础上，对高拱坝泄洪消能问题进行了深入浅出的研究和分析。关键词：高拱坝；泄洪；消能
于挑流消能，我国目前大部分在建与待建的大型水电站，如三峡水高坝泄洪消能是水电站的重点研究内容之一，是关系的水电站利枢纽、小湾、龙滩、溪洛渡、糯扎渡、白鹤滩等均采用了以挑流消能的发电效率关键问题之一，所以对高坝泄洪消能的研究具有重要的为主体的泄洪消能方案。现实意义。高坝泄洪消能的研究比较复杂、需要我们综合分析考虑在过去的高坝工程中之所以选择底流消能的情况较少，主要原多个方面的问题。我国在不断学习、不断实践以及不断创新的过程因在于经济和技术这两个方面。经济上来讲，就是采用底流消能方中，掌握了一套独特的方法和技术，在高坝泄洪消能领域的研究取式的话，所造的底流消力池成本较高，这将导致工程投资过大。而且得了不错的成绩，提高了水电站的发电效率以及经济效益。因为高坝工程的工作水头比较高，所以消力池的临地流速也非常的２高坝泄洪消能研究快，对消力池的安全稳定造成了影响。但是和挑流消能比较，底流消从国内外现状看，高拱坝已成为大型水电站的主选坝型之一。能对地质条件的适应能力明显更强，而且底流消能所造成的洪雾也我国目前在建与待建的一批大型水电站，如小湾、溪洛渡、锦屏、白比较小，对环境的影响可以不计，那么当前人们逐渐提高了对高坝鹤滩、构皮滩、乌东德等，都采用了高拱坝布置方式。泄洪雾化方面的要求之后，选择底流消能将更加合理。我国近期投我国的高拱坝工程具有自身独特问题，它主要特点表现在河谷入开发的大型水电站如向家坝、官地等都采用了底流消能方式，就较窄、水头较高、泄量较大等方面，所以泄洪消能方面具有着艰巨复是很好的实例。杂的挑战，并且选取了独特的泄水建筑物构架，如坝身开孔泄洪以近年来，我国学者结合向家坝水电站，针对高水头、大流量条件及岸边益洪道方式，甚至还有泄洪洞分流法。１９９８年我国建成了一下底流消能技术进行了深入研究，提出了一种新型的跌坎式底流消个具有标志性意义的二滩水电站高拱坝工程，它坝高最高达到２４２能工。通过实验我们得出，新型的消能工可以大幅度的减少消力池米，下泄流量达到了最多２３９００立方米，秒，这其中仅坝身的泄量临底流速以及脉动压强，对于消力池的安全稳定运行非常有好处，就高达１６３００立方米／秒，这些优秀的成绩已经达到了国内外前列而且还可以做到水头高、流量大等方面的泄洪消能要求，更加有利水平。为解决坝身泄洪消能的技术难题，通过大量的技术论证与科于底流消能运用到高坝建设当中。所以在这项研究成果推出之后，学研究，最终采用了“ 坝身表孔与深孔双层泄水孔口布置、下游设水我国有很多水电站采用了这种跌坎型底流消能工的形式，这其中官垫塘与二道坝、通过水舌碰撞促进消能、并辅以岸边泄洪洞泄洪” 的地和金安桥水电站是非常好的例子。对于这种新型的消力池来说，那么对于这个问题我们要考虑的因素很泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄洪考验，表关键在于跌坎高度的选择，明是成功的。在此之后的高拱坝工程，大都沿用了上述 “ 二滩模式 ” 。多，比如入池单宽流量、消力池自身长度、入池流速、尾坎的高度以近年来，随着科研与设计水平的不断提高，高拱坝坝身泄洪规及尾坎下游水位等方面。４展望与建议模在二滩水电站基础上又有了大幅提高，如溪洛渡与自鹤滩水电站的坝身最大泄量均已达到３００００立方米／秒的世界级水平，坝身泄高坝泄洪消能技术的基础性理论研究亟待加强。从发展历史与洪功率也在二滩水电站２６５６０ＭＷ的基础上增大了１倍。对于高拱现状看，高坝泄洪消能仍然是一门实践性很强的应用性学科，其研坝的这种独特的二滩模式而言，最关键的问题是其溢流到表孔的出究方法目前仍以试验研究为主要技术手段，在解决实际工程问题往往需要与已建工程成败的经验教训与研究者的经验积累。尽口鼻坎的布置，就当前的技术水平来看，可以达到较好的控制底板时，冲击压强的目的，使用较多的是那种射出角度不同的、差动较大的管如此，同其它学科一样，基础理论方面的研究依然十分重要。而目布置方式，这样可以将流水的能量分散，使得水垫塘底板冲击压强前的情况是，大量研究工作往往受限于研究周期与经费，只能立足降低，另一方面通过对溢流前缘采用舌形出口鼻坎和在这基础上多于解决具体工程的生产实际问题，而缺乏系统而深入的总结归纳与设置分流齿坎也是比较有效果的工程措施。理论分析，致使这种学科对于其自身的理论基础方面的研究较为不非碰撞式坝身泄洪消能布置研究。在“ 二滩模式 ” 中，表孔与深足，同时进展速度不理想，在高速水流水气两相流理论、空化空蚀理孔双层水舌之间的碰撞在促进消能的同时，也会使泄洪雾化有所加论、岩石冲刷理论、高速水流数值模拟计算理论这些领域中最近几剧。为此，我国学者在二滩模式的基础上，正在探索进行非碰撞式坝十年都没有做出显著的成果。那么我们都应该清醒的认识到，这其身泄洪模式的研究。中对于理论方面的研究和发展的缺乏，限制了学科的发展空间。所深厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能布置研究。目前，我国以应当加大对这方面研究的重视程度。结束语西南地区有几座高拱坝工程，如乌东德水电站与松塔水电站等都面临下游覆盖层深厚的技术难题，若仍采用传统的“ 二滩模式” ，则需综上所述，高坝泄洪消能问题是复杂的，需要多方面的努力和我国在这个领域中已经取得了较为不错的成果，达到了国要修建规模宏大、造价昂贵的水垫塘与二道坝，而实际情况是，由于配合的，内外比较先进的水平。比如在非碰撞式坝身泄洪消能布置研究、深下游水垫深厚，水垫塘底板能承受的冲击压强已十分有限，而且消厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能布置研究领域我国取得了非能区的水体体积也已足够大，足以耗散下泄能量，此时采用既护坡又护底的大型人工水垫塘与二道坝布置方案，从技术与经济两方面常显著的进步。相信在我国不断的实践、学习、创新的过程中，高坝

高拱坝水垫塘底板稳定分析研究

ＹＡｎ— ｉＵＮＷｅｊｎａ
（ｉｕｎＩｖｓｇｔｎＤｓｎ＆ＲｓａｈＩｓｔｔｏＷａｒｅｏｒｅａｄＨｄｏｏｅ，ｈｎｄ１０２Ｃｉ）ＳｃａｎｅｔａｏｅｉｈｉｉｇｅｅｒｔｕｅｆｔｓｕｃｓｎｙｒｐｗｒＣｅｇｕ６０７；ｈｎｃｎｉｅＲａ
ＡｂｔａｔＡｓｆｒｔｅａａｙｅｆｆｔｓａｎｅｅｓｔｒｃｓｉｎｐｎｓｕｄｒｈｇｒｈｄｍ，ｉｉｃｎｌｄｄｆｍｔｅｓｇａａｙｅｓｒｃ：ｏｎｌｓｓｏａｌｂａｄｒｖｒｅｗａｅｕｈｏｏｄｎｅｉｈａｃａｈｌｔｓｏｃｕｅｒｓｒｓｉｎｓｓｏｎｌａｄｍｏｅｅｔｏｓｃｎｒｔｌｃｈｔｈｔｂｌｙｏｅｉｖｒｅｕｈｏｏｄｉｕｅｉｒｔａｆａｎｎｅｅｓｍｅｃｒｕｎｄｌｓｆｉｏｃｅｅｂｏｋｔａｅｓｉｔｆｔｅｔｄｃｓｉｎｐｎｓｐｒｔｔｏｔｏｅｕｄｒｔａｌｍ— ｔｓｔｔａｉｈｎｓｏｏｈｌｆｈｃｓｎｅ，ｈｗｖｒｈｔｉｔｆｎｅｅｕｈｏｏｄｉｆａｌｉｎｔａｆｂｔｎｓｎｅｔｅａｃｂｔｎｓａｅｄｓａｉｚｄ，ｔｃｓｏｅｅ，ｔｅｓａｌｙｏｖｒｄｃｓｉｎｐｎｎｙｌｄｏｔｕｍｅｔ．Ｏｃｒｈａｕｍｅｔｒｅｔｌｅａｂｉｉｔｓｉｌａｈｏａｈｂｉｉｗｉｅｄｔｈｉｒｆｅｔｅａｃｉｇｔｌｌａｏｔｅｆｌｅｏｎｉｒｈｒ．ｌａｕｒｎＫｅｏｄ：ｉｈａｃａｙＷｒｓｈｇｒｈｄｍ；ｗａｅｕｈｏｏｄ；ｂｓｌｂ；ｓａｉｔｎｌｓｓｔｒｃｓｉｎｐｎａｅｓａｔｂｌｙａａｙｉｉ

高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计

高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计刘沛清(北京航空航天大学五系流体所)摘要本文分别对高拱坝下游平底水垫塘和反拱水垫塘底板块的稳定性问题进行了分析，并通过对板块的受力分析建立了相应的稳定性条件。

结果可供设计部门应用。

关键词水垫塘，底板块，稳定性条件。

本文于1998年11月4日收到.本文得到国家自然科学基金项目的资助(批号：59679004)1 高拱坝下游水垫塘的消能机理、体型设计与板块的防护问题挑跌水流落入下游水垫塘后，具有相当大的机械能(动能)和对河床底部的冲击力。

为了避免下泄的高速射流对河底的冲刷破坏，要求坝下游水垫塘有足够的深度和体积，以消刹下泄集中射流的能量，并通过射流在水垫塘内的充分扩散，减轻其对河床底部的冲击能力(包括压强和流速)。

射流在水垫塘内的流动结构和特征虽然较为复杂，但宏观上可看作为淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态，水垫的消能机理实质上类似于淹没射流和水跃的消能机理。

从流态结构看，进入水垫塘中的射流为淹没冲击射流[1]，即沿主流方向存在三个不同性质的子区域，自由射流区(Ⅰ)、冲击区(Ⅱ)和壁射流区(Ⅲ)。

其中，Ⅰ区内主流近似按直线规律扩散，但扩散角一般比空气中的射流大，并由于卷吸的作用，在主流区两侧各形成一旋滚区；在Ⅱ区内射流受到底板的折冲，主流转向，流速迅速减小，压强急剧增大，由该区产生的强大冲击压力是造成底板块失稳破坏的主要根源；而在Ⅲ区内，高速主流贴底射出，其沿程的扩散规律类似于壁射流，但随水垫深度的增大，主流顶部的表面旋滚区逐渐被淹没于水下，形成淹没混合流。

从消能观点看，水垫塘的消能机理实质上是主流在沿程变化的过程中所发生的能量传递、再分配和耗散的过程，主流的时均动能通过强紊动剪切和扩散作用不断地传递给紊流脉动(用以紊动生成和紊动耗散)和塘内的大尺度旋涡区(以维持这些大尺度旋滚区的转动)，同时在这种能量的传递、再分配过程中伴随因时均剪切作用引起的粘性耗散.一般而言，对于挑跌流式水垫塘消能型式，单位体积消能率η＜20kW/m 3，我国二滩等工程坝下水垫塘最大单位体积消能率η=10～15kW/m 3。

高拱坝水垫塘消能机理及水力学参数研究进展

研究，并取得了丰富的研究成果，成功修建了一批具有
世界水平的高拱坝工程，如二滩、小湾、锦屏一级、溪洛渡、构皮滩等。这些工程的泄洪流量及泄洪功率均较
的涡结构等紊动特性进行了研究 ¨ 。相对而言，自由紊动射流的研究已经有较为系统的理论成果
者也展开了较多的实验和理论分析。
大，为保证泄洪安全，坝身孔口下游设置了全面衬砌的人工混凝土水垫塘。但是，当前高拱坝泄洪消能研究
仍处于半经验半理论的水平，很多研究成果都是在水
，而
在水利工程中，关于淹没冲击射流理论的研究，诸多学
直线规律，该结论已经得到实验成果的证实。对小冲击高度射流，其横向扩散符合直线规律，流速扩散则
动压强及紊动强度等水力学参数的研究进展情况，并
对下一步研究方向进行了展望。
１理论基础
断面所产生的自由剪切层中涡结构的发展和演变过程密切相关，Ｇ．Ｈ．Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ早在１９５３年就对紊动射流
安全可靠的消能方式。自２０世纪７０、８０年代开始修
建高拱坝以来，我国在其泄洪消能问题上展开了深入
水垫塘消能方式应用比较广泛，同时也被证实是一种

平底板[水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析(马斌练继建杨敏)]

平底板[水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析（马斌练继建杨敏）]摘要：反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，其受力过程表现为一种高度的非线性．为此，采用AN-SYS程序中三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋的黏结滑移，接触单元模拟水垫塘底板结构之间的接缝以及底板、拱座与基岩之间的接触面，建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘的工程实例说明了该模拟方法的合理性，并应用该方法对拟建的拉西瓦反拱型水垫塘进行稳定性分析，结果表明，反拱型底板具有较好的受力条件，其稳定性能够得到保证．关键词：水垫塘；反拱型底板；三维非线性弹簧单元；接触单元；稳定性分析目前我国在建和拟建的高拱坝大部分位于深山峡谷中，一般具有窄峡谷、高水头、大流量的特点，其泄洪消能问题是大坝枢纽设计中关键技术问题之一．水垫塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是实现消能和防冲的关键所在．笔者通过在ANSYS中用COMBIN39三维非线性弹簧单元来模拟锚固钢筋和混凝土、基岩之间的黏结滑移，利用接触单元模拟接触行为，建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘实际观测结果与计算值的比较说明了该模拟方法的可行性，并应用该模拟方法进一步分析了拉西瓦水垫塘反拱型底板的稳定性，为工程设计提供参考．1黏结滑移在ANSYS中的模拟目前钢筋混凝土结构的有限元模型主要有分离式、组合式和整体式3种形式[7]J．在本文中，采用分离式模型中锚筋和混凝土、基岩之间插入联结单元模拟锚筋与混凝土、基岩之间的黏结滑移．在ANSYS有限元分析中，混凝土单元、基岩单元可以使用SOLID65或SOLID45单元，锚筋单元可以使用LINK8单元或者PIPE20单元，混凝土、基岩单元和锚筋单元节点连接则采用的是三维非线性弹簧单元(COMBIN39)，在平行于锚筋方向和垂直于锚筋方向布置，锚筋单元节点和混凝土、基岩单元节点重合，如图1所示．1．1黏结应力-滑移本构关系本文中采用模式规范CEB-FIPMC90中建议的4段式模型[8]，如图2所示，图中τu为极限强度，τr为残余强度．各特征值取值见表1．τ-曲线反映了平均的黏结应力-滑移关系，实际上在锚固深度某不同处这种关系是变化的，可以用位置函数ψ(某)[9]来描述，即黏结锚固本构模式描述锚固长度内每一“点”的局部黏结应力-滑移关系，其可为τ-关系式ψ()和位置函数ψ(某)的乘积，即1．2三维非线性弹簧元的力学模型有限元分析中，为模拟黏结滑移现象，常采用双弹簧联结单元，它是一组相互垂直的弹簧，可以分别传递两点之间的法向力和剪力．这种联结单元具有非线性刚度，但是没有实际几何尺寸．用来模拟黏结力的联结单元的弹簧刚度为式中：Kh为平行于钢筋长度方向的弹簧刚度；Kv为垂直于钢筋长度方向的弹簧刚度；E为混凝土受拉弹性模量；bn为梁在钢筋高度处的净宽；b为梁宽；l为联结单元沿锚筋纵向的间距；A为钢筋单元与混凝土(基岩)单元的交界面面积，A=πdl；d为一根钢筋的直径。

高拱坝水垫塘运行期监测成果分析——以溪洛渡水电站为例

第51卷增刊（2）2020年12月人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，Supplement （Ⅱ）Dec．，2020收稿日期：2019－05－27作者简介：李端有，男，教授级高级工程师，主要从事水利工程监测技术及方法研究工作。

E －mail ：lidy@mail．crsri．cn文章编号：1001－4179（2020）S2－0329－05高拱坝水垫塘运行期监测成果分析———以溪洛渡水电站为例李端有1，2，3，叶斌1，2，3，李波1，2，3（1．长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北武汉430015；2．长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉430015；3．长江科学院国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉430015）摘要：水垫塘是高拱坝最重要的泄洪消能建筑物之一，监测仪器可有效监控水垫塘的工作状态。

以溪洛渡高拱坝为例，根据监测资料对水垫塘的内部变形、应力应变及渗流渗压的规律进行了全面分析。

结果表明：水垫塘内部变形及应力应变与温度及水垫塘塘内水位具有较强的相关性，其渗流渗压状态则与大坝泄洪状态及水垫塘内水位相关；水垫塘在运行期内部变形、应力应变及渗流渗压的发展过程及特征符合一般认知规律，状态正常。

研究成果可供大坝安全运营管理人员参考。

关键词：水垫塘；安全监测；内部变形；应力应变；渗透压力；渗流量；溪洛渡水电站中图法分类号：TV861文献标志码：ADOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．083近年来随着我国经济的发展，一大批高拱坝陆续修建成功或者正在建设，如二滩（240m ）、锦屏（305m ）、构皮滩拱坝（233m ）、拉西瓦拱坝（250m ）、白鹤滩拱坝（289m ）等［1］。

水垫塘作为下游河床的主要防护设施，其自身的安全性是实现消能和防冲的关键。

由于高拱坝坝身泄洪孔与水垫塘较大的高程差所带来的高速水流对水垫塘造成巨大冲击，其水垫塘的安全性能愈发值得关注。

高土石坝大交角挑流消能水垫塘优化布置

第40卷第5期Vol.40No.5水利水电科技进展Advances in Science and Technology of Water Resources2020年9月Sep.2020基金项目:国家重点研发计划(2016YFC0401904);中央级公益性科研院所专项资金(Y119004);华能科技项目(HNKJ15⁃H12)作者简介:杨家修(1963 ),男,教授级高级工程师,硕士,主要从事高坝结构设计研究㊂E⁃mail:yangjx⁃gyy@DOI:10.3880/j.issn.10067647.2020.05.002高土石坝大交角挑流消能水垫塘优化布置杨家修1,张陆陈2,庞博慧3,吴时强2,薛万云2(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州贵阳　550002;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.华能澜沧江水电股份有限公司,云南昆明　650214)摘要:通过如美水电站整体模型试验,从水流流态㊁水垫深度㊁动水压力㊁下游河道流速分布等特性,对比研究了增设二道坝和降低底板高程两类优化方案㊂结果表明,大交角挑流消能水垫塘下游增设二道坝,其效果与二道坝高度㊁泄量㊁河谷宽度等密切相关,会恶化出流与下游河道的衔接;降低水垫塘底板高程对下游衔接影响较小,且可有效增加水垫深度,降低水垫塘临底水力指标㊂关键词:大交角;挑流消能;水垫塘;脉动压力;水流流态;下游衔接中图分类号:TV131 文献标志码:A 文章编号:10067647(2020)05000904Optimizing layout of plunge pool for a high earth dam with large angle of ski⁃jump energy dissipation //YANG Jiaxiu 1,ZHANG Luchen 2,PANG Bohui 3,WU Shiqiang 2,XUE Wanyun 2(1.Guiyang Engineering Corporation Limited ,Power China ,Guiyang 550002,China ;2.State Key Laboratory of Hydrology⁃Water Resources and Hydraulic Engineering ,Nanjing Hydraulic Research Institute ,Nanjing 210029,China ;3.Huaneng Langcang River Hydropower Inc.,Kunming 650214,China )Abstract :Through the integral model test of the Rumei Hydropower Station,characteristics of flow pattern,water cushion depth,hydrodynamic pressure and velocity distribution at the downstream channel were studied.Optimization schemes of adding a subsidiary dam and lowering the bottom elevation of the plunge pool were compared.The results show that the effect of adding a subsidiary dam downstream the plunge pool is closely related to the height of the subsidiary dam,the discharge and the width of the valley,and can worsen the joint of the outflow and the downstream channel.Lowering the bottom elevation of the plunge pool has little influence on the downstream connection,and it can effectively increase the depth of the water cushion and reduce the near⁃bottom hydraulic indexes of the plunge pool.Key words :large angle;ski⁃jump energy dissipation;plunge pool;fluctuating pressure;flow pattern;downstream connection 由于土石坝坝身不能溢流,泄水建筑物需设于岸边,与坝身挑流消能不同,岸边泄水建筑物挑流消能时,射流中心线与下游中心线交角较大,称之为大交角”挑流消能[1]㊂大交角挑流消能一般直接将水流泄入河道,重点关注归槽及冲刷问题㊂池明阳等[2]采用异型挑坎+多面体消能工方案解决了枕头坝电站江沟泄洪洞水流归槽问题;邱勇等[3]对黑石罗水库泄洪洞采用了斜鼻坎,出坎水舌在平面上转向的同时沿竖向大幅拉开,增大挑射水流和空气的接触面积,降低了对下游冲刷;查双全等[4]在曼转河水库工程中采用高低坎㊁缩短无压段长度㊁控制闸门开度等措施控制挑射水流落点,减轻了对对岸山体的冲刷;韩成银等[5]利用分隔墩消除水流集中的现象,减轻河床冲刷;徐敏[6]认为燕尾坎对泄洪洞轴线与主河槽中心线交角相对不大的情况具有较好的适应性;谭哲武等[7]进行了窄缝燕尾新型组合挑坎的试验研究,在改善坎内水流流态㊁水舌形态㊁减轻下游河道冲刷方面起到了重要作用㊂对于高土石坝㊁大泄量㊁V 型河谷而言,高功率的水流直接泄入河道将产生极大的水力安全风险,因此需要修建水垫塘进行消能㊂目前水垫塘轴线一般与射流中心线交角较小,其研究重点包括消能工体型[8⁃9]㊁水垫塘消能防冲[10⁃11]㊁水流掺气[12⁃13]等,但对于大交角挑流消能水垫塘水力特性研究较少㊂本文结合西藏如美水电站,从水流流态㊁动水压力㊁下游河道衔接等方面,研究大交角挑流消能水垫塘优化布置㊂1　工程概况如美水电站拦河坝最大坝高315m,是规划中世界最高心墙堆石坝;坝址海拔近3000m,泄洪最大水头250m,最大泄洪功率33GW㊂泄洪系统包括三条洞式溢洪道㊁一条泄洪洞,采用挑流消能,挑射流中心线与水垫塘消能中心线夹角达43°,平面布置如图1所示㊂洞式溢洪道位于枢纽区右岸,设置3个开敞式孔口,孔口尺寸为15m×22m(宽×高)㊂洞式溢洪道由引渠㊁控制段㊁无压隧洞段㊁消能工段组成,洞式溢洪道洞室轴线间距45.0m,溢流堰采用WES 曲线实用堰,无压隧洞段采用3%底坡,末端接渥奇曲线,后接陡槽段㊁反弧段和挑坎㊂图1　水垫塘优化布置示意图(单位:m)图2　泄水建筑物出口体型(单位:m )泄洪洞轴线与洞式溢洪道平行,与1号洞式溢洪道间距31.2m,由进水塔㊁无压隧洞段㊁出口消能工段等组成,进水塔出口尺寸为7m×13m(宽×高),无压隧洞段采用3%底坡㊂张陆陈等[1]采用横扩散㊁平入射”的方法进行了优化,被设计单位采纳为可行性研究方案的推荐设计方案,泄水建筑物出口段纵剖面设计如图2所示㊂3条洞式溢洪道洞出口底高程2730.91m,横向扩散均始于圆弧段起点处,扩散角度3°㊂1号㊁2号洞式溢洪道出射口水平,位于圆弧段末端,其横向扩散段的长度为35.73m㊂3号洞式溢洪道圆弧段末端接16.50m 的水平段,出射口水平,位于水平段末端,其横向扩散段的长度为52.23m㊂泄洪洞出口底高程2702.34m,横向扩散也始于圆弧段起点处,扩散角度4.26°,出射口水平,位于圆弧段末端,其横向扩散段的长度为26.83m㊂水垫塘总长487.8m,底宽175m,设计方案底高程2590.00m,下游未设二道坝㊂如美水电站两岸河谷深切㊁坡陡险峻㊁岩层卸荷碎裂发育,坝址区下游3km 处为如美镇㊁业主营地及国家兵站,为进一步减小泄洪引起结构振动㊁场地振动㊁雾化等影响,需要进一步改善水流流态,减小水垫塘动水压力㊂2摇研究方法采用整体模型试验方法,以重力相似准则设计,模型比尺为1∶80㊂为便于观测流态,洞式溢洪道㊁泄洪洞㊁水垫塘均采用有机玻璃精加工㊂试验工况为设计水位(2895.00m)下,1号洞式溢洪道单独运行(泄量3200m 3/s)㊁3号洞式溢洪道单独运行(泄量3200m 3/s)㊁4孔均匀局开运行(总泄量3200m 3/s,4孔各泄800m 3/s)和4孔闸门全开运行(总泄量12000m 3/s)㊂下游水位控制断面位于水垫塘下游900m,泄量3200m 3/s 时下游水位为2623.68m,泄量12000m 3/s 时下游水位为2638.88m㊂水垫塘优化布置采用增设二道坝和挖深降低底板高程的方法,优化方案布置示意见图1㊂二道坝布置于水垫塘下游36m 处,上游面垂直,下游面坡度1∶1;二道坝顶宽度4m,分别试验2620m 和2630m(挖深方案)2个坝顶高程方案㊂二道坝坝顶高程2620m 方案示意如图1水垫塘下游虚线所示;挖深方案如图1水垫塘内虚线包络范围所示,水垫塘底板高程降低至2570m,较设计方案降低20m㊂3　试验结果3.1　水流流态3号洞式溢洪道单独运行时各方案水流流态对比如图3所示㊂图3　3号洞式溢洪道单独运行时的水流流态挑坎轴线不偏转㊁水平出射㊁横向扩散时,水舌入水角较小㊁横向宽度较大,相较前言所述的非连续坎或异形坎,尽管水流纵向消能空间略小,但水流紊动主要位于水垫塘中部和表面,对底板影响相对较小,且连续坎雾化影响较小㊂与设计方案水流流态[1]相比,增设二道坝方案抬高了水垫塘内水面高程,水舌挑距略有减小,纵向消能空间有所增大,但增幅较小,塘内流态变化不明显㊂变化较大的是出流与下游河道衔接流态:二道坝前水面略有壅高;二道坝顶高程2620m 时,坝后水流产生旋滚;二道坝顶高程2630m 时,二道坝下游存在较明显的二次跌流现象;而降低底板高程方案,水垫塘内流态以及与下游衔接流态没有明显差别㊂对于不同的运行工况,增设二道坝方案小泄量工况下水垫塘与下游衔接情况与3号洞式溢洪道基本一致;大泄量工况下二道坝前后水位差则不明显,基本能平顺衔接㊂降低水垫塘底板高程方案,较之设计方案,泄量及运行方式变化对流态影响较小㊂3.2　水垫深度不同方案水垫塘水垫深度如表1所示(表中水垫深度采用水垫塘不受水流泄洪消能影响的近坝端底板时均值)㊂二道坝顶高程2620m 时,3200m 3/s 泄量级下水垫塘水垫深度较设计方案提高了2.4~3.1m,12000m 3/s 泄量级下水垫深度仅提高了1.0m;二道坝顶高程2630m 时,3200m 3/s 泄量级下水垫深度较设计方案提高12.4~12.7m,12000m 3/s 泄量下水垫深度提高了5.0m;底板高程2570m 时,各泄量下水垫深度较设计方案提高了19.0~19.6m㊂通过增设二道坝的方法增加水垫,其效果与二道坝高度㊁泄量㊁河谷宽度等密切相关,二道坝越高㊁泄量越小㊁河谷越窄,增加水垫的效果越好,反之则效果不明显,如12000m 3/s 泄量级下,河道底部以上二道坝坝高20.0m 时,水垫深度也仅提高了5.0m㊂降低底板高程的方法增加水垫效果显著,水垫增量基本等同于底板高程降低量㊂表1　不同方案水垫深度m 泄洪工况设计方案二道坝坝顶高程2620m 二道坝坝顶高程2630m 水垫塘底板高程2570m 1号溢洪道单独运行31.634.444.051.23号溢洪道单独运行32.135.244.851.64孔局开3200m 3/s 33.636.045.652.64孔全开联合运行44.645.649.664.03.3　底板动水压力不同方案下水垫塘底板最大脉动压力均方根值σmax 及冲击压力值ΔP max 如表2所示㊂二道坝顶高程2620m 时,σmax 较设计方案减小了(0.07~0.81)×9.8kPa㊁ΔP max 相应减小了(0.08~0.92)×9.8kPa;二道坝顶高程2630m 时,σmax 较设计方案减小了(0.18~1.43)×9.8kPa㊁ΔP max 相应减小了(0.24~1.28)×9.8kPa;底板高程2570m 时,σmax 较设计方案减小了(0.39~2.15)×9.8kPa㊁ΔP max 相应减小了(0.40~2.48)×9.8kPa㊂水垫塘水垫越深,底板脉动压力及冲击压力越小㊂表2　水垫塘底板σmax 和ΔP max9.8kPa泄洪工况设计方案二道坝坝顶高程2620m 二道坝坝顶高程2630m 水垫塘底板高程2570mσmax ΔP max σmax ΔP max σmax ΔP max σmax ΔP max1号溢洪道单独运行4.793.043.982.403.462.082.751.043号溢洪道单独运行4.633.684.152.723.202.402.481.204孔局开3200m 3/s 0.880.640.810.560.700.400.490.244孔全开联合运行3.443.203.352.563.122.161.991.123.4　下游河道流速分布不同方案典型工况下游河道沿程平均流速分布如图4所示㊂下游河道流速分布与流态密切相关,设置二道坝后,下游河道流速显著增大,二道坝越高㊁泄量越小,下游河道流速增幅越大;底板高程降低后,水垫塘消能更加充分,下游河道流速小幅降低㊂3200m 3/s 泄量级下,二道坝顶高程2620m 时下游河道最大断面平均流速为7.9~9.2m /s,较设计方案增大0.8~2.4m /s;二道坝顶高程2630m 时下游河道最大断面平均流速为17.8~19.0m /s,较设计方案增大10.5~12.3m /s;底板高程2570m 时下游河道最大断面平均流速为4.9~7.9m /s,较设计方案减小0.1~0.6m /s㊂12000m 3/s 泄量下,二道坝顶高程2620m 时下游河道最大断面平均流速为10.6m/s,较设计方案大0.2m/s;二道坝顶高程2630m 时下游河道最大断面平均流速为12.5m /s,较设计方案增大2.2m /s;底板高程2570m 时,下游河道最大断面平均流速为10.4m /s,与设计方案一致㊂图4　典型工况下游河道沿程流速分布4　结　论优化高土石坝大交角挑流消能水垫塘,主要措施是增设二道坝和深挖底板㊂水垫塘下游增设二道坝,增加了水垫厚度但恶化了出流与下游河道的衔接,二道坝过低,改善水垫塘临底水力指标作用不明显;二道坝过高,小泄量时形成二次跌流,需要二次消能㊂深挖底板降低水垫塘底板高程,泄量及运行方式变化对流态影响较小,可有效增加水垫深度,降低水垫塘临底水力指标,是大交角挑流消能水垫塘推荐的优化布置方式㊂参考文献:[1]张陆陈,骆少泽,吴时强.西藏如美水电站整体水工模型试验研究[R].南京:南京水利科学研究院,2018.[2]池明阳,雷声军,崔进,等.枕头坝电站江沟泄洪洞出口消能防冲设计[J].人民长江,2012,43(14):36⁃39.(CHI Mingyang,LEI Shengjun,CUI Jin,et al.Design of energy dissipation and anti⁃scouring for flood discharge in complicated landform and geology [J].Yangtze River,2012,43(14):36⁃39.(in Chinese))[3]邱勇,龚爱民.斜鼻坎挑流消能在黑石罗水库的应用[J].水电能源科学,2016,34(3):101⁃103.(QIU Yong,GONG Aimin.Application of flip trajectory bucket lip skrjump energy dissipation in Heishiluo Reservoir[J].Water Resources and Power,2016,34(3):101⁃103.(in Chinese))[4]查双全,王均星,朱祖国.狭窄河道垂直交角泄洪洞水舌落点控制试验研究[J].水电能源科学,2011,29(3):92⁃94.(ZHA Shuangquan,WANG Junxing,ZHU Zuguo.Control of fall point of water jet for flood discharge tunnel in narrow channel with right angle [J ].Water Resources and Power,2011,29(3):92⁃94.(in Chinese))[5]韩成银,刘红军,傅宗甫,等.除险加固水闸的消能防冲措施[J].水利水电科技进展,2017,37(4):42⁃46.(HAN Chengyin,LIU Hongjun,FU Zongfu,et al.Energy dissipation and scour prevention measures of reinforced sluices[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2017,37(4):42⁃46.(in Chinese))[6]徐敏.泄洪洞挑坎对比研究[J].四川水力发电,2017,36(3):120⁃123.(XU Min.A comparative study of spillway tunnel selection [J ].Sichuan Water Power,2017,36(3):120⁃123.(in Chinese))[7]谭哲武,王均星.泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究[J].长江科学院院报,2015,32(4):40⁃44.(TAN Zhewu,WANG Junxing.Experimental research on flip bucket combining narrow slit and swallow tail in flood release tunnel [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2015,32(4):40⁃44.(in Chinese))[8]穆亮.差动坎体型对挑射水舌及水垫塘流场的影响研究[D].天津:天津大学,2012.[9]LUCAS J,HAGER W H,BOES R M.Deflector effect onchute flow[J].Journal of Hydraulic Engineering,2013,139(4):444⁃449.[10]王英奎,廖仁强,许唯临.高拱坝水垫塘消能的研究进展[J].水利科技与经济,2013,19(7):1⁃5.(WANG Yingkui,LIAO Renqiang,XU Weiling.Research progress on energy dissipation of plunge poor in high arch dam[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2013,19(7):1⁃5.(in Chinese))[11]HELLER V,HAGER W H,MINOR H.Ski jumphydraulics[J].Journal of Hydraulic Engineering,2005,131(5):347⁃355.[12]辜晋德,赵建钧,安建峰.挑流水垫塘掺气比尺效应试验[J].水利水电科技进展,2019,39(2):61⁃65.(GU Jinde,ZHAO Jianjun,AN Jianfeng.Experimental study on scale effect of a aerated jet in a plunge pool[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2019,39(2):61⁃65.(in Chinese))[13]马文韬,杨红宣,张功育,等.水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究[J].水利水电技术,2018,49(4):70⁃75.(MA Wentao,YANG Hongxuan,ZHANG Gongyu,et al.Experimental study on effect of aeration concentration on fluctuating pressure in impacted region of plunge pool [J ].Water Resources and Hydropower Engineering,2018,49(4):70⁃75.(in Chinese))(收稿日期:20190902　编辑:郑孝宇)。

姚家平高拱坝水垫塘的研究与选择

姚家平高拱坝水垫塘的研究与选择
汤升才;倪双双;保庆顺;年夫喜;杨仕志
【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2024(38)3
【摘要】高拱坝泄洪消能设施的选择与布置设计是高拱坝设计成败的关键。

姚家平水利枢纽属于典型的高山峡谷地区高拱坝项目,其所在位置特殊的地形地质条件给该高拱坝的消能设施布置与设计造成了一定的难度。

通过类似工程的类比分析,并结合相关的模型试验科研,得出了符合本工程特点的泄洪消能设施布置方案,明确了水垫塘的长度、厚度和与之对应的二道坝高度,可供类似工程设计参考。

【总页数】4页(P15-18)
【作者】汤升才;倪双双;保庆顺;年夫喜;杨仕志
【作者单位】湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV642.4
【相关文献】
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第２９卷第４期
水垫塘消能在高拱坝工程中的应用研究
王英奎，马方凯，殷福安
（长江勘测规划设计研究院，湖北武汉４３００１０）
摘
要：在高拱坝工程中，泄洪功率及泄流量巨大，泄洪消能安全一直是工程研究的重点。基于淹没冲击射流理论探讨了水垫塘
Ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｋｅｓａｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｕｂｍｅｒｇｅｄｊｅｔｔｈｅｏｒｙａｎｄ
ｔａｋｅｎａｓａｐｒｉｏｒｉｔｙｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｄｕｅｔｏｉｔｓｈｕｇｅｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｅ．
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｎａｔｕｒａｌｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａｈｉｇｈａｒｃｈｄａｍｓａｆｅｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｈａｖｅａｌｗａｙｓｂｅｅｎ
Ｄ０Ｉ：１０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｒＬ１ＯＯ６ —３９５１．２０１３．Ｏ４一ＯＯ４
ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｌｕｎｇｅＰｏｏｌＥｎｅｒｇｙＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｔｏａ
的消能机理，并结合工程实际总结了高拱坝工程中常用的水垫塘型式，以及各自的优缺点。提出并重点介绍了天然水垫塘这一新型消能型式及其在工程中的应用前景。
关键词：高拱坝；泄洪消能；淹没冲击射流；天然水垫塘中图分类号：ＴＶ２２２文献标识码：Ａ文章编号：１Ｏ０６ —３９５１（２０１３）Ｏ４ＯＯ１６一Ｏ４
ｔｈｅｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈａｒｃｈｄａｍ；ｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ；ｓｕｂｍｅｒｇｅｄｊｅｔ；ｎａｔｕｒａｌｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｖａｒｉｏｕｓｃｏｍｍｏｎｔｙｐｅｓｏｆｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈａｒｃｈｄａｍｓａｎｄｔｈｅｉｒｒｅ — ｓｐｅｃｔｉｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｈａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄ
０引言
我国水资源绝大部分集中在西南地区，一大批