高壩消力塘防護結構失穩機理及控制指標研究

《高壩消力塘防護結構失穩機理及控制指標研究》是依託天津大學，由李會平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壩消力塘防護結構失穩機理及控制指標研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李會平
• 依託單位：天津大學

項目摘要

近年來，國內外高壩消力塘底板破壞的實例屢屢發生。截止目前，挑跌流水墊塘採用衝擊壓強ΔP≤15×9.8kPa、底流消力池採用脈動壓強均方差低於入池水頭的5~10%為穩定性控制標準，均無法直接計算底板的安全係數。為設計人員提供量化指標和科學理論依據迫在眉睫，因此研究消力塘底板在水流荷載作用下的失穩機理、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，擬開展大規模模型試驗深入研究以下內容：(1)分析以衝擊壓強為底板穩定性評估指標的科學性，研究衝擊壓強與上舉力的內在聯繫，進而提出更合理的底板穩定性評估指標；(2)闡明板塊尺度、渦旋尺度與上舉力的關係，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動力作用下底板的失穩機理與失穩條件，確定消力塘底板動力失穩的機率條件。研究成果將對目前大量擬建高壩消力塘的穩定性具有重要的理論意義和工程套用價值。

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“衝擊壓強-脈動壓強-上舉力”之間的量化關係，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係數。 ②研究了板塊尺度、渦旋尺度對整體荷載的影響。總體來說，當順水流方向板塊尺度遠大於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係數的峰值以後，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係數作為優選合理板塊尺度的參考指標。 ③以出穴作為板塊的失穩標準，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機率。隨機出現的瞬時最大上舉不能作為板塊穩定性的判別條件；試驗範圍內，最大上舉力大於或等於抗力時板塊失穩的機率約為90%，板塊失穩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係，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的消力塘底板穩定控制指標；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。