人工水垫塘在土石坝工程中的应用.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 16 4-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023人工水垫塘在土石坝工程中的应用曹彦虎1，杨璐畅（1.新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司陕西分公司，陕西西安7 10 0 0 0；2.山东省长清黄河河务局，山东济南2 50 0 0 0)【摘要针对岸边式溢洪洞不具备布置底流消能设施的条件下，采用人工水垫塘进行一级消能。通过经验公式计算和模型实验对比，确定了水舌挑距、水垫塘有效容积、脉动压力等，给出了水垫塘的结构尺寸；通过稳定计算，明确了脉动压力对板块稳定的影响（可量化）；对比了底板采取锚固措施及锚固失效工况，结果表明两者均能满足规范要求。最后归纳了不同学者的研究成果，并提出了针对本工程的一些构造措施。【关键词水垫塘；脉动压力；抗浮稳定；构造措施中图分类号TV653文献标识码B型实验的方式加以验证。混凝土拱坝设计规范 中对水1工程概况流挑距的计算给出了经验公式，即：新疆某水利枢纽工程位于河口出山口上游基岩出露的丘陵狭谷区，河谷形态多呈“U”型，该水利枢纽工程主要由沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪洞、引水发电洞、表孔溢洪洞、电站厂房等建筑物组成。其中设置的人工水垫塘主要用于表孔溢洪洞的末端消能，表空溢洪道布置在左坝肩处，隧洞轴线与坝轴线夹角为9 1。挑流鼻坎下设宽2 0 m，长50 m，深6m钢筋砼水垫塘。水垫塘后接2 7 0 m泄洪渠，将洪水宣泄至下游河道。2水垫塘布置根据项目区地形情况，表空溢洪洞出口为一天然冲沟，冲沟与隧洞出口底高程的落差约11.5m，冲沟最大宽度为50 m，两侧为岩质山体，且走向基本与洞轴线垂直，若采用底流式消能，存在两个主要问题，一是冲沟宽度有限，设置“陡坡+消力池”进行一级消能时长度不足，且对岸岸坡为岩质山体，不便进行大规模的开挖；二是冲沟走向与洞轴线基本呈垂直状态，水流处消力池后要经过9 0 折角才能下泄到下游河道，水流流态差。鉴于地形条件的制约，考虑采用“差动式挑流+人工水垫塘”的方式进行表孔溢洪洞的一级消能。布置见图1。人工水垫塘水利设计的要点主要有两个：一是水流挑距的确定，即确定水垫塘的长度；二是水垫塘容积的确定，即保障消能的效率。2.1水舌挑距的确定对于水舌的确定，在项目建议及可研阶段一般通过理论公式计算，结合工程类别确定，在项目初步设计阶段多用模L=vsin O cos +Vicos (v)sin+2g(h+h2)0-/g图1水垫塘平面布置示意图计算结果见表1。表1水舌挑距计算成果表名称效能防冲工况设计洪水工况校核洪水工况流量/(m/s)102.66泄槽宽度/m5.00水舌挑距L/m61.92在经验公式计算的基础上，通过模型实验对计算结果进行验证，模型实验成果见表2。表2 模型实验水舌挑距成果统计表特征流量水舌特征/m工况/(m/s)内挑距外挑距内挑高外挑高挑流射程消能防冲102.66设计洪水122.62校核洪水165.18天然冲沟水垫塘隧洞出口溢流侧堰槽122.625.0063.0131.7036.0916.6620.9230.3637.2735.0540.58 16.0420.77165.185.0065.0433.8916.5520.6533.8237.81收稿日期2 0 2 2-10-2 8【作者简介曹彦虎（19 9 2-），男，甘肃定西人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。:164第9 期2023年9 月通过上述成果可以看出，模型实验的水舌挑距明显小于规范公式计算值，约为计算值的58%6 2%之间，最大差值接近2 6 m。无论是经验公式计算还是模型实验结果，均随着下泄流量的增大，水舌挑距在增大。因此下泄流量一旦超过限制，水流将会直接冲出水垫塘。2.2水垫塘有效容积的确定对于人工水垫塘容积需求的计算，规范里没有明确的说明。吴鹏等在高头泄水建筑差动式挑流消能研究2 I中给出了消能所需水体体积的估算公式，即：式中：T为水垫深度，包括尾水和冲坑深度，m。根据上述公式，计算结果见表3。表3水舌挑距及消能所需水体体积计算表名称效能防冲工况设计洪水工况校核洪水工况流量/(m/s)102.66最大水垫深度T/m21.94效能所需水体体积V/m1155.22考虑到现场实际地形条件的限制，在模型实验的基础上，确定水垫塘的设计尺寸为50 m20m6m。根据设计尺寸，水垫塘有效容积为6 0 0 0 m，远大于理论计算值，从模型实验的效能效果上看，水舌在水垫塘内消能比较充分。水流在水垫塘中的流态见图2。图2 水流在水垫塘中的流态3水垫塘抗浮稳定计算混凝土拱坝设计规范中指出，人工水垫塘的空间布置、结构型式以及混凝土底板稳定条件的确定，是挑流、跌流消能工况设计的关键内容。水垫塘水深和板块稳定设计的控制性指标为（10 15）9.8 kPa。3.1经验公式计算方法研究表明，导致水垫塘底板失稳的主要荷载是脉动上举力，因此水垫塘板块稳定分析的关键在于确定脉动压力的分布范图。水工建筑物荷载设计规范3给出的脉动压力公式如下：脉动压强计算公式如下：P,=3.0Kppwu/2g3.2模型实验研究成果动水脉动压力测点位置根据各试验工况水舌人水范围综合确定，具体位置见图3。根据各工况条件下水垫塘底板各测点动水压力时程曲线以及各工况条件下水垫塘侧壁动水压力时程曲线。从瞬时压陕西水利Shaanxi Water Resources力时程曲线来看，测点1的压力波动最小，其他测点在不同的工况下趋势差异相对明显。A5.4463LAA-A壁面正视图V=2.4T 27图3水垫塘底板与侧壁动水压力测点布置示意图不同负荷条件下，各测点动水压力时均值、均方差统计结果见表4,图4为底板与侧壁各测点动水压力统计值对比图，122.62165.1824.0227.981384.441879.20Pf=mPrANo.9September,202318.55.4237图5为水垫塘底板上动水压力最大时均值、最大均方差与泄流的关系。图、表中各特征量均已换算为原型值。表4消能防冲工况脉动压力统计值（原型值）工况统计项目测点1测点2 测点5测点3测点6 测点4测点7时均值消能8.999.1411.8510.538.588.305.92/mH,0防冲均方差工况0.140.97 2.001.610.820.850.55/mH,0时均值9.098.9811.3811.549.448.425.75设计/mH,0工况均方差0.22 0.711.922.101.081.090.60/mH,0时均值9.249.109.9013.128.5610.086.06校核/mH,0工况均方差0.220.531.292.640.84 1.80 0.70/mH,03.3水垫塘抗浮稳定计算根据水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程 4的规定，水垫塘底板动水压力均方差（即脉动压力的均方根）表征了压力脉动强度的大小。水垫塘底板的抗浮稳定基本计算公式如下：K=(P,+P2+P,)/(Qi+Q2)将模型实验给出的计算结果带人稳定计算公式，并和经验公式计算的结果进行对比，计算结果见表5。表5抗浮稳定计算安全系数消能防冲设计洪水校核洪水工况工况工况脉动压力基本组合安全系数K按计算值特殊组合安全系数K脉动压力基本组合安全系数K按实测值特殊组合安全系数K从上述计算的结果可以看出：（1)脉动压力的经验公式计算值均大于模型实验实测值，计算值约为实测值的1.2 6 1.55倍。（下转第17 1页）16517各测点统计值2.362.342.72.72.82.752.72.72.312.72.542.7第9 期2023年9 月意。4结语水生态项目对环境保护及社会经济发展的贡献巨大，但其经济效益一直难以量化计算。本文通过固碳速率法计算出林草工程的碳汇能力，进而计算出林草工程的碳汇效益，最终作为效益流量的一项内容来进行经济评价，希望能为水生态项目的林草工程经济效益计算提供一些思路。1蔡守华.水生态工程 M.中国水利水电出版社,2 0 10.2董哲仁.生态水利工程学 M.中国水利水电出版社,2 0 19.陕西水利Shaanxi Water Resources3中国城市科学研究会.中国低碳生态城市发展报告2 0 15 M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15.4生态环境部环境规划院.陆地生态系统生产总值（GEP）核算技术指南 R/OL.http:/ J.中国水土保持科学,2 0 2 3,2,2 1（1）：6 5.6全国碳交易大幕即将开启，投资机会藏在这些领域 R/OL.https:/ 0 2 3年4月复旦碳价指数 R/OLJhttps:/ 5页）（2）由于特殊组合为放空检修状态，不受脉动压力的影响，因此特殊组合情况下各工况的安全系数值均相等，为定值。（3）脉动压力实测值对应的安全系数均大于脉动压力计算值对应的安全系数，再次说明脉动压力对底板的稳定起了决定性的作用，是决定水垫塘底板稳定的关键因素。（4）在基本组合中，无论是脉动压力实测值对应的安全系数，还是脉动压力计算值所对应的安全系数，随着下泄流量的增大而减小。当下泄流量超过一定限制后，水垫塘必然会发生破坏。通过计算及模型实验成果，最终确定的水垫塘形体见图4。图4水垫塘形体示意图3.4构造措施针对本工程的实际情况，在理论计算和模型实验的基础上，采取以下措施，进一步保障工程在设计上安全可靠。（1）合理确定板块分块面积，尽量加大底板面积。根据本项目实际，底板最大块分块面积为10 m11.5m，最小板块为10 m8.5m。封缝处采用高压闭孔板填缝，上侧为10 cm双组份聚硫密封膏封缝。（2）底板纵横缝贯通布置，不设置错缝。（3）缝间设置6 51止水带止水，防止动水压力进入底板下部。（4）底板顺水流方向的缝间设置键槽，使得底板间互相作用，键槽大样见图5。10cm厚双组份聚硫密封膏651止水带100高压闭孔板图5键槽大样图(5)在水垫塘底板设置28砂浆锚杆锚固，锚杆长9.00m，伸人基础7.0 0 m，锚筋伸入底板2.0 0 m，伸入底板部分末端需折成9 0 弯钩，且与底板钢筋焊接。（6）板块浇筑时要求连续浇筑，杜绝出现层间冷缝，严格控制浇筑质量，加强养护，避免出现板块裂缝，保障板块的整体性。（7）加强安全监测，对破损的区域及时修补，防止产生挑排流鼻坎更大的破坏。4结语溢流侧理较为常用的水利消能设施主要有两类，一类是底流消能，水垫塘另一类是挑流消能。水垫塘是拱坝挑流消能的主要设施，在工程中应用广泛，但对于土石坝等坝型中，水垫塘消能运用的较少。由于受地形地质条件的制约，本文通过水力计算结合模型实验的方式，对砂砾石地基上人工水垫塘的应用做了初步的探索。在综合前人研究经验的基础上，对水垫塘设置了一些构造措施，进一步保障了结构运行的安全。由于缺乏实验资料及相关经验公式，本文对地基有效重度的分析较为简单，相信随着工程技术的不断发展和实际工程设计的需要，人工水垫塘在土石坝消能中会得到广泛应用。1SL282-2018,混凝土拱坝设计规范 S.2吴鹏.高水头泄水建筑物差动式挑流消能研究 D.乌鲁木齐.2 0 0 9.0 6:1-493】SL7 44-2 0 16,水工建筑物荷载设计规范 S.4SL158-2010,水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程S.171参考文献