高坝消力塘防护结构失稳机理及控制指标研究

近年来，国内外高坝消力塘底板破坏的实例屡屡发生。本项目以提高消力塘防护结构安全性为目标，开展了高坝消力塘防护结构的失稳机理、破坏模式以及水动力荷载特性等各方面的研究，主要研究内容和结论如下： ①通过对高坝消力塘水动力荷载特性的研究，找出了“冲击压强-脉动压强-上举力”之间的量化关系，从而得到了底流消能和挑跌流消能高坝消力塘平底板抗浮安全系数。 ②研究了板块尺度、涡旋尺度对整体荷载的影响。总体来说，当顺水流方向板块尺度远大于上表面脉动压强空间积分尺度时，单位面积最大上举力随板块面积的增大而降低；超过最大上举力降幅系数的峰值以后，单位面积最大上举力的降幅逐渐减小；在其它条件允许的情况下可以考虑将该系数作为优选合理板块尺度的参考指标。 ③以出穴作为板块的失稳标准，通过三组不同抗力的试验研究了挑跌流水垫塘板块的失稳概率。随机出现的瞬时最大上举不能作为板块稳定性的判别条件；试验范围内，最大上举力大于或等于抗力时板块失稳的概率约为90%，板块失稳时最大上举力约为抗力的1.4倍。 ④研究了跌坎消力池的水动力荷载特性。跌坎消力池前端中线的脉动压强、上举力比传统底流消力池有明显降低，最大脉动压强、最大上举力降幅均可达到50%左右。 ⑤研究了消力池底板止水破坏程度对上举力的影响。通过15组不同止水破坏形式的试验，得出了各种形式止水破坏时的最大上举力与四周止水完全破坏时的最大上举力的量化关系，从而可以预测止水不同破坏程度时可能的最大上举力。 ⑥在上述研究成果的基础上，通过大量国内外破坏工程的调研以及典型破坏工程的反演分析，提炼出以脉动压强和单位水体消能率为主要参数的消力塘底板稳定控制指标；建议消力塘脉动压强均方根控制在50kPa以内、单位水体消能率控制在25kW/m3以内。 2100433B

近年来，国内外高坝消力塘底板破坏的实例屡屡发生。截止目前，挑跌流水垫塘采用冲击压强ΔP≤15×9.8kPa、底流消力池采用脉动压强均方差低于入池水头的5~10%为稳定性控制标准，均无法直接计算底板的安全系数。为设计人员提供量化指标和科学理论依据迫在眉睫，因此研究消力塘底板在水流荷载作用下的失稳机理、给出具有明确物理概念的底板结构安全计算方法显得尤为重要。本课题以提高消力塘防护结构安全性为目标，拟开展大规模模型试验深入研究以下内容：(1)分析以冲击压强为底板稳定性评估指标的科学性，研究冲击压强与上举力的内在联系，进而提出更合理的底板稳定性评估指标；(2)阐明板块尺度、涡旋尺度与上举力的关系，提出板块尺度的水力设计准则；(3)研究在板块与水体的耦联动力作用下底板的失稳机理与失稳条件，确定消力塘底板动力失稳的概率条件。研究成果将对目前大量拟建高坝消力塘的稳定性具有重要的理论意义和工程应用价值。

消力塘防护结构自身的稳定是实现消能防冲的关键。近年来国内外消力塘底板发生破坏的工程实例屡见不鲜，如何有效地改进消力塘整体稳定性对确保枢纽整体安全至关重要。本研究提出一种可综合发挥平底板、透水底板及反拱底板优势的异型构造底板，针对这种型式底板开展脉动压力沿复杂缝隙传播规律、水动力荷载特性、失稳机理及破坏模式等方面的研究。结合系列模型试验、理论分析和数值模拟，从幅值域、时域和频域三个方面研究不同缝隙形式、不同涡旋板块尺度比下的消力塘水动力荷载特性，分析并阐明脉动压力沿复杂缝隙传播规律；提出水动力荷载（脉动压力或上举力）与水力条件（佛汝德数）的量化关系，建立脉动压强幅值与整体荷载的经验关系；在水动力荷载研究基础上，充分考虑多种非线性因素及静动力耦合效应，建立能反映异型构造底板受力特点及失稳机制的数学模型，揭示底板失稳机理及可能存在的破坏模式，为消力塘底板的优化设计及安全运行提供科学的理论依据。

消力塘防护结构自身的稳定是实现消能防冲的关键。近年来国内外消力塘底板发生破坏的工程实例屡见不鲜，如何有效地改进消力塘整体稳定性对确保枢纽整体安全至关重要。本研究提出一种异型构造底板即带键槽的透水底板型式，并针对这种型式底板，结合系列模型试验、理论分析和数值模拟，分析阐明了键槽及透水孔对脉动压力沿复杂缝隙传播规律的影响；统计分析了多个工程的试验成果，提出了脉动压力与整体荷载之间的经验关系，以及水动力荷载（脉动压力及上举力）与水力条件的关系；建立能反映异型构造底板受力特点的数学模型，结合水动力荷载研究成果，揭示底板失稳机理及破坏动态过程，为消力塘底板的优化设计及安全运行提供科学的理论依据。主要研究内容包括三个方面：1、异型构造底板的脉动压力沿复杂缝隙传播规律研究；2、消力塘水动力荷载特性研究；3、异型构造底板的失稳机理及破坏模式研究。通过系统的研究，得到以下的研究成果：1、从脉动压力幅值、时程线、相关特性、功率频谱等方面阐明了键槽及透水孔对脉动压力沿缝隙传播规律的影响，分析了异型构造底板提高消力塘底板稳定性的原因；2、对多个工程的模型试验成果进行统计分析，得到脉动压力与上举力之间的经验关系，以及上举力与水力条件之间的关系；3、建立能充分考虑多种非线性因素及静动力耦合效应的数值模型，揭示了透水底板以及带键槽的透水底板的内因失稳和外因失稳机理；分析了静力失稳、动力失稳和断裂劈裂破坏三种破坏模式。研究成果中有3篇被SCI/EI收录，9篇核心期刊，3项授权发明专利，还有2篇SCI刊源论文在投，达到预期的研究成果。 2100433B