高坝消力塘防护结构失稳机理及控制指标研究

In recent years, destructive slab in high dam plunge pool frequently happened in the world. So far, if the impact pressure ΔP of ski-jump and drop energy dissipator is less than 15×9.8kPa or the mean square deviation of fluctuating pressure is less than the 5~10% of water head entering the basin for hydraulic jump dissipator, both of stability control standards cannot decide the safety factor directly. Therefore, Quantitative index and scientific theory basis for the designers is urgently required and research for instability mechanism of slab of plunge pool under water load and the calculation method with a clear physical concept for slab structural safety are especially important. Objective of the research is to improve the safety of protecting structure in plunge pool. Based on the hydraulic model experiment , three contents will be deeply studied: (1)The scientificity of the impact pressure as stability evaluation index of slab will be analyzed and the relationships between impact pressure and uplift forces on slab will be researched and then the more reasonable stability evaluation indexs for protection structure will be defined; (2)The relationships among slab scales, spatial integration scale and uplift force will be elucidated and the hydraulic design criterion for slab scale will be put forward; (3) The instability mechanism and instability condition of slab under coupled dynamics of slab and water will be researched and the instability probability of slab will be determined. The research results will have important theoretical significance and engineering application value for stability of planning high dam plunge pool.

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。

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。