水府庙溢流坝下游冲坑底部动水压力的初步估算

水府庙溢流坝下游冲坑底部动水压力的初步估算 水府庙溢流坝下游冲坑底部 周翠云艾克明欧阳福生 (湖南省水利水电勘测研究总院 长沙市 1"%%%6) 文章以长年原型泄洪冲刷资料为基础，对水府庙溢流坝下游冲坑左侧底部的动水压力做 #$"! 了初步估算。最大时均动水压强 为 "#$%&#(" )*，最大脉动振幅 +约为 #$&#(" )*，脉动均方根! ’!..’! *- , 值为 !0"#%1&’#(" )!*。后经模型试验验证，估算值与试验值基本相近。 */-, 关键词动水压力 最大时均动水压强 最大脉动振幅值最大脉动均方根值%$ 工程概况暨缘由! 水府庙水库位于湘江一级支流涟水河上，为灌溉、发电、航 运等综合利用工程。电站装机 ，枢纽由右岸坝后式厂房、 .% 23 溢流坝、左岸船闸等组成。大坝为浆砌石重力坝，最大坝高 .4#1 ,，坝顶全长 $1" ,。 大坝按 年一遇洪水设计，设计 洪 水 位 为 ，下 游 4% 5#$$ ’, .水位 ，下泄流量 ;年一遇校核洪水位为65#$( ,4 %.% ,7 8 $%%% . ，相应下游水位 ，下泄流量 。溢流坝 6# 66# 5 $%% 7 8 ’.(.(,,, 全长 ，设 孔宽 的开敞式溢洪孔，闸 墩 厚 "1"#64 "4 ( "#4 ,, ，堰顶高程 ，用弧门控制，采用挑流消能。下游河床高程 # (((,, 平均 (见图 、图 )。55#% "$ , 原河道主流偏左，河床覆盖层厚()。岩石为灰绿%#49#4 ", 址处的地质情况选定 0 值。 根据水府庙 的 情 况 ，从 年 月 开 !)+! $ 始泄洪以来至 年有较完整的泄洪冲刷 !)1( 原型观测资料，由此获得的综合冲刷系数 0 值显然比任何经验系数更为可靠。 -溢流坝右侧毗邻坝后式厂房。曾因 、 !- 孔泄洪时引发副厂房振动现象，因此右 # ( 孔泄洪运行的机会也不多。最常运用的闸孔 ----居中，即 孔，特别是 、孔。由于 $&1!!)"! --与 等断层在 、孔下 游 水 舌 跌 落 区 交 "1)#$ -- 汇，因此也常是冲刷最深的部位。选择 、1) 孔的下游的综合冲刷系数作为 推 算 设 计 洪 水时冲坑最大冲刷水深是合理 的 和 偏 于 安 全的。 - 自 年 月至 年 月，孔共 +$ # 1 + 1!)!)! 有 次泄洪冲刷的原型观测资料，其综合冲 1 刷 系 数 分 别 为 ，，，，，22+32+1212+ !*)!!!(!) ()正断层及其编号、倾向、倾角;(")层间错动及其编号;(#)张开裂隙，$ 表示裂 !，和 ; 自 年 月 至 2+23$ 21+)+ ) )3* !,!!!!!隙在地表的宽度(%&);()岩层分界线;()灰绿色砂质带状板岩;()石英岩、灰绿色砂 ’() *)坚硬的灰绿色板岩。 质带状板岩，夹有泥质报告夹层;( 图 ! 水府庙溢流坝 "#$" 年 %月下游冲刷地形 图 -冲刷范围内有断层 !! 条 ，将 河 床 切 割 破 碎 ，其 中 "与 ! + 月，)孔共有 * 次泄洪冲刷的原型观 测 资 料 ，其 综 合 冲 年 -- 相交处正是冲刷中心。主要断层的破碎带一般宽约 ， "%! 刷系数分别为 ，，，和 。、闸孔共 2132*121(2$* 2+11)# !!!!!!#$ 断层胶结好，但节理强烈发育，其他大多胶结不良。由于层 "次泄洪冲刷的平均综合冲刷系数为 。!23, ! 间错动，板岩之间产生泥化夹层，厚度为()，从右向左 &$%!’ 倾斜。整个岩石抗冲能力较差(见图 )。( & $ %% 闸孔附近流量集中系数的确 定 工程于 年建成投产，年开始泄洪，已安全运 !)*) !)+! -- 行 多年。$ ,前已述及，由于左岸山体的影响，靠近左岸的 #、$和 !! - --由 于 溢 流 坝 左 岸 为 高 大 山 体 ， 并 部 分 凸 入 河 道 内 ，对 孔泄洪时，右 闸孔下游常出现流量集中现象。为较 !*!!&!(--- - --、、孔出流后的水舌有影响。迫使 水 舌 集 中 在 、准确地估算设计工况时 孔附近的最大冲刷水深以及 #$* !!!!!!!&!(- 孔处，并形成较深的冲坑。因此 多年来除较大洪水外， 估算此处的动水压力值，必须对此处的单宽流量集中做出评 $ !(, 一般这几孔闸门不开启。 价。年 月 日泄洪时，库水位为 ，下泄流量+$ + #2$3 % !)!) ) # --为 解 决 泄 后 水 流 不 畅 问 题 ，曾 设 想 对 左 岸 山 体 实 行 开 &4( !)! %. /，开 #&!*孔 ，下 游 水 位 为 3!2** %，上 下 游 水# 挖，以疏导水流。但经多个开挖模型试验比较，开挖对减 位差 ，如按闸孔均匀分布计算，?。 % 42 %$ 4323* %. %(!)(!/- 实测 孔下游冲坑处最深点高程为 ，最大冲刷水深轻冲刷的效果不明显，并且愈往山里开挖，工程量愈大，而且 1*+2$, % - 。而 闸孔下游的最深点高程为 ，最大冲刷 *2* %*#2$ %!!!!,带来数十米高的高边坡问题需要处理，从技术上和经济上讲 水深 。!12!* % 均并非最优方案。为此有关方面拟改 用 岸 坡 衬 砌 和 冲 坑 护 -- - 假若 、闸孔处的综合冲刷系数均为 ，则 孔 123!!!!!,底方案，并要求了解设计条件下邻近左岸岸坡处冲坑底部 下游的附加冲深可视为单宽流量集中所引起。由式()反算 !的动水压力大小。 # - 孔 下 游 的 ?，由 此 ，此 处 单 宽 流 量 的 集 中 !!$ 4($2#* %. /% 系数为 。 按 年 月 实 际 过 #"$’ ( $ 4($2#* . !323*4!2#1!)+$ + 5 ! 综合冲刷系数 # 值的确定 # 流 情 况 ，# 42+3 计 算 ， 则 $’ 4(*2#( %. /?%， 则 # 4(*2#( . !5 采用挑流消能时，下游形成冲坑的最大冲刷水深一般以 !323*4!2$#，暂取 #4!2$。 5 下式表示: & 设计条件下 %%闸孔附近最大冲刷水深 ’ . .$!(!!"#$% (!) 的推算式中 ——冲坑最大冲刷水深();% ! 设计洪水时，上游库水位为 ，下游水位为 ， # )+2(( %3+2(1 %$——挑坎末端的单宽流量(%. /)。当存在流量集中 # - 上下游水位差 ，下泄流量为 。设 孔 %4!)2)$ %* ,#, %. /!*时，也常以入水单宽流量来替代。 # - 全部开启，则平均 ?，孔处流量集中系数取$4$2 %. /% !)(!!——上游与下游的水位差();%% # ，则 ?，取 ，由式()#4!2$,$’4!2$6$!2)(4*12+1 %. /%# "!23,! 5—为反映以地质因素为主，并包含有坝面流速系—# $ % (据 ++ 年实测现在冲深点高程约为 +&+ )。 !)(’ $ $ " 6 #*&*!5 &$$ ! ! % $ ! #$闸孔处冲坑底部动水压力值的估算 5， 得 ) = (! = $% -)#) = !? $ #*&%(。 由 此 得 )#! 6 由 图 *- 。&-6*&%(#&$*6)&+ 1/ !,!!!:采用湖南省水利水电勘测设计研究院“欧阳海拱坝下游 冲刷坑动水压力测量的初步”中的无量纲经验公式估算 & 试验对比 护底顶板上的动水压力值如下: 本文初稿撰写于 年 月。年 月，应水府庙 $**5 $**5 + , ()最大动水压强振幅值 :#121 !.0034//’’’水电站的要求，在 的半整体模 型 上 对 靠 左 岸 附 近 的 河 !>,* 床 按 现 状 实 际 冲 刷 地 形 模 拟 ，实 测 了 冲 坑 的 动 水 压 力 。 设 $ % # $$’/0 #5&+6 "7&- ($) !!5 计 工 况 时 ，冲 坑 最 深 点 高 程 处 (测 点 编 号 )的 、&* % ()!)’ &$$ !$ !!! ($) 脉动压强最大均方根值 #: 8/0’# 和 #，分 别 为 *&%$6&+ 1、$&*6&+ 1，和 *&+%6)!:/()!:/ /0 8/0’’$ #% $$8’/0 7*&5% (5) #&$6 !"与估算值接近(见表 )，说明估算有一定的参 )&+! :1/ !5 $&$$ ! !!!考价值。 式中 &—重力加速度;$—入水流速;—— *—水的容重;—水的密度，——!’%(&% 表 # 动水压力对比表 —坝面及挑流水舌的流速系数;取 ;—""#*&)* 护底高程 = 方法 86)&+1/ = 6)&+1/ & = 6)&+1/ ’!:. !:!: ——入水单宽流量(计入单宽流量集中系数);’/0 8’/0 % 估算 &$* 5&$5 &*(!!—上、下游水位差;—$ ()&* 模型实测 *&%$ $&(* *&+%——下游水面至冲坑护底顶面的高差()。$$9* !! 估算 (&,+ (&*% !&5--$&* 将 设 计 洪 水 的 各 相 应 数 值 代 入 式 ()和 式 ()，分 别 求 $5估算 & &5 &5,*,(-!- -&* ,得: 估算 ,&)( ,&*% $&!! & ,** ，.#5&$56)&+! :1/ 0/’ 。##&*(6)&+ 1/ !!:8/0’另外，假设不同护底高程，分别估算出各自的 1、.和 0 /’()最大时均压强 : 5) #，一并列于表 !。由表可见，随着护底高程的增高，1、. 8’/0’/0 和 #均有所增大。这个趋势可从模型试验设计工况冲坑范 80 /’ 围内一些测点的实测资料大致得到证明(见表 )。$ $) #,&5*2(&-% 原文中 1 的表达式为: (() $* + ,% - $ * ! 表 设计工况部分测点脉动压力表 ! 式中 -—水舌入水流速;其它符号意义同上。— *测点 测点高程 = = 6&+1 = 6&+1 .)!:/,)!:/’鉴于式()无法计入单宽流量集中的情况，我们利用湖 (/0 8/0 ’’南省水利水电勘测设计研究院“欧阳海拱坝下游冲刷坑动水 + -%&** $&* *&+ !!, $& &5+ &5 !* ,,*(!-$ % ) $ 压力测量的初步分析”的实测资料，重新建立 <"6 - ,5&-* -&*( !&%( 5 !$&$ -! $ ! $的关系如图 。上式中 5$# %-- * ( 结语与建议$$ ! ()本估算以水府庙 数 十 年 的 十 多 次 原 型 泄 洪 冲 刷 资 ! 料为基础，资料翔实。据此推算，设计洪水时下游冲深比按 经验取 值计算更接近实际。? " ($)考虑到左岸山头的影响，计入 闸孔附近的流量!! 集 中 系 数 来 推 算 设 计 洪 水 时 的 冲 深 和 动 水 压 力 值 是 必 要 的。 ()本文采用湖南省水利水电勘测设计研究院“欧阳海 5 拱坝下游冲刷坑动水压力测量的初步分析”实测资料的无量 纲表示式估算 、和 并获得了与模型实测值较好的一# & )/0 /0 ’’ 致性，仅供研究参考。作为工程应用，计入一定的安全因素是必 要的。 # $! " 王川龙" 湖南省几座 溢 流 坝 下 游 岩 石 冲 刷 的 初 步 分 析" 见 :本 书 ! 审 组 主 编" 泄 水 建 筑 物 消 能 防 冲 论 文 集" 北 京 : 水 利 出 版 社 ， 编 $ $ " % $ ) + !$< 图 " !(收稿日期:%%++%) *)!*!#$%"&%&$" !’()5 @$$ !!