水力结构新型纤维混凝土耗能器设计的边界条件研究

李铭杰

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001)

0 引 言

在沿河流纵剖面坡度高程相差较大时，可以采用砌块坡道结构形式，该结构具有许多优势，如更好地融入景观、保护河流上的沉积物控制机制。砌块坡道通常用作鱼梯[1]，也可以专门设计用于水库的溢洪道尾水渠，在结构设计时要考虑砌块承载力、动能耗散率等。在高度下降突变较大的地方水流会产生较大的动能，所以需要有效消散斜槽上水流的动能，卵石槽可以有效耗散能量，具备良好的能量耗散效率，可保护下游段河道。挡围板也是专门设计用于水能量耗散的结构，可直接安装在斜槽上。另外，还有激流控制条件下水流能量耗散效率的相关研究，如大型水坝的溢洪道大多设计为光滑的溜槽，溜槽末端设有一个高台[2]。

当然，也有其他类型的消能结构形式，如河道下游是消力池或梯级溜槽或较小的阶梯式溜槽。在特殊情况下，水坝消能池中的水跃所产生的能量耗散可能会带来问题。因为溜槽涉及处理具有脉动压力的高速水流，设计要求相对较高，所以使用的材料强度和稳定性非常重要[3]。纤维增强混凝土在水利工程中已经应用几十年，比普通混凝土更能满足对于结构强度的需求[4]。纤维混凝土应用的主要部分是高压力高动能的水流所流过的区域，或者是泥沙所经过的区域。同时，纤维混凝土也用于需要缩小收缩裂缝和抑制混凝土变形的建筑。本文主要研究动能耗散效率的量化问题，分析由流水引起的脉动压力引起的砌块坡道结构的水动力荷载[5]。

1 砌块坡道上的能量耗散

(1)

式中：d50为溜槽材料的平均粒度。

图1 斜坡坡道图

砌块坡道上的水力损失取决于溜槽河床粗糙度(用曼宁系数表示)，可使用式(2)计算，该公式适用于取值范围为0.1～0.4之间的坡度S：

n=0.029(d50S)0.147

(2)

式中：d50为块体斜坡的平均粒度，mm。

本文进行的研究试验，验证了混凝土砌块坡道的高能量耗散性。图2为斜坡河床的横截面，该结构适用于大型纵向河床边坡和大坝溢洪道尾水渠。斜坡河床的尺寸为0.64～1.28 m，嵌入混凝土中的深度为其深度的1/2。因此，卵石平均尺寸d50=0.96m，突出卵石的平均高度h50=0.48m。试验还采用一个备选方案，即突出卵石的平均高度h50=0.24m，以及一个光滑的混凝土溜槽。在前面的方案h50=0.48m的空隙中浇筑混凝土后，设计了突出卵石高度h50=0.24m的备选方案。

图2 砌块坡道横截面

试验是在比例为1:20的水力模型上进行的，实际工程案例的其他坡道参数如下：河床坡度S=0.21，溜槽长度L=56m，溜槽高度H=11.7m，溜槽宽度b=15m。试验溜槽将用作水库的侧槽尾水渠，试验验证了Q20至Q10000的不同排水量之间的关系。Q与q=1.7～7.1 m2.s-1到q=1.7之间的溜槽中的特定排放率是有一定比例关系的。Q10000流量是最大流量，同时可以用于验证大坝在洪水中的安全性。图3为实验室水力模型的照片，比例为1:20。

图3 砌块坡道比例模型(1:20)

本试验对图1中的1号剖面斜槽末端的深度和速度值的评估值进行了计算，并将结果与数学模型进行比较，数学模型采用超临界流态下标准剖面法计算的溜槽水位图。为保证在1号剖面的溜槽端部达到均匀流，必须进行给定溜槽长度情况下达到均匀流的深度计算。图4为溜槽上的相对能量耗散ΔEr与相对高度hk/H的关系，同时将溜槽上的计算能量耗散模式与比例模型上的测量值进行了比较。

图4 相对能量耗散ΔEr与相对深度hk/H关系图

由图4可知，混凝土溜槽光滑表面的相对能量耗散最低，随着相对深度hk/H的增加，其迅速趋近零。增大相对深度临界深度hk/H可以通过升高hk或减小斜槽高度H的方式。恒定坡度S下的下降斜槽高度对应于较短的溜槽长度。图4显示了光滑混凝土溜槽和由突出高度h50=0.48m混凝土卵石制成的溜槽的相对能量耗散模式非常一致。对于突出卵石高度h50=0.24m，能量耗散比通过计算获得的低约10%。这种情况可能是由于根据式(2)得出的河床粗糙度n取决于d50值，该值由卵石之间的间隙深度代替。对于半嵌入混凝土中卵石的替代方案，根据测量结果，该假设仍然适用，但对于嵌入混凝土高度为3/4卵石高度的方案，实际溜槽粗糙度低于计算值。该方案会使河道更光滑，所以会降低溜槽的能量耗散率。

2 砌块坡道的水动力载荷

(3)

式中：P′为脉动压力分量；A为规定合成压缩力的定义区域。

在水利工程平板结构稳定性评估中，根据向上静水压力产生的提升阻力，每个定义区域的合成压缩力的量化非常重要。对消力池底板的水动力荷载可以通过两种方法进行量化：第一种方法是在与其他部分分离的部分结构中直接测量压缩力(如通过传感器)，也可在实验室条件下用实验装置测量这种效应。第二种方法是基于对负载区域上测量的压力脉动性的统计评估，以及对即时脉动空间相关性的量化。

在砌块坡道水力模型上安装12个压力传感器，传感器监测在T=1h内的脉冲压力，采集频率为1Hz。对单个传感器中的脉动压力进行标准化，公式如下：

(4)

标准化压力值显示了高斯概率分布的概率特征，偏度偏差很低，峰度偏差超过3。对试验中的3种溜槽床粗糙度值和一组测试流量值进行了分析。通过改变水流量(水流量分别取Q100、Q1000和Q10000)，测试泄槽在发生洪水时的性能。与上述水流量对应的具体流量为q=2.9、5.4、7.1 m2.s-1。图5为标准化压力脉动y的Q-Q图(正态概率图)。

图5 溜槽床粗糙度值和3种排放情况标准化压力脉动Q-Q图

在图5中，标准化压力脉动绘制在X轴上，标准随机变量对应的z分数绘制在Y轴上。根据图5可知，压力脉动显示了高斯概率分布，最大压力脉动值可以达到公式定义的RMS(均方根)值的4倍，公式如下：

(5)

RMS值取决于溜槽床的粗糙度和输送的排放率。在溢洪道泄槽的案例研究中，对这种关系进行了分析。在输送不同比流量q(m2.s-1)时，通过水力模型读取3个河床所有粗糙度值下的压力脉动监测值，见图6。从图6可知，在光滑河床的情况下，RMS值取最低值，随着流量的增加，该值略有增加。当嵌在混凝土中的卵石为d50=0.96m时，深度为其深度的1/2(间隙深度h50=0.48m)，此时RMS的最大值随着流量的增加而显著增长。在这种情况下，压力脉动可能达到RMS值的4倍，即约为水头(16 kPa)的1.6m，见图7。在平均压力或泄槽水深较低的情况下，混凝土结构表面的总压力值可能会低于大气压力。这种现象会连续引发混凝土表面的气蚀风险，从而缩短其生命周期。针对这种情况，一种有效的预防措施是用纤维混凝土加固溜槽的混凝土部分。

图6 RMS压力脉动与特定排量和槽床粗糙度的关系

图7 流量Q10000(q=7m2.s-1)时砌块坡道上的脉动压力分布(砌块之间的平均间隙深度h50=0.48m)

3 结 论

1)在沿河流纵断面坡度的高跨越河道输送水时，采用砌块坡道是一种非常有效的技术解决方案，可以保护自然景观、生物栖息地等。

2)砌块坡道具有良好的能量耗散效率，有利于相邻河流段的衬砌稳定性。

3)溜槽的粗糙度越大，能量耗散越高，溜槽河床遭受的脉动压力的水动力载荷也越大。

4)结果表明，脉动压力具有高斯概率分布，最大压力脉动值达到RMS(均方根)值的4倍。

5)本研究推导了溜槽粗糙度和比流量的RMS关系，可用于确定纤维混凝土制成的溜槽表面的尺寸。