时间和空间上充分结合的岩石冲蚀的三相论述
摘要: 在瑞士洛桑召开的为期3 d的关于高速射流影响引起岩石冲蚀的国际会议,为讨论和交换有关水力学-帮写地质论文地质力学相结合方面的知识和经验提供了一个论坛。确定了未来调查研究的指导原则。
关键词: 岩石冲蚀; 高速射流; 水力学; 地质力学; 国际会议
2002年9月25~28日,在洛桑的瑞士联邦技术研究院举行了国际岩石冲蚀研讨会。会议由国际水力工程和研究协会、美国土木工程师协会、美国陆军工程师团、美国土木工程师协会地质研究院、瑞士大坝委员会和瑞士水资源协会共同主持。
来自11个国家的43位代表出席了这次会议,在该领域内参加过实践工作的工程师和科学家汇聚一堂,促进交流有关经验,并讨论未来的研究工作。会议共举行9次,总共交流22篇论文,并在结束时召开了全体代表参加的圆桌讨论会。有6篇实例研究或原型观测的论文和7篇讨论物理模型研究和缩尺效应的论文介绍了实际冲蚀的经验。后7篇论文有3篇专门讨论消力池和岩石节理中射流掺气问题。这些有关实践的大多数论文强调了经验或半经验表达式的应用。
关于某些岩土基础知识的最新理论研究是6篇论文的主题。这些文章注重于最为关切的理论上得到支持,且实际上可用于评价岩石冲蚀的方法:侵蚀度指数法,基于实践的综合断裂力学和动力冲击方法和不衬砌溢洪道冲蚀预报模型。最后,有两篇文章讨论了最近的数值模拟研究,主要涉及消力池中岩石节理内和混凝土衬砌板下面的瞬态水压。
1. 技术现状回顾
技术现状回顾表明,在初设和/或可行性设计阶段,经验的和半经验的表达式是非常适用的。这些公式必须在设计参数的范围内应用,常常由一项物理模型试验来完成。由于有许多公式可用,因此就可能对这些公式进行比较,并通过工程判断评估最终冲刷深度。由梅森建立的公式似乎被广泛应用。但是,应该指出选用公式时必须仔细,经验公式总是应根据具体情况选用。
据认为最适当和广为采用的半经验公式之一是冲蚀度指数法。该法基于水流的冲蚀功率和岩体的地质力学阻力之间的平衡。临界冲蚀界限值用岩石的抗冲力确定,用一个纯数量指数表示。该指数考虑了密切相关的岩体特性,如无侧限抗压强度、岩石密度、节理组的数量和性质,它们相对于水流的流向等。
有一篇文章介绍1984年以来美国陆军工程师团开发的评估非衬砌溢洪道冲蚀的综合方法。该方法强调纵坡陡降点冲蚀和岩块掏蚀是无衬砌溢洪道渠槽的主要机理,并指出冲蚀由当地的地质情况,产生冲蚀的水流流速和溢洪道渠槽的几何形状确定。该论文根据水力学和岩体特性对冲蚀风险分类和冲蚀势分类作了比较。
最后,介绍了由E.博拉尔特(2002年)提出的基于实际的新评估方法,用于评估最终冲蚀深度和冲蚀随时间的演变。该方法基于岩石节理内动态水压力的近似原型实验和数值模拟。它说明了这些动水特性与破裂岩石的两种基本破坏准则的关系:由瞬时的裂缝扩展或随时间变化的裂缝扩展引起的破坏,以及单个岩块受动力抛射脱离其周围岩体而引起的破坏。
综合断裂力学(CFM)法和动力冲击(DI)法决定最终冲蚀深度。前者也表示了这种现象随时间的演变。虽然这些方法是以断裂力学方法为基础的,但应用这些方法,从事实践工作的工程师能方便地处理这些参数,而不会忽略其基本物理现象。据信,这些进展将为更加全面的估计裂隙岩石中冲蚀形成铺平道路。
对CFM方法和DI方法作了比较,并应用于众所周知的莫桑比克卡博拉巴萨大坝的实例研究,得出的结论是,其应用结果令人满意。
2. 实践经验
讨论了有关岩石冲蚀实际经验方面的某些基本困难。首先,指出了原型冲蚀观测应更加注意引起冲蚀的洪水的精确历时和特定的流量。这个问题通常难以评估,因此,对从原型观测得到的现有公式,可能已经引入了很大的不确定性。
F.阿雷菲、P.J.梅森和K.斯珀尔在一篇论文中说明了由侧向回流引起的侧向消力池冲刷形成的问题。据K.斯珀尔称,在巴基斯坦塔贝拉大坝,这种侧向水流似乎很重要。A.巴布指出,在塔贝拉坝坝趾处的冲刷是在相当低的流量下发生的,因此常常被忽略,相信这种情况会受到重视。
M.马赫扎里等人强调需要对冲刷保护措施的有效性进行深入的评估。如果能完全避免混凝土板下面的动水压力的传递,则消力池衬砌即能提供一种成功的保护。在另一篇文章中,E.卡罗尼等人指出,对混凝土板的稳定性,不仅要就压力和力的平衡加以检验,而且也要就有关的允许位移加以检验。
从一项小比尺物理模型研究得出的结论是,消力池底部压力的持留时间比压力在底板接缝内的传播时间长得多。因此,应该将后者看作是瞬时作用的。P.J.梅森讨论了印度斯里赛拉姆大坝闸控溢洪道操作顺序,并将它看作大洪水到来之前避免水流集中并使冲刷坑获得良好空间分布的方法。
3. 理论经验
强调了在受冲击处射流特性的作用。同样,也感到有效的下游水垫的定义仍是须讨论的问题。在消力池水浅处,射流中心对池底产生高的平均压力。随着水深增加,消力池底部的平均压力降低。评价最小有效水垫深度是L.G.卡斯蒂略和J.普埃尔塔斯认真研究的主题。通常认为,充分扩展的射流的危险性比集中射流小,因为集中射流产生较高的平均压力。但是,由E.博拉尔特开发的冲蚀评估法强调了消力池底部压力脉动的重要性在于下伏岩石节理内部产生高压。高的脉动决定于紊动射流发育的程度,即消力池水深与冲击点处的射流直径的几何比。
因此,并不一定是可能最大洪水对消力池底部产生最大限制性水力影响,而可能是产生最高压力脉动的事件。而且,根据这一理论,最大脉动由不稳定的或高度掺气的射流所产生。这意味着,射流掺气降低了平均冲击压力,但增加紊动的压力脉动。
射流在空气中的中断和分散降低了在尾水位处的入池冲击压力。掺气、扩展和最终分散的程度决定于最初的紊动强度和挑流距离。最初紊动强度,即使在文献中有合理的记载,但在实践中难以评估,在未来的研究和实践观测中,需要更加注意。在射流出射处的分流装置和其他挑流建筑物证明,与溢洪道有某些相关性,但是在末端有挑流鼻坎的斜槽溢洪道情况下,涉及潜在的空化损坏。
E.博拉尔特指出,消力池底部压力使岩石节理中产生压力波。对于集中射流,裂缝延展主要由高的平均压力引起。对于扩散的射流,压力脉动激发节理,引起共振作用。在某一频率时会使压力明显增大,使岩石材料产生疲劳。
讨论了消力池掺气浓度的影响,以及消力池底部压力脉动的均方根。在节理内部掺气水混合物遵循理想气体定律和亨利定律。前者定义了掺气浓度是压力的函数。后者说明了在压力突变时空气从液体中释放和/或溶解到液体中。这就产生了一种很易压缩的介质,因此导致很低的压力波波速。这些研究结果是基于实验压力测量和压力波在岩石节理中两相数值模拟。
据报道,关于压力波在岩石节理中传播的研究也正在海岸工程领域中进行,用于评估海浪对岩崖冲蚀和海岸建筑物破坏的影响。实验发现在裂缝内部存在孤立波。已指出了节理内自由空气含量的作用。观测到的物理现象似乎与E.博拉尔特所说明的相当吻合。
也讨论了岩石块或混凝土板被动力抛出的物理过程。这些构件上下压力场中持续时间和强度方面的差值可产生一个动态上托力,它超过了浸没部件的重量以及其他有关的力。压力激发的优势频率仍是关注的重点。G.安南达尔及其合作作者介绍了动态上托力的实际应用,以及在两排以45°倾角布置的轻质混凝土构件上所做的试验。
一旦该块体从其周围的块体中被推移出来,它将被推移或堆积在消力池下游,或者经过球磨过程将使其进一步破坏。这些现象以前未曾详细研究过,这主要是因为总是认为它们对最终冲刷深度的直接影响很小。
4. 圆桌会议
在工作会议结束时,举行了一次圆桌讨论会,强调需要继续进行研究和实际观测,以期获得对支配冲刷形成的各种现象的深入了解。一般认为,岩石冲蚀是涉及到空气-水-岩石相互作用的一个多学科工程领域,在未来的研究和设计中应尽可能地考虑该问题。其中一个问题是在消力池底部出现压力脉动。这些压力脉动能使下伏岩石节理激发和裂开,对冲蚀的发展有重大影响。因此,一个有效的消力池不仅要防止集中水流(射流)的直接影响,还要防止在水和岩石交界处高的压力脉动。射流掺气对降低平均动水压力也有正面影响。但是,掺气对压力脉动的影响尚不清楚,尚须作进一步研究。
而且,在消力池中出现自由空气,可在岩石节理中产生周期性压力明显增大,引起节理的疲劳损坏。最后,应急溢洪道的操作规程应避免形成集中水流(射流)。要进一步对冲蚀形成作更完整的理论描述,越来越需要用原型数据加以适当检验。这些数据与在形成冲蚀的泄水周期中得到的水力的、几何的和岩土的信息有关。显然,完整的成组数据很少,应该通过世界范围的共同努力来增加可供研究利用的实际数据数量。
5. 结 语
未来的挑战是在时间和空间上充分结合的岩石冲蚀的三相论述。普遍认可的是岩石冲蚀是包括空气-水-岩石相互作用的多学科工程领域。这应在未来的研究和设计问题中加以考虑。总之,讨论会一致认为在未来要对以下课题进行研究:
(1)在消力池和岩石节理中的掺气浓度;
(2)在一维和二维岩石节理网络中心的瞬时压力;
(3)在岩块上瞬时压力的持续时间;
(4)球磨作用;
(5)时间比尺效应;
(6)缩尺效应;
(7)形成最终冲蚀深度的设计流量。
这次会议的论文集以书本形式出版,便于利用,它首次将有关最新冲蚀评估方法的实践经验和理论知识汇集在一起。据信这次会议将为加强未来的研究和设计活动,以及改进大坝和水工建筑物的安全打下基础。
