高水頭大流量條件下拱圈底板塊軸力試驗研究

0拱壩底板塊穩(wěn)定性研究水庫高、流量大、河谷窄、排水能力強，給下游帶來極大困難。目前解決高壩泄洪消能問題所采用的工程措施大都是在下游修建襯砌水墊塘,如已建小灣、構(gòu)皮灘和溪洛渡等高拱壩工程。這樣水墊塘底板塊的穩(wěn)定就成為了一個十分重要的問題。近年來,隨著對水墊塘的研究,一些學(xué)者提出了平底水墊塘存在不利的流態(tài)和底板水動力學(xué)特征,揭示了更有利于實際地形和河床防護的反拱水墊塘的優(yōu)點,提出了拱圈底板塊穩(wěn)定性原理、作用荷載特征、拱圈底板位移的變化規(guī)律、拱圈局部和整體失穩(wěn)機理等一些有價值的研究成果,并探討了拱圈底板塊軸力的特征。本文在此基礎(chǔ)上,結(jié)合溪洛渡高拱壩工程,對拱圈底板塊軸力的變化進行更深入的研究,以求全面揭示拱圈底板塊的水力特性,為水墊塘設(shè)計提供理論依據(jù)。1拱圈底板塊軸力試驗試驗?zāi)Ｐ鸵韵宥筛邏喂こ?下稱原型工程)的七表孔泄洪參數(shù)和其下游的反拱水墊塘體型為參考,按重力相似準則和紊流阻力相似準則設(shè)計,比尺170。圖1給出了試驗?zāi)Ｐ偷恼w布置。模型主要由射流系統(tǒng)和反拱水墊塘組成。射流系統(tǒng)是一單股寬噴嘴。反拱水墊塘設(shè)置在一個可移動的箱體中,其體型和尺寸按原型工程設(shè)計,由一般拱圈段和試驗拱圈段兩部分組成。一般拱圈段用水泥沙漿磨面,試驗拱圈段設(shè)置在反拱水墊塘中部,其表面弧形曲面和拱座由單個底板塊(1)～(9)(有機玻璃拱塊)和左右岸拱端固定塊(Ⅰ和Ⅱ)鑲成。單底板塊尺寸b×L×d×Δα(平行水流方向長×平均弧長×厚×圓心角)為12.0m×12.0m×4.0m×8.64°。底板塊上下游縫寬δu和δd,橫向縫寬δr和δL(L和r表示底板塊左右側(cè),下同),底縫寬δb。這些縫寬用δ表示,試驗時控制在1mm左右(模型值)。這樣試驗拱圈段的振動底板塊可沿徑向、橫向自由位移。底板塊內(nèi)還固定有傳感器量測軸力。經(jīng)模型試驗測定,水舌橫向入水寬96.9m,覆蓋反拱水墊塘全拱圈和部分拱座范圍;拱圈底板最大壓差為45.06m,遠大于原型工程七表孔校核水位工況的;而最大泄量則是原型工程七表孔校核水位泄量(17422.75m3/s)的75.3%。因此,射流系統(tǒng)模擬了原型工程高水頭、大流量的水流條件。在這樣的模型上可以進行底板塊軸力的試驗研究。設(shè)水舌沖擊點o為坐標原點,x軸指向水流方向,y軸指向右岸為正,z軸向上為正。試驗是在水墊塘止水破壞條件下,對拱圈底板塊軸力在上舉力作用下的分布規(guī)律進行研究。試驗分工況1:拱圈單底板塊(5)錨固失效(拱圈其他塊固定);工況2:拱圈九底板塊(1)～(9)錨固都失效(拱端塊固定)。模型試驗的水舌入水參數(shù)按表1控制。試驗時用計算機對底板塊軸力進行采集,采樣頻率100Hz和采樣時間1564s。2局部拱的形成及內(nèi)部的逆向傳遞作用設(shè)底板塊上、下表面弧長為Lu、Ld,下標為i的物理量表示底板塊i的(其他類推),振動底板塊中心角為αi(拱圈左岸底板塊αi<0),底板塊振動位移為si(t),其鎖定高度為sim。圖2給出了拱圈底板塊鎖定和軸力傳遞的示意。當(dāng)止水破壞,底板塊i錨固失效后,拱圈n=1個底板塊開始振動。若底板塊上舉力Fi>Gicosαi(重力在徑向的分力),則這個底板塊便開始自由振動;當(dāng)si=sim(拱圈單底板塊自由振動最大鎖定高度)時,其端部開始受到相鄰底板塊側(cè)面的約束,在鎖定底板塊側(cè)面產(chǎn)生了軸力NiL、Nir以及摩擦力RiL、Rir,使si不再增加。這時底板塊i與其相鄰塊(i-1,或i+1)形成了一個局部拱,稱其達到鎖定狀態(tài)。同時,軸力和摩擦力又反過來大小不變地傳遞給相鄰底板塊。如果拱圈單底板塊鎖定后未失穩(wěn),則拱圈振動底板塊數(shù)將增加到n=2。原因是底板塊之間咬合力R存在逆向傳遞作用。對于底板塊i,RiL阻止其徑向位移。對于底板塊i-1,R(i-1)r方向則與Fi-1方向一致,兩者作用相同,共同克服Gi-1cosαi-1、N(i-1)rsin(0.5△α)(對底板塊i+1進行分析也能得出同樣結(jié)論)。因此,底板塊之間咬合力R的逆向傳遞作用是增大了相鄰底板塊的上舉力,它會使底板塊i-1的錨固更快失效,從而使拱圈底板塊連鎖失效。如果拱圈振動底板塊增至n<m(拱圈最大底板塊數(shù))時,拱圈底板塊能鎖定形成局部拱而不失穩(wěn),那么在組成局部拱的底板塊中、相鄰底板塊之間將傳遞軸力和摩擦力;n=m時,其將傳遞到拱座。因此,拱圈底板塊軸力的產(chǎn)生和傳遞機理是,底板塊上舉力導(dǎo)致了底板塊位移和鎖定,鎖定后的底板塊產(chǎn)生約束軸力,同時軸力又反過來不斷向相鄰底板塊傳遞直至拱端。3由管井提出的試驗工況n型設(shè)拱圈底板塊軸力為N,N的特征量為[N(t),Na,Nmax,Nσ]。其中,N(t)為t時刻的瞬時值;下標a、max和σ的物理量表示N在采樣時間內(nèi)的時均值、瞬時最大值和脈動強度。根據(jù)拱圈底板塊軸力產(chǎn)生的理論分析,認為N的主要影響因素為式中,n為拱圈振動的底板塊數(shù)目。n=1為工況1,n=9為工況2;f為軸力的頻率;F為底板塊上舉力;s為水墊塘體型參數(shù)。在水墊塘止水破壞、拱圈底板塊錨固失效,試驗工況、水墊塘體型參數(shù)和縫寬一定時,根據(jù)理論分析和初步試驗研究,式(1)可化為式中,等式左端項包括N(t)/Gicosα、Na/Gicosα、Nmax/Gicosα和Nσ/Gicosα,它們是相對于重力分量的同名物理量;t/t0為無因次時間,分母t0為水舌從水面擴散至水墊塘底部的時間,約為6.5×10-2s;f/f0為無因次頻率,其中f0=1/t0。試驗就是尋求式(1)的分布規(guī)律。3.1拱圈內(nèi)軸力特征值分布1)工況1:圖3和圖4分布給出了工況1下底板塊(5)軸力特征值分布以及瞬時值的隨機過程。從圖3可見,軸力特征值沿程有不同分布特征。按照其特征,可把水墊塘分為沖擊強振區(qū)、上下游強振區(qū)三個區(qū)。沖擊強振區(qū)位于x/b=[-0.5,0.5]。在該區(qū)沖擊點附近,瞬時最大值最大,并沿程迅速減小;時均值最小,并迅速達到峰值;瞬時最大值與時均值相差大;脈動強度最大。從圖4可見,底板塊軸力瞬時值曲線上下起伏振蕩,說明瞬時軸力變化劇烈且變幅大,同時軸力可在短時間內(nèi)達到較大,也可降低到一定程度,又不斷脈動,如x/b=±0.28的兩軸力曲線,分析認為這是底板塊瞬時鎖定和解鎖過程中軸力的反映,是由于底板塊在上舉力的作用下鎖定和解鎖而產(chǎn)生的。因此,底板塊在鎖定過程中瞬時、或不短時間內(nèi)鎖定,形成瞬時局部拱,瞬間傳遞軸力至相鄰固定底板塊。解鎖過程中底板塊幾乎不傳遞軸力。根據(jù)兩種工況下的軸力特征值分布規(guī)律,上下游強振區(qū)分為位于x/b=[0.5,12.0]和x/b=[-6.5,-0.5]。兩個區(qū)的軸力特征值總體沿程波浪式遞減,但尾部處仍較大。從圖4可見,瞬時軸力值較大,而曲線上下則脈動小,這是底板塊長期鎖定的軸力反映,說明底板塊能長時間保持鎖定形成局部拱。2)工況2:拱圈各底板塊的軸力特征基本相同,這里僅給出圖5典型底板塊(5)的軸力沿程分布和圖6相應(yīng)底板塊的瞬時軸力曲線。從圖5可見,底板塊軸力特征同樣也可分為三區(qū),各區(qū)特征值的沿程分布規(guī)律與工況1基本相同。在沖擊強振區(qū),沖擊點附近的最大值和時均值處于低谷,沿程迅速增大;脈動強度仍處于峰值區(qū)。由圖6可見,軸力瞬時值脈動劇烈,變幅又大,軸力瞬時可達較大峰值,這說明底板塊能在瞬時鎖定形成局部瞬時拱,瞬間傳遞軸力至相鄰固定底板塊。在上下游強振區(qū),瞬時最大值、時均值達到峰值,且其值較大,峰點后沿程遞減;最大值與時均值之差減小;脈動強度減小且沿程波浪式遞減,但下游強振區(qū)末端出現(xiàn)了一個分布較寬的峰值區(qū)。分析認為,這是由于水墊塘反弧曲面將水舌向心匯聚而碰撞而產(chǎn)生的后果,拱圈振動的底板塊增多后,這個塊的脈動則越大;由圖6可見,軸力瞬時曲線脈動小,但值卻大,說明底板塊能長時間保持鎖定。由于工況2瞬時值又比工況1大,說明底板塊的鎖定更能保持較遠距離。圖7給出了工況2下拱圈各底板塊左側(cè)的軸力橫向分布。從中可見,在沖擊強振區(qū),瞬時最大值沿拱圈變化大、分布不均且值也大;時均值呈中間小、兩端大的分布且其值不大。兩者沿拱圈橫斷面相差較大,這說明底板塊能瞬時鎖定形成局部瞬時拱;脈動強度沿拱圈分布較均且其值大。在下游強振區(qū),瞬時最大值與時均值沿拱圈變化大且其值由較大沿程遞減;兩者之差變小。在強振區(qū)首部和尾部,拱圈底板塊鎖定和解鎖交替出現(xiàn),形成瞬時拱;而強振區(qū)中部,拱圈底板塊完全鎖定。鎖定狀態(tài)下拱圈出現(xiàn)長期局部拱的數(shù)目不定,一般2～3個。拱圈底板塊數(shù)越多,局部拱數(shù)增加;脈動強度小。上游強振區(qū)的軸力特征值與下游強振區(qū)基本相同。因此,三個強振區(qū)內(nèi)的底板塊軸力沿拱圈分布不均勻、最大瞬時值與時均值之差有大有小、脈動強度有強有弱。底板塊軸力的傳遞規(guī)律是從位移較大的鎖定底板塊向兩側(cè)底板塊傳遞。3)兩種工況下底板塊軸力強度:對兩種工況下拱圈各底板塊的軸力最大值進行統(tǒng)計,得出在不考慮斷面不均勻系數(shù)的條件下,底板塊軸力最大強度nmax發(fā)生在工況2下底板塊(3)右側(cè),其中nmax=Nmax/(d·b)=Nmax/A,其無因次數(shù)nmax/(Gi/A)為30.13,小于C30混凝土抗壓強度的無因次數(shù)176.57,并有一定的安全富裕。這說明在試驗條件下,拱圈底板塊不發(fā)生強度破壞。3.2軸力譜密度分布圖8給出了兩個工況下底板塊(5)軸力最大譜密度的沿程分布,縱坐標Smax·σmax-2·t0-1為軸力最大譜密度的無因次數(shù),其中S為軸力的譜密度,σmax為對應(yīng)工況下底板塊(5)脈動強度的最大值。從圖8可見,在沖擊強振區(qū),兩種工況下的軸力譜密度均達到峰值、或較大值。在上下游強振區(qū),兩種工況下的軸力譜密度都由最大、較大值迅速減小;工況2下的軸力譜密度更大、分布也稍寬些;軸力譜密度在x/b=[8.6,11.4]也有一個分布較寬的峰值區(qū),這與圖5軸力中脈動強度在下游存在峰值這一現(xiàn)象相互驗證。圖9給出了兩個工況下底板塊(5)的典型橫斷面的軸力譜密度。從圖9可見,兩種工況下軸力優(yōu)勢頻率fc的無因次量fc/f0<0.5×10-2,換算至原型得出優(yōu)勢頻率在小于0.2Hz的低頻窄帶。這個頻帶范圍與水墊塘水躍旋滾的、底板塊脈動壓強的、底板塊振動的以及其上舉力的優(yōu)勢頻率范圍非常接近,說明底板塊的軸力都是由于水流的大渦運動產(chǎn)生的,同時這個優(yōu)勢頻率與水墊塘的自振頻率相差較大,說明拱圈底板塊不會因此產(chǎn)生共振破壞。4拱圈軸力分析在高水頭、大流量作用下,對反拱水墊塘拱圈在上舉力作用下的軸力進行了試驗研究,試驗工況是止水破壞、拱圈單底板塊和九底板塊錨固分別失效,得到主要結(jié)論如下:1)拱圈底板塊軸力的產(chǎn)生和傳遞機理是,底板塊上舉力誘導(dǎo)了底板塊鎖定,鎖定后拱圈形成局部拱,由此相鄰底板塊對鎖定底板塊產(chǎn)生了約束軸力,同時軸力又不斷向相鄰底板塊傳遞直至拱端。2)拱圈底板塊軸力沿程可分為沖擊強振區(qū)、上下游強振區(qū)。沖擊強振區(qū)位于x/b=[-0.5,0.5],上下游強振區(qū)位于[-6.5,-0.5],或x/b=[0.5,12.0]。在沖擊強振區(qū),拱圈底板塊能瞬時鎖定;在上下游強振區(qū),拱圈底板塊長時間保持鎖定,工況2則保持鎖定較遠距離。在上下游強振區(qū)首部位置,軸力特征值具有由沖擊強振區(qū)發(fā)展過渡的特征。3)在沖擊強振區(qū),軸力最大值沿拱圈變化大且值也大;最大值與時均值之差沿拱圈相差大,拱圈底板塊能瞬時鎖定形成局部瞬時拱。在上下游強振區(qū),瞬時最大值、時均值沿拱圈變化大,兩者之差小。在其首部和尾部