溪洛渡拱壩水墊塘底板塊上舉力分布規(guī)律研究

狹窄河谷中的高壩下游排水消能防沖是關(guān)鍵。通常采用的工程措施是以混凝土保護河床基巖,用鋼筋錨固底板與基巖,形成水墊塘護坦板來防止水流沖刷,靠塘內(nèi)一定深度和一定量的水體,以三元水躍旋滾消殺水流能量,確保水流與下游合理銜接。水墊塘大多為梯形斷面,稱平底水墊塘。國外最早應(yīng)用了反拱底板,稱反拱水墊塘,如西班牙的Susqueda拱壩,南非的PRLeRoux拱壩,但其壩身泄量不大。近年來,我國開始修建一些300m級的高拱壩,壩身泄量較大,如已建的二灘及在建的小灣、構(gòu)皮灘等,其中擬建的溪洛渡拱壩壩身泄量達30000m3/s為最大。隨著超高壩泄洪消能關(guān)鍵技術(shù)的深入研究,逐漸揭示出反拱水墊塘具有開挖量小、易穩(wěn)定兩岸山體、超載能力強等優(yōu)點,是高拱壩壩身泄洪消能的合理選擇。但關(guān)鍵問題是這種新型消能結(jié)構(gòu)在動水荷載作用下的穩(wěn)定性,而反拱水墊塘底板塊上舉力荷載與其穩(wěn)定性密切相關(guān)。因此,該研究對于反拱水墊塘的設(shè)計與應(yīng)用具有理論和實際意義。1反拱圈施工縫反拱水墊塘是一個倒拱型殼體結(jié)構(gòu),如圖1所示,沿水流方向約有幾百米,用橫縫(垂直于水流方向)分割成若干個反拱圈;垂直于水流方向,反拱圈用徑向伸縮縫(施工縫)分為若干塊,錨固在基巖上,拱端支撐在兩岸山體上,支撐端稱為拱座。反拱水墊塘工作原理是:反拱底板利用拱作用和混凝土材料抗壓性將豎向、徑向荷載變成反拱軸向壓力,并傳遞給反拱兩端拱座,依靠山體和拱座穩(wěn)定保持底板塊自身穩(wěn)定,將單一底板塊穩(wěn)定變成了反拱圈的整體穩(wěn)定。2試驗條件2.1座穴和傳感器實驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰蕜t設(shè)計,比尺為150,模擬溪洛渡拱壩整體、反拱水墊塘以及一段下游河道。模型布置詳見圖1,反拱水墊塘用有機玻璃制作,在需要量測的水墊塘底板挖槽,鑲?cè)胍粔K有機玻璃制作的反拱圈。在反拱圈橫向的不同位置,設(shè)置三個座穴,座穴內(nèi)設(shè)有原型尺寸為10m×10m×3m(長×寬×厚)的有機玻璃底板塊,其下固定有傳感器。底板塊表面與水墊塘底板平齊,承受水墊塘底板動水荷載。底板塊四周為模擬止水破壞后的底板縫隙,寬為模型尺寸1mm。水流通過縫隙把底板表面的動水壓強貫入底板塊底面,以模擬縫隙動水壓強。傳感器直接量測底板塊上舉力。傳感器由清華大學(xué)力學(xué)系研制,其成品要經(jīng)過動態(tài)響應(yīng)和幅值精度要求檢驗,使用前再用電子秤對其精度反復(fù)率定,選用的傳感器精度在10g范圍。量測信號通過傳感器輸出線接入計算機,用中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的DJ800系統(tǒng)進行采樣和分析。泄洪工況、水流參數(shù)詳見表1。每個泄洪工況下,沿水流方向,量測反拱圈不同樁號位置處底板塊上舉力,求得底板塊最大上舉力強度系數(shù)。2.2底板塊上舉力反拱水墊塘底板塊上舉力定義為:Ρ=∫ωqΡdω=∫ω(qd-qu)dω(1)式中,P為底板塊瞬時上舉力;ω為單個底板塊表面積;qd、qu分別為板塊下(縫隙內(nèi))、上表面的動水壓強。將F=P/ω作為徑向上舉力強度,以ˉF、σ、F、Fmax表示其時均值、均方根、瞬時值和時域內(nèi)的最大瞬時值。根據(jù)反拱水墊塘底板塊上舉力分析和試驗研究認為,底板塊承受的水流摩擦力相對較小,在底板塊拔出的過程中,其作用可以忽略不計,而影響反拱底板塊上舉力的主要因素為:F=f(ρ,u0,qe,x,X,Y,?)(2)式中,ρ為水的密度;u0為挑流水舌落入水墊塘水面的流速;qe為水舌入水的特征單寬流量;x為水舌在水墊中沿入水軸線方向(傾斜)的擴散深度;X表示底板塊中心的樁號位置;Y表示底板塊的橫向坐標。根據(jù)量綱分析π定理、無量綱數(shù)組合以及底板塊上舉力的試驗分析,式(2)可表示為:CF=F0.5ρu20=ˉf(ˉx,ˉX,θ,?)(3)式中,CF為底板塊瞬時上舉力強度系數(shù),將其中F以ˉF、σ、Fmax代入,則得到底板塊時均、脈動、瞬時和最大瞬時強度系數(shù)分別為CˉF、CF′、CF和CFmax;ˉx=xu0/qe=htu0/qesinα為水舌相對擴散距離,其中ht為從反拱水墊塘底板最低處算起的水深,ˉx值越大,水墊深度越深;ˉX=X/Xs為底板塊相對于水舌沖擊點Xs的距離;θ表示底板塊的橫向位置。3試驗結(jié)果分析，抗拱試驗田的底部提升能力3.1水舌沖擊下底板上舉力分析圖2給出了七表孔泄洪工況下,底板塊上舉力強度系數(shù)隨X的變化規(guī)律以及底板動水壓強系數(shù)CΔp=Δp/(0.5ρu20)和脈動壓強系數(shù)Cp=Cp′/(0.5ρu20)沿水流方向的試驗曲線。其中,Δp、σp′為底板動水壓強差(底板動水壓強減下游平均水深)和脈動壓強均方根。從圖中可見,上舉力強度系數(shù)沿流程均發(fā)生變化。在達到最大值的下游,其沿流程衰減。Fmax衰減得最快,σ衰減得較慢。以Δp、σp′達到最大的樁號位置Xs為準,ˉF最大值則偏離水舌沖擊點Xs下游一定距離,σ在水舌沖擊區(qū)由于水流強烈沖擊紊動達到最大,瞬時值F在水舌沖擊區(qū)或其下游壁射流區(qū)達到最大Fmax。因此,在水舌沖擊區(qū)及其下游一定范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生較大的上舉力,導(dǎo)致較大的拱端推力。其它泄洪工況下,上舉力強度系數(shù)的試驗曲線也表現(xiàn)出同樣的沿程分布規(guī)律。3.2底部提升力最大值表2給出了各種泄洪工況下底板塊上舉力最大實測值。所有表孔泄洪工況下,底板塊在偏離溢流中心達到最大,這是由于表孔出口橫向不對稱所致。3.3amx超過時均值通過分析上舉力試驗的所有數(shù)據(jù)得出:Amax/ˉF=1.62~11.73>1,即Amax超過時均值,其中Amax為一次采樣中上舉力瞬時值的級差;σ/ˉF=0.09~0.81,即最大脈動值達到時均值80%;Amax/σ>6.5。由此可見,水墊塘中底板塊在沖擊區(qū)附近劇烈脈動。3.4表面上舉力強度系數(shù)圖3給出了底板塊上舉力強度系數(shù)隨下游水墊深度變化的試驗曲線。由圖可見,上舉力強度系數(shù)均隨水墊深度ˉx加大而衰減。Fmax衰減得最快,ˉF衰減得最慢,σ則居中。因此,隨水深ˉx增加,底板塊上舉力都有一定脈動幅度。對上舉力試驗數(shù)據(jù)進行計算,得到上舉力強度系數(shù)最大值的回歸關(guān)系為:3.5兩拱端處水舌cf處理工藝中,我國現(xiàn)有的水舌或其上舉力處于水舌或兩拱端圖4給出了底板塊上舉力強度系數(shù)實測值沿反拱圈橫向變化曲線。由圖可見,CFmax沿反拱切向角θ的增大而減小,根據(jù)其橫向變化趨勢,從拱心最大處至兩拱端處,仍有相當數(shù)值,而CF′沿θ增大幾乎保持一定值。原因是表中孔聯(lián)合泄洪時,水舌上下碰撞后,以較大寬度落入水墊塘,水舌兩側(cè)會擴散至兩拱端處,造成上舉力強度系數(shù)在水舌臨底擴散的范圍內(nèi)都較大。因此,認為上舉力強度系數(shù)沿橫向的變化與水舌的臨底擴散寬度有關(guān),在這個橫向擴散范圍內(nèi),上舉力強度系數(shù)變化不大,超過這個寬度,其值才大幅度衰減。3.6高通量水墊塘渦流特性分析圖5a給出了底板塊上舉力的典型譜密度曲線,其中橫坐標ω為底板塊的脈動頻率,按重力相似準則由頻率比尺換算得出。該曲線是由實測上舉力隨機過程,經(jīng)過FFT變化而得。譜密度曲線表示底板塊脈動能量沿脈動頻率譜的分布特征,也反映了水流脈動形成的漩渦頻率。從圖中可見,譜密度曲線為低頻窄帶分布,水流旋渦的能量主要集中在約1～2Hz的頻率范圍。分析和計算表明,隨下游水墊深度增大,在七表孔泄洪時,水流旋渦頻率向更低頻段集中;而在表中孔聯(lián)合泄洪時,似向高頻段移動,表明水舌經(jīng)過碰撞后,水墊塘中水流能量消耗較多。底板塊上舉力譜密度優(yōu)勢頻率小于0.2～0.4Hz,小于板塊自振頻率,底板塊不會發(fā)生共振破壞。圖5b給出了底板塊上舉力自相關(guān)系數(shù)曲線。計算與分析表明,每一種泄洪工況下自相關(guān)系數(shù)曲線形狀相近,說明水墊塘中水流漩渦的時間微尺度和時間大比尺在同一泄洪工況下大約相等,即水流紊動結(jié)構(gòu)隨水位變化不顯著。但對不同泄流工況,兩個時間尺度不同,表中孔聯(lián)合泄洪時,時間大比尺減小,表明水墊塘旋渦的空間大尺度減少,能量消耗得較多。這與譜密度分析的結(jié)論是一致的。4反拱圈極限推力考慮反拱水墊塘中反拱圈上下游橫縫止水破壞,動水壓強貫入底板縫隙,不計基巖錨固力的極限情況,假設(shè)由試驗得出的最大瞬時上舉力Fmax沿拱圈徑向均勻分布。為了簡化起見,以三鉸拱(三個鉸位于兩拱端和拱心處)進行計算,詳見文獻。表2給出了各種泄洪工況下,反拱圈拱端極限推力計算值NA,最大值約為拱圈重2.7倍。由這個荷載可以進行反拱水墊塘結(jié)構(gòu)設(shè)計,并研究反拱水墊塘底板穩(wěn)定性和兩岸山體穩(wěn)定。5反拱圈的極限推力本文分析了反拱水墊塘底板工作原理,對反拱水墊塘通過泄量30000m3/s,反拱圈橫縫止水破壞和基巖錨固力失效的極端情況下的底板塊上舉力進行了試驗研究,得到:①反拱水墊塘底板塊上舉力強度系數(shù)的時均最大值偏離水舌沖擊點下游一定距離,脈動值在沖擊區(qū)達到最大,瞬時值在沖擊區(qū)或其下游壁射流區(qū)達到最大,因此反拱水墊塘在沖擊區(qū)及其下游一定范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生較大的上舉力,從而產(chǎn)生較大的拱端推力;