反拱水墊塘在高拱壩中的應(yīng)用

1反拱水墊塘結(jié)構(gòu)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(hù)河床基巖,用鋼筋錨固底板與基巖,形成水墊塘護(hù)坦防止水流沖刷,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(guó)外最早應(yīng)用了反拱底板,稱反拱水墊塘,如西班牙Susqueda拱壩,南非P.R.Le.Roux拱壩,但其運(yùn)用的泄量不大。近年來,我國(guó)開始修建一些300米級(jí)的高拱壩,壩身泄量較大,如已建二灘、在建小灣、構(gòu)皮灘等,其中擬建的溪洛渡拱壩壩身泄量達(dá)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),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(dòng)水荷載作用下的穩(wěn)定性。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,這一研究對(duì)于反拱水墊塘的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有理論和實(shí)際意義。2反拱圈底板滲流致錨固力反拱水墊塘是一個(gè)倒拱形殼體結(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(gè)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。反拱水墊塘底板的工作原理可以通過反拱圈底板塊在力荷載作用下變位趨勢(shì)加以分析。作用在反拱圈上的力荷載有:底板與河床基巖的錨固力,底板自重,河床基巖對(duì)底板的支撐力,底板表面的動(dòng)水壓力,反拱圈底板與河床基巖縫隙中的楊壓力和滲透壓力。如果反拱圈橫縫止水遭到破壞,底板表面動(dòng)水壓力會(huì)貫入底板縫隙中,與楊壓力和滲透壓力一起形成縫隙動(dòng)水壓力。如果水墊塘下游抽排、上游帷幕灌漿發(fā)揮作用,縫隙動(dòng)水壓力主要由底板表面貫入的動(dòng)水壓力形成,其數(shù)量級(jí)和底板表面動(dòng)水壓力相當(dāng)。當(dāng)兩者瞬時(shí)相位相反時(shí),縫隙中的動(dòng)水壓力會(huì)大于底板表面的動(dòng)水壓力,形成底板上舉力,使反拱底板沿拱心上抬;反之,可使反拱底板產(chǎn)生離心趨勢(shì)。圖2給出了反拱圈荷載分布示意,其中,(Q,N)i=A,B,θ為反拱截面徑向剪力和軸向壓力(壓力為正),下標(biāo)A、B、θ表示兩拱座和任意截面處。沿反拱底板橫向取一微元弧長(zhǎng)ds=Rdθ,R為反拱半徑;θ∈[-θc,θc]為反拱切向角;2θc為反拱中心角,則沿反拱圈弧長(zhǎng)單位面積(水流方向)分布的動(dòng)水荷載為q=(qd-qu)-qr+qFs=qp-qr+qFs;qg=γsd(1)式中,q為徑向荷載;qp=qd-qu為徑向上舉力荷載(指向拱心為正);qd、qu為反拱底板表面和縫隙動(dòng)水壓力;qr為徑向錨固力荷載;qFs為徑向承載力荷載;qg=γsd為底板自重荷載(豎直向下為負(fù));γs為混凝土重度;d為反拱圈的混凝土厚度。當(dāng)上舉力荷載qp不足克服錨固力qr和自重qg時(shí),反拱圈上各底板塊依靠自重、向下的上舉力和錨固力qr保持穩(wěn)定,承載力qFs和錨固力qr約束反拱圈產(chǎn)生離心趨勢(shì)。若錨固力失效,河床基巖又產(chǎn)生一定塑性變形,拱座和反拱截面可能出現(xiàn)軸向拉力。當(dāng)上舉力荷載qp>0(縫隙動(dòng)水壓力大于底板表面動(dòng)水壓力),并能克服錨固力qr和自重qg時(shí),反拱圈產(chǎn)生向心位移趨勢(shì),qFs失去約束作用,反拱圈上各底板塊相互擠壓,其截面中產(chǎn)生軸向壓力,從拱冠通過拱作用傳至拱兩端,成為拱端推力,由拱支座和兩岸山體承擔(dān)。當(dāng)反拱底板縫隙止水遭到破壞,底板表面動(dòng)水壓力貫入底板縫隙中,同時(shí)錨固力失效的這種情況最為不利。綜上所述,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。3彎曲天然雜交湖泊底部提升力的實(shí)驗(yàn)研究3.1反拱圈和工區(qū)研究反拱底板止水破壞,底板表面動(dòng)水壓力貫入底板縫隙中,錨固力失效情況下,反拱拱圈底板上舉力荷載。物理模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),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,見圖1。反拱水墊塘用有機(jī)玻璃制作,在需要量測(cè)的水墊塘底板挖一槽,鑲?cè)霗C(jī)玻璃制作的反拱圈。在反拱圈橫向的不同位置,設(shè)置三個(gè)座穴,座穴內(nèi)設(shè)有原型尺寸為10×10×3m3(長(zhǎng)×寬×厚)的有機(jī)玻璃底板塊,其下固定測(cè)力傳感器。底板塊表面與水墊塘底板平齊,承受水墊塘底板動(dòng)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(dòng)水壓力貫入底板塊底面,以模擬縫隙動(dòng)水壓力?？p隙中的流動(dòng)為層流,而動(dòng)水壓力主要由縫口動(dòng)水壓強(qiáng)產(chǎn)生的擾動(dòng)傳播所致。因此,模型和原型存在縮尺影響。但平均量和脈動(dòng)量幅值能滿足重力相似準(zhǔn)則。力傳感器直接量測(cè)底板塊上舉力,即縫隙動(dòng)水壓力與底板塊表面動(dòng)水壓力之差。量測(cè)信號(hào)通過傳感器輸出線接入計(jì)算機(jī),用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的DJ800系統(tǒng)進(jìn)行采樣和分析。泄洪工況、水流參數(shù)詳見表1。每個(gè)泄洪工況下,沿水流方向,量測(cè)反拱圈不同樁號(hào)位置處底板塊上舉力,求得底板塊最大上舉力強(qiáng)度系數(shù)。3.2影響底板塊上舉力的因素反拱水墊塘底板塊上舉力定義為Ρ=∫ωqpdω=∫ω(qd-qu)dω(2)式中,P為底板塊瞬時(shí)上舉力;ω為單個(gè)底板塊表面積;其它符號(hào)意義同前。將F=P/ω作為徑向上舉力強(qiáng)度,以ˉF、σ、F、Fmax表示其時(shí)均值、均方根、瞬時(shí)值和最大瞬時(shí)值。根據(jù)反拱水墊塘底板塊上舉力分析和試驗(yàn)研究,認(rèn)為影響反拱底板塊上舉力的主要因素為F=f(ρ,u0,qe,x,X,Y,…)(3)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(kuò)散深度;X表示底板塊中心的樁號(hào)位置(沿水流方向);Y表示底板塊的橫向坐標(biāo)(見圖1)。根據(jù)量綱分析的π定理、無(wú)量綱數(shù)的組合以及底板塊上舉力的試驗(yàn)分析,式(3)可表示為CF=F0.5ρu20=ˉf(ˉx?ˉX?θ??)(4)式中,CF為底板塊瞬時(shí)上舉力強(qiáng)度系數(shù),將其中F以ˉF、σ、Fmax代人,得到底板塊時(shí)均、脈動(dòng)、瞬時(shí)和最大瞬時(shí)強(qiáng)度系數(shù)分別為C,C′F,CF和CFmax;ˉx=xu0/qe=htu0/qesinα為水舌相對(duì)擴(kuò)散距離,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(duì)于水舌沖擊點(diǎn)Xs的距離;θ表示底板塊的不同橫向位置。3.3試驗(yàn)結(jié)果的反弧水墊板底部提升能力1水舌沖擊試驗(yàn)結(jié)果圖3給出了七表孔泄洪工況下,底板塊上舉力強(qiáng)度系數(shù)隨X的變化規(guī)律以及底板動(dòng)水壓力系數(shù)CΔp=Δp/(0.5ρu20)和脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)Cp=σp′/(0.5ρu20)沿水流方向的試驗(yàn)曲線。其中,Δq,σp′為底板動(dòng)水壓力差和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根。從圖中可見,上舉力強(qiáng)度系數(shù)沿流程發(fā)生變化。在最大值下游,其沿流程衰減。Fmax衰減得最快,σ衰減得較慢。以Δp,σp′達(dá)到最大的樁號(hào)位置Xs為準(zhǔn),ˉF最大值偏離水舌沖擊點(diǎn)Xs下游一定距離,σ在水舌沖擊區(qū)由于水流強(qiáng)烈紊動(dòng)達(dá)到最大,瞬時(shí)值F在水舌沖擊區(qū)或其下游壁射流區(qū)達(dá)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(qiáng)度系數(shù)的試驗(yàn)曲線也表現(xiàn)出同樣的分布規(guī)律。2大實(shí)測(cè)值表2給出了各種泄洪工況下底板塊上舉力的最大實(shí)測(cè)值。由表2可見,所有表孔泄洪工況下,底板塊在橫向偏離溢流中心處達(dá)到最大,這是由于表孔出口位置橫向不對(duì)稱所致。3amx超過時(shí)均值對(duì)所有上舉力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出Amax/ˉF=1.62～11.73＞1,即Amax超過時(shí)均值,其中,Amax為一次采樣中上舉力瞬時(shí)值的級(jí)差;σ/ˉF=0.09～0.81,即最大脈動(dòng)值達(dá)到時(shí)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(dòng)。4底板塊上舉力圖4給出了上舉力強(qiáng)度系數(shù)隨水墊深度變化的試驗(yàn)曲線。從中可見,上舉力強(qiáng)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,底板塊上舉力仍有一定的脈動(dòng)幅度。對(duì)上舉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到上舉力強(qiáng)度系數(shù)最大值的關(guān)系為{CFmax=4.1578e-√ˉxCF′=0.0017ˉx-0.0273√ˉx+0.1098CˉF=0.675-0.2273x(5)5ff沿垂直分布圖5給出了底板塊上舉力強(qiáng)度系數(shù)沿反拱圈橫向的變化曲線。從中可見,CFmax沿反拱切角θ的增大而減少,根據(jù)其橫向變化趨勢(shì),從拱心最大到兩個(gè)拱端處,仍有相當(dāng)數(shù)值,而FF′沿θ增大幾乎保持一定值。其原因是,表中孔聯(lián)合泄洪時(shí),水舌上下碰撞后,以較大寬度落入水墊塘,水舌兩側(cè)會(huì)擴(kuò)散至兩拱端處,造成上舉力強(qiáng)度系數(shù)在水舌臨底擴(kuò)散的范圍內(nèi)都較大。因此,認(rèn)為上舉力強(qiáng)度系數(shù)沿橫向的變化與水舌的臨底擴(kuò)散寬度有關(guān)。在這個(gè)橫向擴(kuò)散范圍內(nèi),上舉力強(qiáng)度系數(shù)變化不太大,超過這個(gè)寬度,其值才會(huì)大幅度衰減。6高水墊塘內(nèi)水流渦流的強(qiáng)度圖6(a)給出了底板塊上舉力的典型譜密度曲線,其中橫坐標(biāo)為底板塊的脈動(dòng)頻率,按重力相似準(zhǔn)則由頻率比尺換算得出。譜密度曲線表示底板塊脈動(dòng)能量沿脈動(dòng)頻率譜的分布特征,也反映了水流脈動(dòng)形成的漩渦頻率。從中可見,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1～2(Hz)的頻率范圍。分析和計(jì)算表明,隨下游水墊深度增大,在七表孔泄洪時(shí),水流旋渦頻率向更低頻段集中;而在表中聯(lián)合聯(lián)合泄洪時(shí),似向高頻段移動(dòng),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(shì)頻率小于0.2～0.4Hz,小于板塊自振頻率,底板塊不會(huì)發(fā)生共振破壞。圖6(b)給出了底板塊上舉力自相關(guān)系數(shù)曲線。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(shí)間微尺度和時(shí)間大比尺在同一泄洪工況下大約相等,即水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)隨水位變化不顯著。但對(duì)不同泄流工況,兩個(gè)時(shí)間尺度不同。表中孔聯(lián)合泄洪時(shí),時(shí)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拱端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(dòng)水壓力貫入底板縫隙,不計(jì)基巖錨固力的極限情況。假設(shè)模型試驗(yàn)得出的最大瞬時(shí)上舉力沿拱圈徑向均勻分布,即Fmax=q(見圖2)。反拱拱圈的受力可以簡(jiǎn)化為無(wú)鉸拱、二鉸拱、三鉸拱和多鉸拱等形式,但不同反拱結(jié)構(gòu)形式下,拱端軸向力相差不大。為了簡(jiǎn)化起見,以二鉸拱進(jìn)行計(jì)算,兩拱端水平和垂直反力計(jì)算公式為:{VA=VB=qRLsinθc-0.5GΗA=ΗB=qRLcosθc-0.5Gθcsinθc+cosθc-(1-cosθc)θc(6)式中,VA,VB,HA,HB為兩拱端處垂直和水平反力;G=2γsdLRθc為反拱圈重量,θc以弧度計(jì);L=10m;d=3m。兩拱端徑向和軸向反力,即拱端推力(見圖2)為{QA=QB=ΗAsinθc-VAcosθcΝA=ΝB=ΗAcosθc+VAsinθc(7)表2給出了各種泄洪工況下,反拱圈拱端極限推力計(jì)算值,最大約為拱圈重2.7倍。根據(jù)這個(gè)荷載可以進(jìn)行反拱水墊塘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并研究反拱水墊塘底板穩(wěn)定性和兩岸山體穩(wěn)定。5拱水墊塘底板塊上舉力本文分析了反拱水墊塘底板工作原理,對(duì)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(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到1)