反拱坝水垫塘底板上举力分布规律研究

反拱坝水垫塘底板上举力分布规律研究

水亭是高拱水库下游的一种新的消能防冲结构，其底板承受着巨大的水流压力。在水舌射入水垫塘的水体通过水流的强烈紊动进行消能的同时,使水垫塘的底部及侧墙产生比较剧烈的紊流动水压强脉动,通过基础传递给坝体,导致坝身产生振动。研究表明,它是引起拱坝坝体振动的主要振源之一。反拱形水垫塘由于结构的特点,在射流冲击荷载的作用下,其动力过程较为复杂,板块所受上举力即施加在反拱结构上的荷载是底板稳定问题研究中的核心。目前文献所载,对底板表面动水压力的研究较多,板块失稳的机理也比较明确,主要结论是射流冲击区附近某个区域存在上下表面时均压力差且上小下大,与脉动荷载综合作用。存在的问题有:一是脉动压力点——面转换系数多大,需专门研究;二是上举力试验模型如何布置,还应讨论。本文阐述了板块上举力的成因,采用自制的传感器直接测量了上举力并分析了其频谱特性,给出了上举力与水力条件的经验关系。1抗浮安全指标图1给出了水垫塘射流水舌及其冲击荷载在底板上下表面产生的时均压力分布。在冲击点的上下游均有一个区域底板下表面的压力大于上表面,因而A区和C区是失稳区,B区是稳定区。这是所有研究者得出的一致结论。不论是平底板还是反拱形底板,评价单个板块的稳定性,都可用抗浮安全指标来计算。水垫塘底板块所受上举力的定义为上下表面动水压力之差。在止水完全破坏的情况下,板块间的施工缝和板块与基岩之间的接触缝相互贯通,B区板块下上表面受射流水舌的直接冲击,水流的动能转化为势能,压力比两侧的壁面射流区大得多,在水垫塘的纵向形成压力梯度。上表面的压力是水流直接作用的结果,然而下表面的压力产生就要复杂得多。一方面板块上表面压力通过缝隙又传至下表面,同时下表面的高压力又向低压力区传递。因此,板块下表面的压力比上表面的大,是板块下表面动水压力沿板块与基岩间缝隙传递的结果。这就是失稳区板块上举力的成因,这一点在模型中研究板块的稳定性是非常重要的。2失稳区板块的测量如果将模型中各个板块孤立开来测量其上下表面的压力或上举力,则破坏了实际工程中的板块受力状态,至少是没有恰当地模拟止水完全破坏情况。当然,专门模拟盲缝则另当别论。因此,建立失稳区板块的水力学模型测量板块的上举力,必须考虑板块下表面压力沿缝隙的传递方式。弄清板块上举力的成因,采用合适的测量手段,才能获得正确的实验数据。按照上述的分析结果,用加重橡胶制成与原型具有相同容重的模型板块敷设在模型底板上。各板块间以及板块与模型底板间保持1毫米左右的缝隙,每个板块由4个弹簧支撑在模型底板上并与传感器的弹性元件共同组成测力机构,见图2。在静水中将二次仪表置零,模型中所测值即为板块所受的上举力。3提升力量3.1党建温度与比例各组次的实测数据显示,脉动上举力均方差与最大值的比例基本稳定,一般在15%～20%之间。这一结果表明,脉动上举力对板块的稳定是至关重要的,有时可能起决定性的作用。3.2横向流动特性图3中上举力沿拱圈分布图形呈双峰形态,是射流水舌到达反拱形底板后,因为水舌向水垫塘中心线集中而存在流速和压力梯度,形成横向流动的结果。与图1所示的流态类似,水垫塘底板中心线上表面压力最高,两侧相对较低。但是,上表面的高压通过板块间的缝隙传到下表面的同时,也沿板块与基岩间的缝隙向两侧传递,进而形成两侧上举力峰值。块测量时段出现的最大上举力,可以用图中所示具有最大拱端推力拱圈的各板来评价单个板块的稳定性,若用于计算拱端推力,则应考虑各板块上举力的互相关系数。3.3最大上举力沿程分布以距射流水舌冲击点的距离x与上下游水头差Hz的比值为横坐标,以各测点最大上举力FL与冲击点的最大上举力FLmax的比值为纵坐标,绘制二者关系曲线,即得到标准化后的最大上举力沿程分布,见图4。图中显示,射流冲击荷载产生上举力的范围为0.8倍的水头,且冲击点上下游各占一半。说明射流水舌对反拱结构的冲击作用在以冲击点为中心的上下游基本对称。本图实际上给出了射流冲击荷载产生上举力的范围,不在此范围的板块所受上举力可以忽略。本图大致给出了水垫塘底板的防护区域。3.4拱端推力的一般关系影响拱上举力的主要因素为射流入水单宽流量q,上游水位至底板的水头H,底板厚度D,水垫塘水深ht,射流水舌的入水角θ。考虑到高拱坝表孔水舌基本上以90°入水,中底孔水舌差异较大,综合入水角度较为复杂,本文暂不计入θ的影响。经无量纲运算,拱端推力的一般关系可写成FLmaxG=f(qg0.5H1.5,Dht)(1)FLmaxG=f(qg0.5Η1.5,Dht)(1)式中:qg0.5H1.5qg0.5Η1.5为流能比;DhtDht为相对板厚。由实测水舌冲击点最大上举力力FLmax与单个板块自重G的比值和无量纲参数qg0.5H1.5⋅Dhtqg0.5Η1.5⋅Dht点绘的经验关系见图5,拟合的经验公式如下:FL/G=9.858qg0.5H1.5⋅Dht−10.24(2)FL/G=9.858qg0.5Η1.5⋅Dht-10.24(2)式(2)可用于估算类似工程反拱形水垫塘底板的最大上举力。4拱圈范围上举力的范围研究结果表明,与平底水垫塘相比,反拱形水垫塘底板的上举力没有大的差异。上举力符合正态