溪洛渡拱坝反拱水垫塘底板块上举力研究

溪洛渡拱坝反拱水垫塘底板块上举力研究

狭窄河谷中的高坝下游排水消能防冲是关键。通常以混凝土衬砌河床基岩,用钢筋锚固底板与基岩,形成水垫塘。水垫塘的断面大都为梯形,称平底水垫塘。国外最早应用了反拱底板,称反拱水垫塘,如西班牙Susqueda拱坝,南非P.R.Le.Roux拱坝的下游水垫塘,但其运用的泄洪流量不大。近些年来,中国正在建一些300米级的高拱坝,坝身泄量较大,如已建二滩、在建小湾、构皮滩,拟建的溪洛渡拱坝等,坝身泄量最大已达3万m3/s。随着超高坝泄洪消能关键技术的深入研究,逐渐揭示出反拱水垫塘具有开挖量小,易稳定两岸山体、超载能力强等优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。但实际应用中,关键问题是这种新型消能结构在底板块上举力荷载作用下的稳定性,目前尚没有原型资料可以参考。因此,这一研究对于解决反拱水垫塘的设计和应用中的问题具有理论和实际意义。1反拱圈内力分析反拱水垫塘是一个倒拱形壳体结构,如图1所示,沿水流方向约有几百米,用横缝(垂直于水流方向)分割成若干个反拱圈;垂直于水流方向,反拱圈用径向伸缩缝(施工缝)分为若干块,锚固在基岩上,拱端支撑在两岸山体上,支撑端称为拱座。图2给出了反拱圈荷载分布示意,沿反拱拱弧长单位面积上分布的动水分布荷载为:q=qΡ-qr+qFs‚qΡ=(qd-qu)‚qg=γsd‚(1)式中:q为径向分布荷载,qP为径向上举力分布荷载(指向拱心为正),qd、qu为反拱底板表面和缝隙动水压强。上举力的产生主要是由于反拱圈横缝止水遭到破坏,底板表面动水压力会贯入底板缝隙,形成的缝隙动水压力所致。其数量级和底板表面动水压力相当。当两者瞬时相位相反时,缝隙动水压力会大于底板表面动水压力,形成底板上举力;qr为径向锚固力分布荷载;qFs为径向承载力分布荷载;qg为底板自重分布荷载(竖直向下为负);γs为混凝土重度;d为反拱圈的混凝土厚度;R为反拱半径;θ∈[-θc,θc]为反拱切向角;2θc为反拱中心角;ds=Rdθ为沿反拱底板任一微元弧长。当上举力荷载qP>0,并克服锚固力qr和自重qg时,反拱圈产生向心位移,qFs失去支撑作用,反拱圈上各板块相互挤压,拱截面产生径向剪力Q|i=θ和轴向压力N|i=θ(压力为正,θ表示两拱座和任意截面处),其中N|i=θ为主,从拱冠传至拱两端,变成拱端推力N|i=A,B(下标A、B表示两拱座处),由拱支座和两岸山体承担。综上所述,反拱水垫塘的工作原理是:利用拱作用和混凝土材料抗压性将竖向、径向荷载变成反拱轴向压力和拱座推力,靠山体和拱座稳定保持底板块自身稳定。2弯曲天然杂交湖泊底部提升力的实验研究2.1水垫塘底板及内固结研究反拱底板止水破坏,底板表面动水压强贯入底板缝隙中,锚固力失效情况下,反拱拱圈底板上举力荷载。图3给出了模型试验的布置图。模型按重力相似准则设计,比尺为150,模拟溪洛渡拱坝整体、反拱水垫塘以及一段下游河道。水垫塘用有机玻璃制作,在量测的水垫塘底板挖槽,镶入一块机玻璃制作的反拱圈。镶完后的横缝隙用玻璃胶填充,保证其与原水垫塘表面平齐。在反拱圈不同的横向位置,设3个座穴,其内设有原型尺寸为10m×10m×3m(长×宽×厚)的有机玻璃底板块,下设力传感器。底板块表面与水垫塘底板平齐,承受水垫塘底板表面的动水荷载。板块四周为底板缝隙,宽为1(mm,模型尺寸)。力传感器量测底板块上举力。量测信号通过输出线接入计算机,用中国水利水电科学研究院水力学所研制的DJ800系统进行采样和分析。水流参数和泄洪工况详见表1。每个泄洪工况下,量测反拱圈处于不同位置处的底板块上举力。2.2水垫块上举力的量纲分析反拱水垫塘底板块上举力定义为:Ρ=∫ωqΡdω=∫ω(qd-qu)dω‚(2)式中:P为底板块瞬时上举力,ω为底板块表面积。将F=P/ω作为径向上举力强度,以ˉF、σ、F、Fmax表示其时均值、均方根、瞬时值和时域内的最大瞬时值。根据反拱水垫塘底板块上举力的分析,认为其主要影响因素为F=f(ρ,u0,qe,x,X,Y‚⋯)‚(3)式中:ρ为水的密度,u0为水舌落入水垫塘水面的流速,qe为水舌入水的特征单宽流量,x为水舌在水垫中沿入水轴线(倾斜)的扩散深度,X为底板块中心桩号,Y为底板块的横向坐标(见图2)。根据量纲分析的π定理以及量纲为1的数的组合,式(3)可表示为:CF=F0.5ρu20=ˉf,(ˉx,ˉX,θ‚⋯)‚(4)式中:CF为底板块瞬时上举力强度系数,将其中F以ˉF、σ、Fmax代人,得到底板块时均、脉动、瞬时和最大瞬时强度系数分别为CˉF、C′F、CF和CFmax;ˉx=xu0/qe=htu0/qesinα为水舌的相对扩散距离,ht为从反拱水垫塘底板最低处算起的水深,x¯值越大,水垫深度越深;X¯=X/Xs为底板块相对于水舌冲击点Xs的距离;θ表示底板块的横向位置。2.3试验结果的反弧水垫板底部提升能力2.3.1b试验曲线图4给出了七表孔泄洪工况下,底板块上举力强度系数随的变化规律以及底板动水压强系数CΔp=Δp/(0.5ρu20)和脉动压强系数Cp=σp′/(0.5ρu20)沿水流方向的试验曲线。其中,Δp、σp′为底板动水压强差和脉动压强均方根。从中可见,上举力强度系数沿流程均发生变化。在达到最大值后,其沿流程衰减。Fmax衰减得最快,σ衰减得较慢。以Δp、σp′达到最大的桩号位置Xs为准,F¯最大值则偏离水舌冲击点Xs下游一定距离,σ在水舌冲击区由于水流强烈冲击紊动达到最大,瞬时值F在水舌冲击区或其下游壁射流区达到最大Fmax。因此,在水舌冲击区及其下游一定范围内都可能产生较大的上举力,导致较大的拱端推力。2.3.2表孔出口横向不对称性表2给出了各种泄洪工况下底板块上举力的实测最大瞬时值。所有运行工况下,Fmax在129.77～341.89kN·m-2间变化并由于表孔出口横向不对称致使其在横向偏离溢流中心。一次采样中上举力瞬时值的级差Amax超过时均值,即Amax/F¯=1.62∼11.73>1;最大脉动值达到时均值80%,即σ/F¯=0.09∼0.81;而Amax/σ>6.5。可见,水垫塘中底板块在冲击区附近剧烈脉动。2.3.3深水x对fx-pb由图5给出了的上举力强度系数随水垫深度变化的试验曲线可见,上举力强度系数均随水垫深度x¯加大而衰减。Fmax衰减得最快,F¯衰减得最慢,σ则居其中。随水深x¯增加,底板块上举力仍有一定的脉动幅度。对上举力试验数据进行计算,得{CFmax=4.1578e-x¯‚CF′=0.0017x¯-0.0273x¯+0.1098‚CF¯=0.675x-0.2273.(5)2.3.4两个拱心沿处,各表内部分因火图6给出了底板块上举力强度系数沿反拱圈横向的变化曲线。从中可见,CFmax沿反拱切向角θ的增大一定减小,但根据其横向变化趋势,从拱心最大处至两个拱端处,其都有相当数值,而CF′沿θ增大几乎保持一定值。其原因是,表中孔联合泄洪时,表中孔水舌上下碰撞后,以较大宽度落入水垫塘,水舌两侧会扩散至两拱端处,造成上举力强度系数在水舌临底扩散的范围内都较大。因此,认为上举力强度系数沿横向的变化与水舌的临底扩散宽度有关。在这个横向扩散范围内,上举力强度系数变化不太大,超过这个宽度,其值才会大幅度衰减。2.3.5高水势结构自相关系图7a给出了底板块上举力的典型谱密度的试验曲线,其中横坐标ω为底板块的脉动频率,按重力相似准则由频率比尺换算得出。可见,谱密度曲线为低频窄带分布,水流旋涡的能量主要集中在约1～2Hz的频率范围。底板块上举力谱密度优势频率小于0.2～0.4Hz,小于板块自振频率,底板块不发生共振破坏。图7b给出了底板块上举力自相关系数曲线。每一种泄洪工况下自相关系数曲线形状相近,说明水垫塘中水流漩涡的时间微尺度和时间大比尺在同一泄洪工况下大约相等,即水流紊动结构随水位变化不显著。但不同泄流工况,两个时间尺度不同。表中孔联合泄洪时,时间大比尺减小,表明水垫塘旋涡的空间大尺度减少,能量消耗得较多。3拱端极限推力反拱圈受力可以简化为无铰拱、二铰拱、三铰拱和多铰拱等形式,但不同反拱结构形式,拱端轴向力相差不大。为了简化起见,以两铰拱进行计算,并假设最大瞬时上举力沿拱圈径向均匀分布,Fmax=q(见图2),以求可能的拱端极限推力。表中孔联合泄洪时,这个假定接近实际。但准确的分布形式只有通过试验确定。由此得到:{QA=QB=ΗAsinθc-VACΟSθc‚ΝA=ΝB=ΗACΟSθc+VAsinθc；(6){VA=VB=qRLsinθc-0.5G,ΗA=ΗB=qRLCΟSθc-0.5Gθcsinθc+CΟSθc-1(1-CΟSθc)θc.(7)式中:G=2γsdLRθc为反拱圈重量,θc以弧度计;L=10m;d=3m。各种泄洪工况下,反拱圈拱端极限推力计算值见表2,最大值约为拱圈重2.7倍。4底板块上举力强度系数本文分析了反拱水垫塘底板工作原理,结合溪洛渡高拱坝,对反拱水垫塘底板块上举力进行了大量的试验研究。在拱坝坝身泄量最大达3万m3/s时,反拱圈横缝止水破坏,动水压强贯入底板缝隙,基岩锚固力失效的极端情况下,得出以下结论:1)反拱水垫塘底板块上举力强度系数沿横向及流程分布规律为时均最大值偏离水舌冲击点下游一定距离,而脉动值在水舌冲击区达到最大,瞬时值在水舌冲击区或在其下游壁射流