高水头大流量条件下拱圈底板块轴力试验研究

高水头大流量条件下拱圈底板块轴力试验研究

0拱坝底板块稳定性研究水库高、流量大、河谷窄、排水能力强，给下游带来极大困难。目前解决高坝泄洪消能问题所采用的工程措施大都是在下游修建衬砌水垫塘,如已建小湾、构皮滩和溪洛渡等高拱坝工程。这样水垫塘底板块的稳定就成为了一个十分重要的问题。近年来,随着对水垫塘的研究,一些学者提出了平底水垫塘存在不利的流态和底板水动力学特征,揭示了更有利于实际地形和河床防护的反拱水垫塘的优点,提出了拱圈底板块稳定性原理、作用荷载特征、拱圈底板位移的变化规律、拱圈局部和整体失稳机理等一些有价值的研究成果,并探讨了拱圈底板块轴力的特征。本文在此基础上,结合溪洛渡高拱坝工程,对拱圈底板块轴力的变化进行更深入的研究,以求全面揭示拱圈底板块的水力特性,为水垫塘设计提供理论依据。1拱圈底板块轴力试验试验模型以溪洛渡高坝工程(下称原型工程)的七表孔泄洪参数和其下游的反拱水垫塘体型为参考,按重力相似准则和紊流阻力相似准则设计,比尺170。图1给出了试验模型的整体布置。模型主要由射流系统和反拱水垫塘组成。射流系统是一单股宽喷嘴。反拱水垫塘设置在一个可移动的箱体中,其体型和尺寸按原型工程设计,由一般拱圈段和试验拱圈段两部分组成。一般拱圈段用水泥沙浆磨面,试验拱圈段设置在反拱水垫塘中部,其表面弧形曲面和拱座由单个底板块(1)～(9)(有机玻璃拱块)和左右岸拱端固定块(Ⅰ和Ⅱ)镶成。单底板块尺寸b×L×d×Δα(平行水流方向长×平均弧长×厚×圆心角)为12.0m×12.0m×4.0m×8.64°。底板块上下游缝宽δu和δd,横向缝宽δr和δL(L和r表示底板块左右侧,下同),底缝宽δb。这些缝宽用δ表示,试验时控制在1mm左右(模型值)。这样试验拱圈段的振动底板块可沿径向、横向自由位移。底板块内还固定有传感器量测轴力。经模型试验测定,水舌横向入水宽96.9m,覆盖反拱水垫塘全拱圈和部分拱座范围;拱圈底板最大压差为45.06m,远大于原型工程七表孔校核水位工况的;而最大泄量则是原型工程七表孔校核水位泄量(17422.75m3/s)的75.3%。因此,射流系统模拟了原型工程高水头、大流量的水流条件。在这样的模型上可以进行底板块轴力的试验研究。设水舌冲击点o为坐标原点,x轴指向水流方向,y轴指向右岸为正,z轴向上为正。试验是在水垫塘止水破坏条件下,对拱圈底板块轴力在上举力作用下的分布规律进行研究。试验分工况1:拱圈单底板块(5)锚固失效(拱圈其他块固定);工况2:拱圈九底板块(1)～(9)锚固都失效(拱端块固定)。模型试验的水舌入水参数按表1控制。试验时用计算机对底板块轴力进行采集,采样频率100Hz和采样时间1564s。2局部拱的形成及内部的逆向传递作用设底板块上、下表面弧长为Lu、Ld,下标为i的物理量表示底板块i的(其他类推),振动底板块中心角为αi(拱圈左岸底板块αi<0),底板块振动位移为si(t),其锁定高度为sim。图2给出了拱圈底板块锁定和轴力传递的示意。当止水破坏,底板块i锚固失效后,拱圈n=1个底板块开始振动。若底板块上举力Fi>Gicosαi(重力在径向的分力),则这个底板块便开始自由振动;当si=sim(拱圈单底板块自由振动最大锁定高度)时,其端部开始受到相邻底板块侧面的约束,在锁定底板块侧面产生了轴力NiL、Nir以及摩擦力RiL、Rir,使si不再增加。这时底板块i与其相邻块(i-1,或i+1)形成了一个局部拱,称其达到锁定状态。同时,轴力和摩擦力又反过来大小不变地传递给相邻底板块。如果拱圈单底板块锁定后未失稳,则拱圈振动底板块数将增加到n=2。原因是底板块之间咬合力R存在逆向传递作用。对于底板块i,RiL阻止其径向位移。对于底板块i-1,R(i-1)r方向则与Fi-1方向一致,两者作用相同,共同克服Gi-1cosαi-1、N(i-1)rsin(0.5△α)(对底板块i+1进行分析也能得出同样结论)。因此,底板块之间咬合力R的逆向传递作用是增大了相邻底板块的上举力,它会使底板块i-1的锚固更快失效,从而使拱圈底板块连锁失效。如果拱圈振动底板块增至n<m(拱圈最大底板块数)时,拱圈底板块能锁定形成局部拱而不失稳,那么在组成局部拱的底板块中、相邻底板块之间将传递轴力和摩擦力;n=m时,其将传递到拱座。因此,拱圈底板块轴力的产生和传递机理是,底板块上举力导致了底板块位移和锁定,锁定后的底板块产生约束轴力,同时轴力又反过来不断向相邻底板块传递直至拱端。3由管井提出的试验工况n型设拱圈底板块轴力为N,N的特征量为[N(t),Na,Nmax,Nσ]。其中,N(t)为t时刻的瞬时值;下标a、max和σ的物理量表示N在采样时间内的时均值、瞬时最大值和脉动强度。根据拱圈底板块轴力产生的理论分析,认为N的主要影响因素为式中,n为拱圈振动的底板块数目。n=1为工况1,n=9为工况2;f为轴力的频率;F为底板块上举力;s为水垫塘体型参数。在水垫塘止水破坏、拱圈底板块锚固失效,试验工况、水垫塘体型参数和缝宽一定时,根据理论分析和初步试验研究,式(1)可化为式中,等式左端项包括N(t)/Gicosα、Na/Gicosα、Nmax/Gicosα和Nσ/Gicosα,它们是相对于重力分量的同名物理量;t/t0为无因次时间,分母t0为水舌从水面扩散至水垫塘底部的时间,约为6.5×10-2s;f/f0为无因次频率,其中f0=1/t0。试验就是寻求式(1)的分布规律。3.1拱圈内轴力特征值分布1)工况1:图3和图4分布给出了工况1下底板块(5)轴力特征值分布以及瞬时值的随机过程。从图3可见,轴力特征值沿程有不同分布特征。按照其特征,可把水垫塘分为冲击强振区、上下游强振区三个区。冲击强振区位于x/b=[-0.5,0.5]。在该区冲击点附近,瞬时最大值最大,并沿程迅速减小;时均值最小,并迅速达到峰值;瞬时最大值与时均值相差大;脉动强度最大。从图4可见,底板块轴力瞬时值曲线上下起伏振荡,说明瞬时轴力变化剧烈且变幅大,同时轴力可在短时间内达到较大,也可降低到一定程度,又不断脉动,如x/b=±0.28的两轴力曲线,分析认为这是底板块瞬时锁定和解锁过程中轴力的反映,是由于底板块在上举力的作用下锁定和解锁而产生的。因此,底板块在锁定过程中瞬时、或不短时间内锁定,形成瞬时局部拱,瞬间传递轴力至相邻固定底板块。解锁过程中底板块几乎不传递轴力。根据两种工况下的轴力特征值分布规律,上下游强振区分为位于x/b=[0.5,12.0]和x/b=[-6.5,-0.5]。两个区的轴力特征值总体沿程波浪式递减,但尾部处仍较大。从图4可见,瞬时轴力值较大,而曲线上下则脉动小,这是底板块长期锁定的轴力反映,说明底板块能长时间保持锁定形成局部拱。2)工况2:拱圈各底板块的轴力特征基本相同,这里仅给出图5典型底板块(5)的轴力沿程分布和图6相应底板块的瞬时轴力曲线。从图5可见,底板块轴力特征同样也可分为三区,各区特征值的沿程分布规律与工况1基本相同。在冲击强振区,冲击点附近的最大值和时均值处于低谷,沿程迅速增大;脉动强度仍处于峰值区。由图6可见,轴力瞬时值脉动剧烈,变幅又大,轴力瞬时可达较大峰值,这说明底板块能在瞬时锁定形成局部瞬时拱,瞬间传递轴力至相邻固定底板块。在上下游强振区,瞬时最大值、时均值达到峰值,且其值较大,峰点后沿程递减;最大值与时均值之差减小;脉动强度减小且沿程波浪式递减,但下游强振区末端出现了一个分布较宽的峰值区。分析认为,这是由于水垫塘反弧曲面将水舌向心汇聚而碰撞而产生的后果,拱圈振动的底板块增多后,这个块的脉动则越大;由图6可见,轴力瞬时曲线脉动小,但值却大,说明底板块能长时间保持锁定。由于工况2瞬时值又比工况1大,说明底板块的锁定更能保持较远距离。图7给出了工况2下拱圈各底板块左侧的轴力横向分布。从中可见,在冲击强振区,瞬时最大值沿拱圈变化大、分布不均且值也大;时均值呈中间小、两端大的分布且其值不大。两者沿拱圈横断面相差较大,这说明底板块能瞬时锁定形成局部瞬时拱;脉动强度沿拱圈分布较均且其值大。在下游强振区,瞬时最大值与时均值沿拱圈变化大且其值由较大沿程递减;两者之差变小。在强振区首部和尾部,拱圈底板块锁定和解锁交替出现,形成瞬时拱;而强振区中部,拱圈底板块完全锁定。锁定状态下拱圈出现长期局部拱的数目不定,一般2～3个。拱圈底板块数越多,局部拱数增加;脉动强度小。上游强振区的轴力特征值与下游强振区基本相同。因此,三个强振区内的底板块轴力沿拱圈分布不均匀、最大瞬时值与时均值之差有大有小、脉动强度有强有弱。底板块轴力的传递规律是从位移较大的锁定底板块向两侧底板块传递。3)两种工况下底板块轴力强度:对两种工况下拱圈各底板块的轴力最大值进行统计,得出在不考虑断面不均匀系数的条件下,底板块轴力最大强度nmax发生在工况2下底板块(3)右侧,其中nmax=Nmax/(d·b)=Nmax/A,其无因次数nmax/(Gi/A)为30.13,小于C30混凝土抗压强度的无因次数176.57,并有一定的安全富裕。这说明在试验条件下,拱圈底板块不发生强度破坏。3.2轴力谱密度分布图8给出了两个工况下底板块(5)轴力最大谱密度的沿程分布,纵坐标Smax·σmax-2·t0-1为轴力最大谱密度的无因次数,其中S为轴力的谱密度,σmax为对应工况下底板块(5)脉动强度的最大值。从图8可见,在冲击强振区,两种工况下的轴力谱密度均达到峰值、或较大值。在上下游强振区,两种工况下的轴力谱密度都由最大、较大值迅速减小;工况2下的轴力谱密度更大、分布也稍宽些;轴力谱密度在x/b=[8.6,11.4]也有一个分布较宽的峰值区,这与图5轴力中脉动强度在下游存在峰值这一现象相互验证。图9给出了两个工况下底板块(5)的典型横断面的轴力谱密度。从图9可见,两种工况下轴力优势频率fc的无因次量fc/f0<0.5×10-2,换算至原型得出优势频率在小于0.2Hz的低频窄带。这个频带范围与水垫塘水跃旋滚的、底板块脉动压强的、底板块振动的以及其上举力的优势频率范围非常接近,说明底板块的轴力都是由于水流的大涡运动产生的,同时这个优势频率与水垫塘的自振频率相差较大,说明拱圈底板块不会因此产生共振破坏。4拱圈轴力分析在高水头、大流量作用下,对反拱水垫塘拱圈在上举力作用下的轴力进行了试验研究,试验工况是止水破坏、拱圈单底板块和九底板块锚固分别失效,得到主要结论如下:1)拱圈底板块轴力的产生和传递机理是,底板块上举力诱导了底板块锁定,锁定后拱圈形成局部拱,由此相邻底板块对锁定底板块产生了约束轴力,同时轴力又不断向相邻底板块传递直至拱端。2)拱圈底板块轴力沿程可分为冲击强振区、上下游强振区。冲击强振区位于x/b=[-0.5,0.5],上下游强振区位于[-6.5,-0.5],或x/b=[0.5,12.0]。在冲击强振区,拱圈底板块能瞬时锁定;在上下游强振区,拱圈底板块长时间保持锁定,工况2则保持锁定较远距离。在上下游强振区首部位置,轴力特征值具有由冲击强振区发展过渡的特征。3)在冲击强振区,轴力最大值沿拱圈变化大且值也大;最大值与时均值之差沿拱圈相差大,拱圈底板块能瞬时锁定形成局部瞬时拱。在上下游强振区,瞬时最大值、时均值沿拱圈变化大,两者之差小。在其首部和尾部