溪洛渡拱坝水垫塘底板块上举力分布规律研究

溪洛渡拱坝水垫塘底板块上举力分布规律研究

狭窄河谷中的高坝下游排水消能防冲是关键。通常采用的工程措施是以混凝土保护河床基岩,用钢筋锚固底板与基岩,形成水垫塘护坦板来防止水流冲刷,靠塘内一定深度和一定量的水体,以三元水跃旋滚消杀水流能量,确保水流与下游合理衔接。水垫塘大多为梯形断面,称平底水垫塘。国外最早应用了反拱底板,称反拱水垫塘,如西班牙的Susqueda拱坝,南非的PRLeRoux拱坝,但其坝身泄量不大。近年来,我国开始修建一些300m级的高拱坝,坝身泄量较大,如已建的二滩及在建的小湾、构皮滩等,其中拟建的溪洛渡拱坝坝身泄量达30000m3/s为最大。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。但关键问题是这种新型消能结构在动水荷载作用下的稳定性,而反拱水垫塘底板块上举力荷载与其稳定性密切相关。因此,该研究对于反拱水垫塘的设计与应用具有理论和实际意义。1反拱圈施工缝反拱水垫塘是一个倒拱型壳体结构,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。反拱水垫塘工作原理是:反拱底板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,并传递给反拱两端拱座,依靠山体和拱座稳定保持底板块自身稳定,将单一底板块稳定变成了反拱圈的整体稳定。2试验条件2.1座穴和传感器实验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。模型布置详见图1,反拱水垫塘用有机玻璃制作,在需要量测的水垫塘底板挖槽,镶入一块有机玻璃制作的反拱圈。在反拱圈横向的不同位置,设置三个座穴,座穴内设有原型尺寸为10m×10m×3m(长×宽×厚)的有机玻璃底板块,其下固定有传感器。底板块表面与水垫塘底板平齐,承受水垫塘底板动水荷载。底板块四周为模拟止水破坏后的底板缝隙,宽为模型尺寸1mm。水流通过缝隙把底板表面的动水压强贯入底板块底面,以模拟缝隙动水压强。传感器直接量测底板块上举力。传感器由清华大学力学系研制,其成品要经过动态响应和幅值精度要求检验,使用前再用电子秤对其精度反复率定,选用的传感器精度在10g范围。量测信号通过传感器输出线接入计算机,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。泄洪工况、水流参数详见表1。每个泄洪工况下,沿水流方向,量测反拱圈不同桩号位置处底板块上举力,求得底板块最大上举力强度系数。2.2底板块上举力反拱水垫塘底板块上举力定义为:Ρ=∫ωqΡdω=∫ω(qd-qu)dω(1)式中,P为底板块瞬时上举力;ω为单个底板块表面积;qd、qu分别为板块下(缝隙内)、上表面的动水压强。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分析和试验研究认为,底板块承受的水流摩擦力相对较小,在底板块拔出的过程中,其作用可以忽略不计,而影响反拱底板块上举力的主要因素为:F=f(ρ,u0,qe,x,X,Y,⋯)(2)式中,ρ为水的密度;u0为挑流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方向(倾斜)的扩散深度;X表示底板块中心的桩号位置;Y表示底板块的横向坐标。根据量纲分析π定理、无量纲数组合以及底板块上举力的试验分析,式(2)可表示为:CF=F0.5ρu20=ˉf(ˉx,ˉX,θ,⋯)(3)式中,CF为底板块瞬时上举力强度系数,将其中F以ˉF、σ、Fmax代入,则得到底板块时均、脉动、瞬时和最大瞬时强度系数分别为CˉF、CF′、CF和CFmax;ˉx=xu0/qe=htu0/qesinα为水舌相对扩散距离,其中ht为从反拱水垫塘底板最低处算起的水深,ˉx值越大,水垫深度越深;ˉX=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。3试验结果分析，抗拱试验田的底部提升能力3.1水舌冲击下底板上举力分析图2给出了七表孔泄洪工况下,底板块上举力强度系数随X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=Cp′/(0.5ρu20)沿水流方向的试验曲线。其中,Δp、σp′为底板动水压强差(底板动水压强减下游平均水深)和脉动压强均方根。从图中可见,上举力强度系数沿流程均发生变化。在达到最大值的下游,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,ˉF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。其它泄洪工况下,上举力强度系数的试验曲线也表现出同样的沿程分布规律。3.2底部提升力最大值表2给出了各种泄洪工况下底板块上举力最大实测值。所有表孔泄洪工况下,底板块在偏离溢流中心达到最大,这是由于表孔出口横向不对称所致。3.3amx超过时均值通过分析上举力试验的所有数据得出:Amax/ˉF=1.62~11.73>1,即Amax超过时均值,其中Amax为一次采样中上举力瞬时值的级差;σ/ˉF=0.09~0.81,即最大脉动值达到时均值80%;Amax/σ>6.5。由此可见,水垫塘中底板块在冲击区附近剧烈脉动。3.4表面上举力强度系数图3给出了底板块上举力强度系数随下游水垫深度变化的试验曲线。由图可见,上举力强度系数均随水垫深度ˉx加大而衰减。Fmax衰减得最快,ˉF衰减得最慢,σ则居中。因此,随水深ˉx增加,底板块上举力都有一定脉动幅度。对上举力试验数据进行计算,得到上举力强度系数最大值的回归关系为:3.5两拱端处水舌cf处理工艺中,我国现有的水舌或其上举力处于水舌或两拱端图4给出了底板块上举力强度系数实测值沿反拱圈横向变化曲线。由图可见,CFmax沿反拱切向角θ的增大而减小,根据其横向变化趋势,从拱心最大处至两拱端处,仍有相当数值,而CF′沿θ增大几乎保持一定值。原因是表中孔联合泄洪时,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大,超过这个宽度,其值才大幅度衰减。3.6高通量水垫塘涡流特性分析图5a给出了底板块上举力的典型谱密度曲线,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。该曲线是由实测上举力随机过程,经过FFT变化而得。谱密度曲线表示底板块脉动能量沿脉动频率谱的分布特征,也反映了水流脉动形成的漩涡频率。从图中可见,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。分析和计算表明,随下游水垫深度增大,在七表孔泄洪时,水流旋涡频率向更低频段集中;而在表中孔联合泄洪时,似向高频段移动,表明水舌经过碰撞后,水垫塘中水流能量消耗较多。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,底板块不会发生共振破坏。图5b给出了底板块上举力自相关系数曲线。计算与分析表明,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。但对不同泄流工况,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。这与谱密度分析的结论是一致的。4反拱圈极限推力考虑反拱水垫塘中反拱圈上下游横缝止水破坏,动水压强贯入底板缝隙,不计基岩锚固力的极限情况,假设由试验得出的最大瞬时上举力Fmax沿拱圈径向均匀分布。为了简化起见,以三铰拱(三个铰位于两拱端和拱心处)进行计算,详见文献。表2给出了各种泄洪工况下,反拱圈拱端极限推力计算值NA,最大值约为拱圈重2.7倍。由这个荷载可以进行反拱水垫塘结构设计,并研究反拱水垫塘底板稳定性和两岸山体稳定。5反拱圈的极限推力本文分析了反拱水垫塘底板工作原理,对反拱水垫塘通过泄量30000m3/s,反拱圈横缝止水破坏和基岩锚固力失效的极端情况下的底板块上举力进行了试验研究,得到:①反拱水垫塘底板块上举力强度系数的时均最大值偏离水舌冲击点下游一定距离,脉动值在冲击区达到最大,瞬时值在冲击区或其下游壁射流区达到最大,因此反拱水垫塘在冲击区及其下游一定范围内都可能产生较大的上举力,从而产生较大的拱端推力;