高坝消力塘安全性分析

高坝消力塘安全性分析

0水垫塘受冲突的物理过程和稳定性问题近年来，中国大部分高坝工程都是用混凝土保护水库下游部分的河床，并在下游适当位置修建了两座水库，形成了一个通道水库，用于排水和蓄水。水垫塘在高速水流冲击下,其物理过程相当复杂,严格意义上讲是一个流固耦联振动的问题,涉及到流体力学、固体力学、随机振动等多种学科,使得此课题的研究非常困难。由于水垫塘内底板的稳定问题的复杂性,就近30年的研究成果看,迄今为止尚无成熟的理论分析方法,目前仍处于探索阶段。学者们基于底板浮升失稳这一准则,通过理论分析、试验研究和原型观测的方法,对水垫塘中的水流流态、底板失稳模式、底板所受上举力成因及底板稳定性控制指标等进行了研究,取得了较为丰富的成果。1射流作用下的底板稳定性控制目前,对平底板水垫塘的研究工作做的较多,我国目前的大多数工程水垫塘都是采用的该种型式,最具有代表性的是二滩工程。在冲击射流作用下,水垫塘底板的稳定性取决于2个因素:一是荷载,取决于射流作用下水垫塘内的水流特征;二是水垫塘自身的特性,主要取决于其构造。学者们通过理论分析、模型试验和原型观测等对水垫塘底板进行研究,计算理论相对成熟。1.1冲击射流类、水涌类水垫塘中射流属于冲击射流范畴。按冲击处有无水垫,可分为自由冲击射流和淹没冲击射流2大类。日本安芸周一给出了以有效水垫深度与水舌厚度比值hc0d0hc0d0为参数,以塘内水跃形态为特征的3个区域的流态界限,如图1。进入水垫塘的射流流态虽然复杂,但定性上可以看作为淹没射流和淹没水跃的混合流态。1.2平额板水阀的稳定性1.2.1板块失稳类型高拱坝下游水垫塘,多数采用倒梯形复式断面,亦称平底水垫塘。目前对平底板的失稳机理研究主要有动力失稳和静力失稳2种。当扬压力超过板块抗力时,板块便会发生静力失稳;当底板块在冲击荷载作用下,在某一瞬时,底板上下表面的水压力差(上举力)超过板块抗力并达到一定数值时,板块便会发生动力失稳。板块的失稳形式大致可看成翻转和浮升失稳2种,如图2所示。1.2.2底板压力分布水垫塘底板的稳定性除了与水流条件有关外,还取决于结构自身抵抗破坏的能力。水流条件取决于作用在底板表面的水流荷载,即动水压强,包括时均压强和脉动压强。一旦底板止水发生破坏,动水压强就会沿板块间缝隙传到底板下表面。底板上下表面动水压力之差就形成了水垫塘底板块的上举力。按照底板动水压强分布规律,可将底板分成3个区域(如图3所示)。Ⅰ区为水舌冲击区,直接承受射流的冲击作用,底板上下表面的压强都很大;Ⅱ区为壁面射流区,射流受Ⅰ区边壁约束,流线弯曲,底板上表面压强急剧降低。此区域底板下表面压强受缝隙流压强传播规律的制约,虽有降低,但降幅远小于上表面的。因此,Ⅱ区底板承受的水流上举力较大,是易失稳区;Ⅲ区是水流渐变区,底板上下表面压强接近。还有与Ⅱ区对应的Ⅱ′区,动水压强与Ⅱ区相近,只是上、下时均压强分布表面压强差较Ⅱ区小。因此,Ⅱ区底板是首先失稳板块,即在水舌跌落区稍向下游一点。1.2.3时均冲击压力系数日本学者中川博次认为,跌落水舌对河床基岩的冲刷,主要是高速水流进入岩石缝隙,在其底部产生较大动水压力,而表面压力减小,从而形成上下表面压力差,产生上举力,岩层上浮破坏。因此对动水压强值及分布系数(最大冲击压强与其作用距离的比值)提出一个限值。对水垫塘底板稳定问题,亦参考这个特征值。由日本的凌北等5个拱坝溢流工程,给出时均冲击压强均在300kPa以下,分布系数在1以下的控制指标,这些工程都安全运行。我国设计二滩工程水垫塘底板时,采用时均冲击压强标准150kPa。目前在小湾、溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级、构皮滩等高坝水垫塘设计中,仍采用这一标准,甚至降至100kPa以下。但各个工程的水力条件、地质条件不同,用同一个指标去控制显然有不合理之处。2反拱型底板设计目前已经设计或运行的水垫塘多采用梯形复式断面(简称平底板)水垫塘防护型式(如二滩等)。平底板的超载能力很弱,不考虑板块间的约束力,一旦上举力超过板块的浮重,就可能浮升破坏,进而引起相邻板块的连锁反应。其稳定性维持的主要是靠自重和锚固钢筋(索),而受基岩强度、施工技术的制约,锚固力也不是没有限制的。依靠增加底板厚度达到稳定的目的,会事倍功半。因此,研究具有良好结构条件的水垫塘体型,对于泄洪消能工程的安全运行具有现实意义。对于峡谷天然河道的形状,若将水垫塘设计成中间低、两岸高的拱形体型,可以不同程度地利用拱的作用来抵抗巨大的动水压力,提高防护结构的安全性,这样就形成了一种反拱形水垫塘防护型式(如图4所示)。国外拱坝水垫塘中最早采用反拱形底板的是格鲁吉亚的英古里水电站,底板设置于沙砾石地基上,厚度4m左右。西班牙苏斯盖达双曲拱坝也采用了反拱水垫塘。20世纪80年代初,我国学者郭怀志等结合一中型砌石坝工程对反拱形水垫塘进行了研究,通过对反拱形水垫塘泄洪消能实验、反拱底板内力及弹性稳定计算分析,认为反拱形底板具有独特的优点。近些年,崔广涛等在小湾、构皮滩、溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级等工程的泄洪消能研究中,均提出了反拱型底板方案,但许多工程目前还处在论证阶段。湖南省凤凰县潭长岗水电站反拱型水垫塘及黄河拉西瓦水电站反拱型水垫塘均已建成。2.1反拱底板的局部失稳和结构稳定性反拱形水垫塘是利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形(严格意义上讲并不是拱),利用拱形结构的力学特性,将射流冲击荷载传递到两岸山体或拱座,充分发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力。反拱形底板失稳包括2个方面:整体失稳和局部失稳。整体失稳——反拱形底板在水动力荷载作用下形成拱圈整体上抬时,形成“整体拱”,这就增强了反拱形底板的整体稳定性,整体上举力产生的拱端推力超过“拱座”的抗力时产生的失稳,称为整体失稳,拱圈受力如图5所示。应该指出,反拱底板在水动力荷载作用下形成整体上抬时,并不一定是每个块体都承受向上的上举力,也可能是拱圈上某些块体受到的水动力荷载是向下的,但是单块板块没有失稳,且拱端产生的推力足以导致拱座的破坏,也称为整体失稳。局部失稳——当反拱形底板在随机水动力荷载作用下,部分块体“上抬”、部分块体“下压”,“下压”的块体成为“上抬”的“拱座”,即块与块之间形成“随机拱”。练继建等针对反拱底板的结构受力特点,提出了“随机拱”分析模型,对反拱形水垫塘底板结构局部和整体的稳定性进行了定量分析。在随机荷载作用下,反拱形底板块体间可能在不同时刻互为“拱座”,块体的稳定性主要依靠块体的浮重、锚固力以及与相邻板块产生的附加摩擦力来决定,单个板块失稳前受力如图5所示。对于平底板,锚固力只能为自身提供抵抗“上抬”的作用;对于反拱形底板,锚固力不但能为自身块体提供抵抗“上抬”的作用,还能通过“抗剪”作用为相邻块体提供“拱座”抗力。2.2反菱形底板稳定性分析针对射流冲击下水垫塘底板稳定性的研究,学者们已经做了大量的工作,也取得了一定的成果。它对指导水垫塘底板的设计工作起到了良好的作用,但对板块失稳的研究,都是基于板块间止水破坏、板块与基岩间存在缝隙这一前提,对失稳前分缝处止水材料及板块与基岩胶结在动水压力作用下裂缝的形成及发展问题还未涉及。目前对底板的稳定性研究,也主要针对的是平底板,在水动力荷载的作用下,其失稳形式为浮升。对于反拱形底板,由于它的受力条件要比平底板复杂,因而分析其稳定性也比较困难。有学者针对反拱形底板的结构特点,采用平底板抗浮升稳定的分析模式,以随机供概念建立起力学模型。通过专门的模型实验验证并结合锦屏及拉西瓦2个工程反拱形水垫塘底板的稳定性试验研究,从板块极限平衡角度,得出了反拱形底板优于平底板的量化指标。结果表明,反拱形底板的局部稳定性大大优于平底板,安全系数大于平底板3倍以上,如图6。3渗透性底板3.1透水底板防护在结构考近年来,众多学者在射流扩散规律、脉动压强沿缝隙传播规律、防护结构失稳机理、防护结构的体形等诸多方面进行了较深入的研究。但是,迄今为止,关于水垫塘防护结构稳定性的研究都局限于一种“被动防护”的模式,即在特定荷载作用下,研究如何使结构具有抵抗这一荷载的能力,相应的措施包括设抽排、加锚固或加大结构尺寸。然而,由于技术上的原因,抽排设施可能会发生机械或电气故障而不能正常工作,或渗水量太大无法满足要求,锚固力不可能无限制地加大,而增加底板厚度的效果只能是事倍功半。为此,有学者在水垫塘防护结构的研究上作了一些工作,力图寻求新的突破,从根本上改变防护理念。20世纪60年代,北京水利水电科学研究院的哈焕文曾研究过消力池透水底板的水力特性。天津大学王继敏在1995年结合乌江构皮滩拱坝水垫塘,研究了透水反拱底板的稳定性。乌江索风营水电站水垫塘的透水底板目前已经施工。2006年—2010年间,天津大学又通过对多个工程进行模型试验,研究开孔率对底板水动力荷载的影响,为水垫塘防护结构“主动防护”模式在工程中的应用作积极探索。目前,重庆渡口坝水电站透水底板水垫塘及云南阿海水电站透水底板水垫塘正在论证之中。3.2轴的负荷性能3.2.1游水位差、同工况下底板开孔率的变化规律为研究底板上举力随开孔率的变化规律,在相同的水力条件下,只改变底板的开孔率,研究同一板块的上举力的变化规律。图7给出相同上下游水位差、同工况下底板上举力随开孔率的变化结果。图中纵坐标表示底板开孔后上举力与开孔前的比值。开孔率k为底板的开孔面积与板块总面积比值的百分数。从图中可以看出,底板上添加透水孔能够有效地降低底板上举力。底板上举力的最大值和标准差随着开孔率的增加而减小,且底板上举力随开孔率增加减小的趋势变缓。当底板开孔率为4%,底板上举力最大值和标准差分别比没开孔的降低了约58%、50%。3.2.2透水底板下表面各测点间的相互作用透水底板可以降低上举力的原因目前还没有统一的认识,一般认为:在运行期间,当板块下表面脉动压力沿着缝隙向前传递时,遇到透水孔后脉动压力会沿着透水孔传递,使脉动压力得到释放。而且在相同水力条件下,透水底板下表面其它各测点与缝隙处测点互相关系数较不透水底板有所减小,分析其可能的原因是在不透水底板情况下,底板下表面缝隙水流符合瞬变流特征,脉动压力瞬间传递至整个底板下表面。但底板开孔后,由于透水孔的作用,脉动压力会较不透水底板更快地传递至整个下表面,这就表明透水底板上下表面的脉动压力相位差较不透水底板有所减小。而当底板上下表面的相位差减小后,可能产生的上下表面的动水压差就有可能减小,导致底板整体荷载较小。如图8所示。4不衬砌水垫塘我国在西南等地区修建一批300m级高的拱坝,泄洪消能和防冲任务十分艰巨,坝身泄洪布置和水垫塘消能形式多采用表孔和中孔分层挑、跌流和表、中孔对撞泄洪,下游则为水垫塘,并设二道坝。水垫塘底板通常需要进行衬砌,但若针对下面2种情况,水垫塘衬砌如何考虑,衬砌厚度是否一定要3~5m厚。第1种情况:水垫塘所在位置的工程地质条件比较复杂,底板浇筑工程规模庞大,而且锚固水平要求较高时,可以对水垫塘进行优化,采用护坡不护底的方案。第2种情况:水垫塘基岩很好,下游又有较深水垫时,可以考虑只需对冲刷部位预挖、对断层进行处理、基岩锚固和两岸护坡等,其造价比衬砌水垫塘低得多。国内、外已有一些工程采用不衬砌水垫塘,虽然泄洪功率较小,但仍有借鉴意义。如土耳其的Berke拱坝和南非的Katse拱坝用加高二道坝形成不衬砌水垫塘;巴西的Tucurui溢洪道采用预挖冲坑,即不衬砌水垫塘,成功地度过了一次泄量达11000m3/s的洪水,取得了显著的经济效益,可见其对于控制消能防冲,提高工程的经济效益有明显的作用;国内莲花水电站下游也采用了预挖不衬砌水垫塘。5水