大流量反拱水垫塘拱端力的变化规律

大流量反拱水垫塘拱端力的变化规律

近年来，随着对溪洛渡高坝的研究，高拱坝的整体洪水利用取得了很大进展。尤其是在海拔高度方面，之前使用的地面海拔高度被改进和优化，并提出和采用了有利于实际地形和河床保护的半拱结构。以前的文献针对水垫塘内完整拱圈所产生的拱端力进行试验,而实际中,反拱水垫塘沿拱圈横向布置的多个底板块所受上举力大小各异。在底板块止水破坏、自身锚固失效、底部抽排设备失灵后,在上举力作用下,形成局部拱或完整拱,通过拱的作用,把上举力以轴力方式传递给相邻底板块或拱端。此时,反拱水垫塘底板结构破坏的标准不是单底板块在止水破坏和锚固力失效后的浮生失稳,而是拱圈上产生径向位移的底板块是否拔出破坏,以及约束振动底板块径向位移的相邻底板块稳定,这个相邻底板块可能是拱端或拱圈上的某个底板块。因此,对水垫塘底板块轴力的传递规律进行研究是必要的,对揭示拱圈上底板块的失稳具有重要意义。1拱圈及试验系统图1给出了试验模型及其传感器布置。试验模型以某工程水流参数和反拱水垫塘底板结构为基础,根据重力相似准则同时满足紊流阻力相似的条件设计,比尺为1∶170。试验模型主要由供水系统、射流系统、反拱水垫塘和回水系统组成。射流系统主要组成部分为0.57m×0.0098m(宽×厚)的矩形固定喷头,模拟高水头、大流量的挑流单股水舌射流,其射流入水角为72°,射流流速为6.25m/s,下游水垫深度为0.289m～0.388m。反拱水垫塘为5.0m×0.9m×0.6m(长×宽×高)的灰塑料板制作。在反拱水垫塘中部,安装了一个有机玻璃制成的拱圈,拱圈内布置9个可产生径向位移的由有机玻璃盒制成的底板块,由右岸至左岸依次编号①～⑨;底板块尺寸为0.0706m×0.071m×0.0235m,每块弧度为8.53°。底板块安装后,保证与灰塑料板的反拱水垫塘平齐,拱圈上底板块之间、底板与模拟基岩的拱圈底部均设1mm左右的缝隙,以此模拟底板缝隙止水破坏。底板缝隙完全贯通,底板块在上举力作用下发生径向位移的工况(为满足试验中各个缝隙的存在,在底板块的底部四个角上贴1mm、侧面贴0.7mm的有机玻璃片,保证任何时刻缝隙的存在,这样底板块在产生径向位移时底部与上下游两侧动水压力能同时作用在板块上)。以上数据均为模型尺寸,另外考虑实验模型比尺较大,且灰塑料板与有机玻璃较厚,二者可视为刚体,另外板块间接触时间较短,因此由于弹性模量带来的应力应变影响较小,不予考虑。每个底板块内安装一个尺寸为0.05m×0.035m×0.011m(长×宽×高)的轴力传感器用以测量底板块之间的轴力。底部块在传感器安装后的重度为13739.6N/m3。传感器及采集系统由中国水利水电科学研究院研制,传感器量程为-20N～80N。试验中拱圈上的底板块设自由块和固定块。自由底板块在上举力作用下,发生径向位移,当其与相邻底板块接触时,产生并传递轴力;固定块是人为设置的拱端块,其承受上举力的作用,但不发生径向位移,承受自由底板块传递来的轴力。进行5组工况试验。每个工况下可动块的数目为1、3、5、7、9,分别量测相应固定块承受的轴力,并作为拱端轴力进行研究,此时拱端的径向角α分别为4.32°、12.96°、21.60°、30.24°、38.88°。以拱圈中心为坐标原点,水流方向为x轴正向,指向右岸为y轴正向,建立坐标系,试验范围x=[-0.94m,1.5m],共设48个横向断面,每个断面量测三组数据,其中分析时选取稳定状态。实验参数为:采集时间120s,采集间隔0.01s。2沿流程各工况拱端力变化规律对沿程拱端力实测数据进行幅值分析(结果见图2)。从图2可见,沿流程各工况拱端力变化规律基本一致。根据拱端力的变化特点和沿程自由底板块所处的状态,对拱端力进行如下描述。2.1底板块为拱端自由底板块在瞬时上举力的作用下,抬起达到最大位移,挤压相邻的底板块,如果相邻底板块为拱端,则该抬起的自由块将上举力直接传递到拱端,拱端受力;如果相邻底板块为自由底板块,则挤压其相邻的自由底板块,使其产生横向位移,同时加大自身径向位移,直至与拱端相连成拱,同时将获得的上举力以轴力的形式传递到拱端,拱端受力。2.2拱端力时域分布在纵向x=[-0.06m,0.06m]位置,拱端力瞬时最大值和时均值均以低谷特征分布,数值较小,但沿流程迅速增加,表现在图2a、b中拱端力均值、瞬时最大值曲线斜率较大,试验证明低谷的位置与自由底板块数目有关。该区域中水舌挟带巨大的动能直接作用在底板块上,自由底板块在较大瞬时上举力作用下产生径向位移,瞬时锁定,此时抬起的底板块将获得的上举力以轴力的形式传递到拱端,拱端力瞬时值较大,但自由底板块获得的时均上举力值较小,底板块迅速回落,拱端力减小,而引起拱端力变化的自由底板块锁定与解锁交替出现的频率较快,导致拱端力变化频率、变幅都较大,脉动上举力处于优势,拱端力脉动值起主导作用。在纵向x=[-0.35m,-0.06m]和x=[0.06m,0.5m]位置。拱端力瞬时最大值与时均值都达到最大,形成峰值域,并沿流程波浪式减小。拱端力峰值域的范围、瞬时最大值、时均值都随自由底板块的数目增加逐渐增大。在这两个区域中,自由底板块在较大的上举力作用下,产生最大相对径向振动位移,与拱端相互挤压锁定,锁定强度大,在图2a、b表现为拱端力瞬时最大值、时均值曲线维持数值较大位置;从图2b可见,拱端力随时间变化较小,表明锁定时间长。此时,拱端受到连续且较大的传递力。根据自由底板块的径向位移不同,我们将锁定底板块与拱端形成的拱分为连续拱和间歇拱两种。在上下游强振区末端,x=[-0.55m,-0.30m]和x=[0.5m,0.7m]位置。拱端力时均值较小,瞬时最大值与时均值之差较大,均方根较大,沿程形成两个峰域。认为该区域河床主流流速减小,翻出水面,带动自由底板块上下或者左右振动,拱端受压所致。2.3冲击强振+锁定强锁定区通过沿程拱端力特征值变化分析以及比较不同区域自由底板块所处状态,可将底板块间止水破坏与锚固力失效后,自由振动情况下,沿流程水垫塘分为冲击强振区、完全锁定区、弱锁定区。其中冲击强振区的范围为x=[-0.06m,0.06m],完全锁定区的范围为x=[-0.35m,-0.06m]和[0.06m,0.50m],弱锁定区的范围为x=[-0.55m,-0.35m]和[0.50m,0.70m]。3底板块混凝土抗压强度拱圈自由底板块在上举力作用下振动,挤压相邻底板块直至拱端,在增加自身径向位移同时,减少了与拱端的接触面积。从表1给出的数据可见,在不同工况的相同接触面积下,拱端力最大受压强度变化不大。当拱端与相邻自由底板块的接触面积减小到34%时,取接触不均匀系数为2,拱端受压强度最大值在三底板块工况下,出现在下游x=10.2m处,其值为13.61×2=27.22MPa,略小于混凝土标号为C30的抗压强度。当接触面积增加到50%时,拱端受压强度最大值则为9.26×2=18.52MPa,满足混凝土标号为C30的抗压强度要求。因此,建议在设计中严格控制底板块之间缝隙,防止在止水破坏与锚定固力失效发生底板块相对较大的振动位移,而引起拱端以及底板块的挤压破坏;在施工中尽量采用标号较高的混凝土。通过对沿程反拱水垫塘自由底板块状态变化与拱端力数据分析,得出在冲击强振区拱端容易发生瞬时挤压破坏,在上下游底板块锁定区域容易发生疲劳挤压破坏。4拱端力谱密度对沿程各工况谱密度最大值进行数理统计得:最大谱密度值都出现在冲击点附近,由前文已知该位置处自由底板块所受瞬时上举力较大,瞬时抬起并挤压拱端,拱端瞬间受到较大轴向传递力,释放出巨大的破坏能量;另外在上下游强振区末端数值也较大,认为与该位置反拱水垫塘水流汇聚有关。而底板块锁定区域,拱端力谱密度值较小,不会出现瞬时挤压破坏。从图3可见,各工况下拱端力谱密度都较大,尤以五底板块最为明显。统计得出随着自由底板块数目的增加,拱端力谱密度在数值上经历了先增大再减小并逐渐趋于恒定的过程。各工况拱端力变化的主频在0.2Hz以下,并与反拱水垫塘中射流卷吸、水跃旋滚的大涡主频、水垫塘底板块脉动压强的频率、底板块的振动主频、底板块上举力的主频甚为接近。5底板块强锁定区前面通过拱端力幅值分析得到沿程拱圈底板块状态的变化范围,图4解析了底板块处于不同状态时拱端受力特性。图4a表示在底板块弱锁定区(x=0.70m),拱圈底板块在上举力的作用下抬起,挤压相邻底板块直至拱端,成拱同时拱端受力,此相近位置底板块所受上举力较小,成拱的次数少及强度小,拱端受力不大。图4b表示在底板块强锁定区(x=0.18m),获得较大上举力的自由底板块迅速抬起,挤压至拱端锁定,锁定时间较长,强度较大,拱端长时间稳定受力,其瞬时力随时间变化幅度小,在图中表现为小波动曲线。图4c表示在冲击强振区(x=0.0m),拱圈底板块直接受水舌冲击,自由底板块与拱端不再出现长时间的锁定,瞬时相互碰撞或锁定,拱端瞬时受力变化快、变幅大。6振动底板块数目对拱端力特征的影响通过对拱端力幅值分析得出如下结论:1)通过沿程拱端力特征值变化分析以及比较不同区域自由底板块所处状态,可将底板块间止水破坏与锚固力失效同时底部抽排设施失灵后,自由振动情况下,沿流程水垫塘分为冲击强振区、完全锁定区、弱锁定区。2)在冲击强振区,滞点附近瞬时最大值、均值都以一个低谷分布,拱端力瞬时值变化较快,数值较大、均值较小、脉动强度最大。在完全锁定区,瞬时最大值与均值都达到峰值,峰值范围以及拱端力特征值随振动底板块数目增加而增大并趋于恒定,脉动强度较小。在弱锁定区,均值较小,拱端力脉动强度较大。3)根据拱端与相邻底板块之间的不同相对