反拱水垫塘单底板块位移规律的试验研究

反拱水垫塘单底板块位移规律的试验研究

1溪落渡型钢5.排水无拱混凝土与反拱底板设计方案水孔池是水库渗漏和消耗作用的主要措施。反弧底板是水孔池的一种新型混凝土保护形式。国外首先采用了这种反拱底板结构,如:西班牙Susqueda拱坝、南非P.R.Le.Roux拱坝、前苏联Inguri拱坝等。溪落渡巨型水电站拟采用反拱底板。关于反拱水垫塘的研究,许唯临曾对其流场进行了三维数值模拟,彭新民、练继建、杨敏、孙建等人则结合底板的稳定性对反拱底板的体型、拱端力荷载、上举力变化规律及底板缝隙中动水压强的基本特性进行了试验研究,而对于板块位移的研究甚少,文献仅见史军建立了块体弹簧元数学模型,结合拉西瓦工程计算了板块的位移,但并未经过试验验证。因此,仍需要进一步的研究。本文结合反拱底板的破坏机理,采用先进的模拟方法和量测手段,对在高水头、大流量,止水完全破坏、锚筋失效等极端条件下,反拱水垫塘单底板块的位移特性进行了详细的试验研究,得到了单板块位移沿程的变化规律及其时域和频域特性。2水垫塘剖面中板块位移检测为了研究反拱底板单板块的位移问题,本文结合溪落渡工程,制作了水垫塘精细物理模型,见图1、图2。模型按重力相似准则设计,比尺为1∶170。反拱水垫塘用PVC板制作,外形为5m×0.9m×0.6m(长×宽×高)的矩形箱体,固定在一个角钢架上,钢架连同箱体放置在设有滑轮的轨道上,并在长8.8m范围内沿流程自由移动,这样就可以对沿程不同位置处板块的位移进行观察和量测。水垫塘剖面模拟溪落渡拱坝下游水垫塘的反拱部分,在塘底适当位置取一个拱圈,拱圈上下游留有横缝,拱圈由纵缝分割成9个底板块。底板块由内部充满水泥砂浆的弧形有机玻璃体制作,容重γs=1.687g/cm3,板块厚度d≈2.35cm,内径R=47.794cm,圆心角Δα=8.53°,板块上、下游横缝宽度控制在1mm左右,底缝宽1mm,纵缝宽0.64mm。拱圈临底板块为活动板块,其底部连接位移传感器,其它板块与拱圈固定,以此来模拟单个板块止水完全破坏、锚筋失效,其四周及底部完全贯通的极端情况。板块及位移传感器布置如图3示。数据采集和分析采用中国水利水电科学研究院水力学所研制的DJ800多功能监测系统进行,采样时间间隔Δt=(0.0092~0.0186)s,采样时间T=(75~558.68)s,采样总点数N=8192~30000。模型流量为0.03482m3/s,相当于原型校核水位下七表孔总泄量的75.3%,为设计洪水位下七表孔总泄量的141.4%。模型水流入水流速达6.25m/s,相当于溪落渡拱坝原型校核水位下表孔水舌入水流速的1.43倍。下游水深38.6cm,换算到原型为65.6m。3单板块位移理论分析3.1振动位移与板块位移的关系如图4所示,反拱底板块在止水完全破坏、锚筋失效条件下,由于射流水舌冲击压强的脉动及其在底板缝隙中的传播,使板块在座穴内振动。当板块位移达到一定高度时,板块相互“挤压”在一起,拱开始起作用,使板块不能继续上移,这称为拱的“自锁作用”,该位移即是板块不发生强度破坏条件下的最大位移,称作拱的“自锁高度”。在板块振动的过程中,根据板块振动位移S(t)与板块最大位移Sm及板块厚度d之间的关系,将板块振动分成四个区域:①自由振动区:当S(t)<Sm时,板块在冲击射流动水压力作用下,在其座穴内自由振动。②板块自锁区:当板块位移S(t)=Sm,即板块位移达到自锁高度时,振动的底板块因受到相邻板块的轴向力和摩擦力作用,使活动板块与周围板块锁定,形成拱作用,阻止板块的出穴,使其保持稳定。③局部变形区:当板块位移大于自锁高度后,即Sm<S(t)<d,在上举力和板块轴向压力作用下,可能会产生强度破坏,造成板块局部变形。④板块失稳区:若板块厚度较小,即Sm≥d,或者是板块在振动过程中产生局部变形,使板块沿横向的最大长度小于板块上表面的弧长,使Sm≥d时,板块被拔出座穴(即S(t)≥d),产生局部失稳,拱将不能发挥其“自锁作用”,即破坏了拱圈的整体作用。这种破坏类似于平底板。对于平底板(见图5),则只有自由振动区和板块失稳区。板块在止水破坏,锚筋失效后周围无其它约束,S(t)<d时在座穴内自由振动;S(t)>d时板块将出穴、失稳。而对于反拱底板,由于拱的自锁作用,板块不会出穴。这是反拱底板优于平底板的最大特点。3.2底板块的弧长计算如图6示,设底板块厚度为d,纵缝宽度为δ0,底板块内径为R,圆心角为Δα,通过图示的几何关系可得:Sm=(R+d)−LdΔα+2δ0RSm=(R+d)-LdΔα+2δ0R式中Ld为底板块下表面的弧长。只要反拱体形及缝隙宽度给定,即可计算出板块最大位移。在上述试验条件下,单板块最大位移(即自锁高度)的理论值为0.89cm。要想使拱发挥自锁作用,板块厚度d必须大于板块自锁高度Sm,即d>Sm,由此可得Ld−Lu＞2δ0‚即d＞2δ0ΔαLd-Lu＞2δ0‚即d＞2δ0Δα式中Lu为底板块上表面的弧长。通过上述分析可知,底板块发挥拱自锁作用所需要的最小厚度d＞2δ0Δαd＞2δ0Δα。4单链位移试验的结果4.1上、下游强振区底板块振动的特征图7给出反拱底板单板块位移平均值Sa、最大位移Sm及脉动位移均方根D0.5ss0.5沿程分布曲线。由图可知,板块位移的这三个特征量在冲击区、上下游壁射流区各有一个峰值。根据各特征量峰值的分布状况,将水垫塘底板划分为冲击强振区、上下游强振区和上下游弱振区(见图7)。从分布形态上分析,冲击强振区峰形窄,上下游强振区峰形宽,且顶部曲线近似为直线。这说明上下游强振区底板块锁定范围比冲击强振区锁定范围广。经过资料分析,上游强振区约位于x=-(0.25~0.7)m,下游强振区位于x=(0.4~0.85)m,冲击强振区位于冲击区范围-0.10m<x<(0.08~0.10)m。由底板最大位移分布规律来看,在三个强振区板块均能自锁,且自锁高度近似相等,冲击强振区和下游强振区板块位移最大值Sm相等,均为0.91cm,上游强振区Sm=0.85cm,与理论计算值Sm=0.89cm基本吻合。可见,底板块在各强振区均达到锁定高度,并通过拱的“自锁”使其保持稳定。冲击强振区中,底板块振动位移的峰值位置不在冲击点x=0.00m处,而位于x=±(0.04~0.08)m处。当底板块上游缝口位于冲击点下游(0.0047~0.0447)m内,或当底板块下游缝口位于冲击点上游(0.0047~0.0447)m内,都可能使底板块的振动位移达到最大,即当冲击点位于底板块中心附近时,其上下游相邻底板块振动位移最大;当冲击点位于底板块横缝口附近时,缝口相邻的两个底板块,或其中之一的振动位移可能达到最大。Sa和Sm具有相同的分布规律,但前者数值略小。在冲击强振区和上、下游强振区Sa较大,两个弱振区Sa小,近似为零。在冲击强振区Sa存在最大值,最大值两端Sa随x迅速衰减;在上、下游强振区Sa在整个区域内变化不大,且与Sm近似相等,这是因为在该区内,板块发生持续锁定;在上游强振区的上游与下游强振区的下游Sa骤然减小,且与Sm相差较大,此处为板块解锁过程,位移幅值变化较大,位移振波以高频低幅值为主。由D0.5ss0.5沿的分布曲线可知,D0.5ss0.5有三个峰值,分别分布在上、下游强振区和冲击强振区,其余近似为零。上、下游强振区D0.5ss0.5峰值相等,均为0.35,冲击强振区D0.5ss0.5最大值为0.24。在这三个区中,D0.5ss0.5峰值骤然升高,又迅速衰减。D0.5ss0.5值越大,板块锁定时间越短,D0.5ss0.5值越小,板块锁定时间越长。这说明上、下游强振区底板块在多数时间为持续锁定,D0.5ss0.5近似为零,冲击强振区底板块锁定时间较短,而上游强振区的上游边缘、下游强振区的两端板块锁定时间更短,为瞬时锁定,D0.5ss0.5值越大,板块剧烈振动。图8为平底板块的振动过程。由图可知,对相同条件下,平底板位移达到反拱底板Sm后必将发生失稳破坏,而反拱底板则仅开始发挥拱作用,这就是反拱底板稳定性的优越所在。4.2板块锁定过程图9给出了底板块沿流程典型位置处的振动过程。由图可以看出板块运动存在两种形式:自由振动和锁定。在弱振区(见图9(a)、(b))只有自由振动,板块振动频率高,位移幅值小,位移未达到锁定高度。在强振区(见图9(c)、(d)、(e)、(f)),板块振动以低频大幅值为主,同时伴随着高频小幅值振动,振动位移都能达到锁定高度,自由振动和自锁可能同时存在。通过对板块锁定过程分析,板块自锁过程有三个阶段:启动过程、板块自锁、解锁过程(见图10)。在各强振区中,底板块振动的剧烈程度不同,每一个区的振动都有强有弱,而且都能达到锁定高度,但底板块在各区锁定持续的时间不同。在上下游强振区,底板块锁定时间长,冲击强振区则锁定时间短。主要原因是在上下游强振区,底板块上举力大,随时间变化较慢,底板块锁定持续的时间长;而在冲击强振区中,底板块上举力也能够达到较大值,但由于是在水舌冲击区,其值变化快,所以底板块锁定持续的时间短,位移幅值变化大,板块振动剧烈。根据板块锁定时间长短可有以下两种自锁模式:①持续锁定:如图9(c)、(d),x=-0.50m及x=0.48m时,板块达到锁定位置后不再回落,一直持续下去,锁定时间较长。这种锁定形态多发生在上、下游强振区。②瞬时锁定:如图9(e)、(f),x=-0.04m及x=-0.75m板块振动位移幅值变化较快,板块突然上升后再突然下降,最大幅值虽已达到锁定高度,但锁定持续时间较短。这种锁定形态多处于冲击强振区、上游强振区的上游边界及下游强振区的上下游两个边界。4.3低频和高频振动图11(a),(b)和(c)分别给出了底板块在x=-0.70m,x=-0.04m、x=0.40m处振动位移的谱密度,其中S为底板块振动位移的谱密度,w为底板块振动的频率。由图11可知,底板块振动的优势频率在0.001~0.05HZ范围之内,为低频窄带振动,而高频振动对板块位移幅值贡献相对较小。比较这三个位置处优势频率所对应的谱密度(即主密度),其最小值x=0.40m处,约为3.8cm2/HZ;最大值在x=-0.70m处,约为456.7cm2/HZ;x=-0.04m处的主密度在两者之间。主密度大小主要取决于底板块锁定持续时间长短以及底板块振幅变化大小。锁定时间越长,底板块位移均方根越小,主密度越小;振幅变化越大,主密度越大。这三个典型位置都在强振区,最大振幅基本相等,底板块都能锁定,但锁定时间长短不同。x=0.40m处底板块长时间锁定,振幅变化小,其主密度最小;x=-0.70m处板块锁定时间短(见图7),其最大位移和平均位移相差较大,位移幅值变化大,所以其主密度最大;x=-0.04m处,底板块处于瞬时锁定的冲击强振区,锁定时间及位移幅值变化介于前两者之间,因此主密度也介于两者之间。5反拱底板振动特性(1)通过对反拱水垫塘单底板块振动特性进行理论分析,提出了反拱水垫塘拱圈上振动底板块最大自由位移公式,给出板块“自锁”所需厚度的计算式。(2)根据底板块自由振动位移和最大位移及板块厚度之间的关系,对底板块划分了