鹤滩水垫塘底板设计初步研究

鹤滩水垫塘底板设计初步研究

1水垫塘、护坡加固设计根据相关文献和实际资料的分析，鹤滩水阀的设计合理，采用反拱设计。不仅提高了地板的稳定性，而且在满足水阀厚度的情况下，减少了地板和岸壁的挖掘。水阀塘由两座水库、地板和护坡组成。二道坝能保证塘內足够水深,对降低底板的动水冲击压力、提高底板的稳定性、增加水垫塘内的消能效率有重要作用。此外,二道坝还可为水垫塘的检修创造条件。底板和护坡则提高了坝下河床的抗冲刷能力,有利于保护坝基岩体和边坡稳定。河床基岩面最低点高程在560~565m,在修建水垫塘后,在各种计算工况下塘内水深较大,挑射水流在水垫塘内均能形成淹没水跃。因此,二道坝坝顶高程主要是考虑满足小流量洪水泄流时的消能要求和检修要求。白鹤滩水垫塘设计初步按水垫塘的检修要求确定:假定一半机组发电时水垫塘检修,此时机组发电流量3620m3/s,二道坝下游水位约595m,加上安全超高,并综合考虑交通等要求,拟定二道坝顶高程为600m,底高程约555m。河床地面高程580m,最低基岩面高程560~565m。经初步计算,河床基岩面(按560m计)以上的水垫深度均满足淹没水跃消能的水垫深度要求,且淹没度大于1.7。故初拟反拱底高程为560m,反拱端部高程为576m。枯水期水面宽50~90m,水舌入水总宽按100m控制,水垫塘反拱弦长拟定为100m。其上按1∶1的边坡,分两级,设两条宽约5m的马道,分别位于高程583m和高程600m。水垫塘顶高程633m,总宽221m。2排水设施和排水手段二道坝采用重力式,坝顶宽满足检修的交通要求初拟宽度为6.5m。考虑到过坝水流流态要求,参考类似工程初拟上游坡为1∶0.6,下游坡为1∶0.8。二道坝内设灌浆廊道、排水廊道,排水廊道內布置抽排水设施。消力塘在大流量下泄水流的冲击下,水体翻滚腾跃和回旋,形成强烈的不均匀流态和强烈的脉动,底板结构的受力条件比较复杂。根据底板块浮升稳定计算并参照同类工程的经验,本阶段消力塘底板混凝土厚度取4m,并设锚筋锚固于基岩;为增加底板的稳定性,底板基础布置纵横交错的排水廊道,并采取强迫排水措施。反拱底板以外的两侧边坡上,由于水舌主流边缘不断逸出的不连续水团、水块冲击在水垫塘的边坡上,因此两岸仍需衬护,开挖成1∶1的坡度,每隔20m高度设一宽5m马道,每级马道内侧设排水沟。采用混凝土衬砌,厚度3m。下设锚杆和排水孔,顶部设防浪墙。3基本稳定性分析3.1冲击射流冲击区底板的破坏机理拱坝泄洪水舌落入水垫塘,在护坦上出现的水流流态根据下游水深情况,大体上可分为两种形式:自有射流和淹没冲击射流。当下游无水到形成临界水跃的较小水深时,呈自由射流型态;当下游水深大于形成临界水跃水深时,呈淹没射流型态。按照紊动射流特性,水垫塘内水流流态可分为自由紊动射流区、冲击射流区、壁射流。自由紊动射流区流动性质和自由射流区相近,射流边界约成直线,扩散角较空气中的为大。在射流卷吸作用下,冲击点上下游各形成一个不对称旋滚区;冲击射流受底板阻挡,流线弯曲,流速降低,有一条流线流速降为零,形成滞点,将临底流速全部转化为动水压强。该区紊动相当剧烈,动水压强较大;壁射流在滞点上下游附近主流贴壁流动,流动性质和壁射流相似。由于射流的卷吸作用,射流流速沿程衰减,水垫起到消能作用。但是,冲击射流到达边壁时,尚具有一定的流速,故产生冲击压强。由于水垫塘底板砌衬块之间存在施工缝以及与基岩间有接触缝,在高速射流冲击的作用下,动水压强不仅作用于底板块上表面,也通过缝隙传到底板的下表面。在底板上下表面动水压力差(上举力)的作用下,有一定的破坏作用。水垫塘底板块所受上举力的定义为上下表面动水压力差。在冲击射流区底板上下表面的时均压强出现峰值,主要是因为高速射流到达底板后流速改变,所余动能一部分转化为势能,即对底板的冲击压强。上表面比下表面的压强大,因而射流冲击区的板块在时均压强意义下处于稳定状态。在壁面射流区,板块下表面的压强比上表面大,因而壁面射流区是板块易失稳区。水流渐变区板块的表面压强又恢复到上大下小,也是稳定区。分析壁面射流区板块下表面压强大于上表面的原因,是壁面射流区板块下表面沿板块与基岩间缝隙传递的结果。在止水完全破坏的情况下,板块间伸缩缝和板块与基岩间的接触缝相互贯通,射流冲击区板块下表面的较大压强势必要沿缝隙传到壁面射流区板块的底部,造成了该区板块下表面压强大于上表面。这个压强差就构成了导致板块失稳的上举力,这是易失稳区板块上举力的成因。3.2动水压力波动破坏底板失稳拱坝泄洪水舌落入水垫塘,冲击射流达到边壁时,尚有一定的流速,故产生冲击压强。由于水垫塘底板衬砌块之间存在施工缝以及与基岩间有接触缝,这些缝隙可能出现于实际工程中。在高速冲击射流作用下,动水压强不仅作用于上表面,也通过缝隙传至底板的下表面,以及块体之间的缝隙。当某一块体上所受的上下表面动水压力之差大于零时,基岩将承载这个压力差,当上下表面压力差小于零时,亦即当块体有向上运动的趋势时,如果这个压力差不能被其浮重、相临板块的阻力以及可能的锚固力克服时,底板将可能出穴,致使其他底板块连锁破坏,从而造成整个底板失稳破坏。反拱底板的破坏形式包括两种:3.2.1抗力时的失稳当反拱底板在水动力荷载作用形成整体上抬时,整体上举力超过“拱座”的抗力时产生的失稳。但在整体稳定时,也就是拱端推力小于拱座所能提供的抗力时,单个的块体也可能沿径向的缝隙产生微小位移。此时的反拱底板,可以形成拱的作用。3.2.2随机拱的块体稳定性当反拱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”,当块体承受的上举力超过相邻块体提供“拱座”抗力作用,形成局部失稳。在随机荷载作用下,反拱底板块体间可能在不同时刻互为“拱座”。块体的稳定主要依靠块体的自重、摩擦力、锚固力。对于平底板的锚固力只能为自身块体提供抗“上抬”的作用,而反拱底板的锚固力不但能为自身块体提供抗“上抬”的作用,还能通过“抗剪”作用为邻块体提供“拱座”抗力。4拱端拱座的位移水垫塘板块在反向荷载作用下,板块、拱座的变形由接触面上的滑移变形和地基的弹性变形组成,二者均对板块、拱座的变形造成影响,在不考虑锚固条件下,拱端最大向下滑移0.413mm。拱端拱座的最大裂缝(工况2),上端为0.049mm;下端为0.067mm。拱端拱座的错位裂缝一般很小,最大只有0.016mm。综合计算结果,可以得出初步结论:在反向荷载的作用下,拱座的位移量很小,特别是拱端与拱座并未出现明显的分离,不会对反拱底板的稳定构成大的威胁。经物理模型的验证,反拱底板局部稳定的力学模型基本上可以反映反拱的力学特性。反拱形底板的整体稳定性主要依赖于拱端岩体(或拱座)所能提供的约束力以及锚固力,只要拱座的稳定性是有保证的,反拱形底板的整体稳定性则不会有问题。5反拱大拉应力下的底板稳定性白鹤滩水垫塘的原设计方案基本上合理,能够满足泄洪消能的任务。在水垫塘结构力学方法分析中,从板块的局部稳定分析入手,反拱形底板的安全系数在最危险情况下,按最大上举力公式预测的上举力计算中间板块的安全系数,在拱端推力为零,锚固力为零时,安全系数为1.281,平底板安全系数为0.281,可见反拱显优。在反拱形底板非线性静动力分析中,底板的强度是能够得到保证的,拱座局部产生过大拉应力,应作特殊处理,反拱形底