高水头大流量作用下拱圈底板块位移规律研究

高水头大流量作用下拱圈底板块位移规律研究

水库外洪水一般分为水库外洪水和水库外洪水（水库外洪水）。在地形和地质条件下，水库外洪水通常具有难以设计、复杂建设、高成本廉等缺点。因此，水库外洪水减少可利用的蓄洪消能方案，如第二滩、小湾、拉西瓦、沟皮滩等高坝工程。水垫塘的稳定将直接影响到坝体的稳定和安全,因此对水垫塘底板块失稳破坏机理进行研究非常重要。近年来,许多学者对平底水垫塘和反拱水垫塘的水流特性、动水压强、振动特性等进行了研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],总结出了反拱水垫塘与平底水垫塘相比的优点,揭示了反拱水垫塘底板块动水压强的时域和频域特性,底板块轴力、拱端力的变化规律,单底板块、局部多底板块位移特性,以及失稳破坏的机理。笔者在此基础上,对反拱水垫塘拱圈所有底板块均可自由振动极端条件下底板块的振动特性进行了更深入的研究。1反拱水垫塘设计试验模型以溪洛渡拱坝及其坝体下游水垫塘工程为参考,比尺为1∶170,模型整体按重力相似准则设计,试验拱圈段按弹性准则设计。试验模型的整体布置见图1。模型主要由射流系统和反拱水垫塘等组成。通过弯曲喷嘴的射流来模拟表孔挑射到水垫塘的水舌。经模型试验测定,水舌入水横向宽度为96.9m,可覆盖反拱水垫塘全拱圈范围。最大下泄流量相当于原型工程校核水位泄流量(17422.75m3/s)的75.3%,完全模拟了原型工程高水头、大流量的水流条件。反拱水垫塘由一个可沿流程自由移动的箱体及设在其中部可拆卸的试验拱圈段组成。拱圈中放置9个试验底板块,采用加重橡胶制作,材料力学性能见表1。由表1可知,加重橡胶基本满足弹性相似的柯西准则。面向下游将底板块从左到右依次编号为①～⑨,见图2,单块尺寸bm×Ld×d(平行于水流方向的宽度×底弧长度×厚度)为7.06cm×7.45cm×2.35cm)。⑤号底板块圆心角α=0°,其余底板块圆心角向5号底板中心两侧以8.64°依次递加(向左为负、向右为正)。底板块四周沿水流方向设横缝,垂直于水流方向设纵缝,底板块底面和拱圈底板之间设底缝,缝隙宽度为1mm,所有缝隙相互贯通,模拟反拱水垫拱圈底板块之间止水设施完全破坏、锚筋失效的极端条件。底板块底部安装有振动位移传感器,见图2(a)。利用计算机进行采样和分析,数据采集频率为100Hz(模型值),采集时间为120s(模型值)。2底板块锁定位移拱圈n个底板块振动的形成是在n-1或n-2个底板块发生振动和锁定之后,拱圈上发生锁定的底板块对其相邻底板块产生摩擦力,相邻底板块在摩擦力、自身重力和上、下底板块水压力差(上举力)共同作用下使锚固力失效,至此,拱圈n个底板块形成振动。止水破坏、锚固力失效是所有缝隙贯通的原因,在某个瞬时底板最大径向位移即为底板块的锁定位移Sm=(R+d)−bmΔα+10δRSm=(R+d)-bmΔα+10δR,其中R为底板块的半径,δ为底板块缝隙宽度。底板块之间缝隙总宽度可能集中在某一个底板块上,使其振动位移高度增加到理论最大值。底板块锁定后,拱圈稳定形式可分为以下几种。(1)当底板块瞬时位移大于其锁定位移时,底板块会飞出座穴,导致拱圈其他底板块失稳,局部或整体拱作用消失,整个拱圈发生失稳破坏。(2)底板块位移达到锁定位移后,底板块之间的轴力强度大为增加,传至拱端后,拱座可能发生滑动破坏或强度破坏。(3)拱圈中某一底板块在局部横截面上受相邻左右底板块的轴力作用,两侧截面易出现应力集中现象,使底板块发生强度破坏,或底板块混凝土产生局部裂缝而破坏。3拱圈内横向位移试验模型坐标系原点位于水舌冲击点,水流方向为x轴的正方向,x0表示水舌冲击点到试验拱圈底板块中心轴的水平距离,y轴垂直于x轴(见图1)。底板块沿拱圈的横向位移以底板块中心面向下游左侧为正、右侧为负。在进行试验时,将试验拱圈段内所有底板块(9个底板块)都设置为可自由振动。试验在下游水位(模型)为38.8cm下进行。底板块振动的位移过程s(t)是一个平稳随机过程,其在采样时间内的位移平均值、最大值和均方根称为底板块振动位移特征值,分别用sa、smax、sσ表示。3.1各底板块振动位移特征曲线拱圈①～⑤号底板块在下游水位为38.8cm时的振动位移特征值沿程分布曲线见图3。从形态上看,各底板块位移特征值沿程整体上呈双峰分布,-0.4m≤x≤-0.05m为上游峰值区域,-0.05m<x<0.03m为冲击区谷值区域,0.03m≤x≤0.6m为下游峰值区域,分别对应单底板块试验的上游强振区、冲击弱振区和下游强振区,且上游强振区的分布宽度比下游强振区的分布宽度小。以④号底板块为例,其下游强振区分布宽度约为0.5m,而上游强振区分布宽度只有0.3m。与单底板块振动位移曲线沿程分布形态不同的是,多底板块振动位移特征曲线在上、下游强振区还存在大小不一的局部峰值,因此准确地讲,多底板振动位移沿程呈多峰分布。在水舌冲击区,①～⑤号底板块位移瞬时最大值、平均值都较小,基本在±0.05cm范围内波动,但位移均方根较大。这说明在冲击弱振区各底板块的振动幅值较小,但振动强度较大。原因是在水舌冲击区各底板块除承受自身重力外,还承受上、下表面动水压强的合力(称为上举力),而上举力和重力的合力较小或为负值。在上、下游强振区,①～⑤号底板块位移瞬时值和最大值都较大,但对于同一底板块而言,其最大位移在上、下游强振区不能同时达到单底板块理论锁定位移。如①号底板块在上游强振区瞬时最大值为1.4cm,基本达到单底板块锁定位移,而在下游强振区的瞬时最大值为0.55cm,并未达到单底板块锁定位移,且底板块位移平均值和最大值基本相等,由此可以断定,各底板块在上、下游强振区呈锁定状态。3.2底板块位移特征分析拱圈底板块振动位移特征值在水舌冲击区典型位置处沿拱圈横向分布见图4。在水舌冲击区,随着底板中心角Δα的增大,拱冠处底板块及其相邻右侧底板块位移出现了明显峰值,最大振幅约为1.05cm,基本上接近拱圈单底板块的理论锁定位移,在峰值处,底板块振动位移的瞬时最大值和均值接近。在x=-0.02m处,⑥号和⑨号底板块沿拱圈横向位移最大值也达到了1.0cm,但位移瞬时最大值和时均值相差较大。这说明在水舌冲击区,底板块以自由振动为主,拱圈底板块会形成多个局部瞬时拱作用,但整个拱圈不会形成长期整体拱作用,这是多底板块区别于单底板块和三底板块的主要特征。底板块振动位移特征值在上、下游强振区典型位置沿拱圈分布见图5、图6。可见,在上、下游强振区首部(-0.15m≤x≤-0.05m,0.04m≤x≤0.1m),拱圈中少数底板块位移瞬时最大值达到单底板块锁定位移,且底板块位移最大值和时均值基本相等,如上游强振区x=-0.06m处②号底板块及下游强振区x=0.04m处⑤号底板块位移最大值和时均值均为1.2cm。由此可断定,拱圈部分底板块已锁定,形成局部拱作用。在上、下游强振区的主流区(-0.35m≤x≤-0.15m,0.1m≤x≤0.4m),底板块位移特征曲线沿拱圈呈多峰起伏状分布,各底板块位移特征值相差较大。如x=-0.2m处,拱圈⑥号底板块位移最大值为1.1cm,而⑨号底板块位移最大值为0.2cm,这是拱圈所有底板块缝隙贯通后各底板块在振动过程中相互影响的结果。同时,各底板块位移时均值与最大值基本相当,表明底板块已经形成整体拱作用。在上、下游强振区的尾部(-0.4m≤x≤-0.35m,0.4m≤x≤0.6m),拱圈整体拱作用消失,但局部拱作用依旧存在,如x=0.6m处②～⑤号底板块依然形成局部拱,而其他底板块位移特征值迅速衰减。3.3各底板块振动的相关性强振区和冲击区典型位置底板块振动位移互相关系数见表2、表3。在水舌冲击区,相邻底板块间最大互相关系数只有0.33,而非相邻底板块间的互相关系数更小,甚至为0或负值。这表明,在水舌冲击区,拱圈各底板块之间振动位移的相关性不太密切,各底板块同步变化的几率很小。而在上、下游强振区,相邻底板块之间振动位移的互相关系数较大,最大值为0.92,远大于冲击区相邻底板块间互相关系数,非相邻底板块间位移互相关系数也比冲击区偏大。在强振区,部分或所有底板块达到锁定位移,底板块间靠拱端力和摩擦形成局部拱或整体拱作用,某一底板块的轻微振动将影响相邻及其他底板块位移的连锁反应,因此各底板块位移相关性较强。由此可见,在水舌冲击区,各底板块相互独立、不成拱,位移相关性很弱;而在上、下游强振区,各底板块在成拱条件下位移相关性较强。4拱圈底板块矿裂断群通过对反拱水垫塘拱圈9个底板块的振动特性进行试验研究,得到以下结论:(1)拱圈多底板块振动位移特征值沿程分布规律与单底板块基本相同,分为上、下游强振区和冲击弱振区,但也有不同之处,即位移分布曲线出现多峰分布,上下游强振区底板块最大位移不能同时达到单底板块锁定位移。(2)在水