高壩下游反拱水墊塘底板動(dòng)力荷載特性與破壞機(jī)理研究.pdf

1、在大泄量、窄河谷地區(qū),高拱壩壩身泄洪時(shí)的下游消能防沖,是當(dāng)前我國(guó)水電建設(shè)中的關(guān)鍵性技術(shù)難題,直接關(guān)系到整個(gè)樞紐安全,若能很好的解決,則具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。水墊塘通常是作為保護(hù)高壩下游河床及岸坡,進(jìn)行消能防沖的有效措施。反拱水墊塘是一種在結(jié)構(gòu)、安全和經(jīng)濟(jì)等方面較平底水墊塘均具有優(yōu)越性的新型消能工。本文在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合溪洛渡高拱壩下游反拱水墊塘,對(duì)拱圈底板塊的動(dòng)力荷載特性及破壞機(jī)理進(jìn)行研究,這是關(guān)系到水墊塘安全穩(wěn)定的重

2、大問題,具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括:
　　(1)反拱水墊塘拱圈底板塊軸力產(chǎn)生和傳遞的機(jī)理是:止水破壞、錨固失效后,作用在底板塊上的上舉力誘導(dǎo)了底板塊位移和鎖定,鎖定后的底板塊產(chǎn)生了約束的軸力,同時(shí)軸力又反作用于相鄰底板塊并傳遞直至拱端。根據(jù)軸力沿流程分布特征,可分為沖擊強(qiáng)振區(qū)、上游強(qiáng)振區(qū)和下游強(qiáng)振區(qū),在沖擊強(qiáng)振區(qū),軸力小、變化快,底板塊不易發(fā)生鎖定,在上、下游強(qiáng)振區(qū),則軸力大,變化慢,底板塊能長(zhǎng)時(shí)間保持鎖

3、定狀態(tài)。
　　(2)在試驗(yàn)工況下,軸力強(qiáng)度最大值在不考慮斷面不均勻系數(shù)的情況下,滿足混凝土抗壓強(qiáng)度的要求。因此,只要設(shè)計(jì)合理的縱縫寬度,控制底板塊位移在一定的程度,控制底板塊間的接觸面積,底板塊不發(fā)生強(qiáng)度破壞。軸力優(yōu)勢(shì)頻率為小于0.2Hz的低頻窄帶,這與水墊塘水躍旋滾、底板塊脈動(dòng)壓強(qiáng)、底板塊振動(dòng)及上舉力的主頻接近,都是由于水流的大渦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,該優(yōu)勢(shì)頻率與底板塊自振頻率相差大,拱圈底板塊不會(huì)發(fā)生共振。
　　(3)根據(jù)對(duì)縫隙動(dòng)

4、水壓力沿流程分布規(guī)律的研究表明,在水舌沖擊區(qū),縫隙動(dòng)水壓力和脈動(dòng)強(qiáng)度能夠達(dá)到最大值。沿拱圈分布規(guī)律的研究表明,縫隙動(dòng)水壓力由拱冠向拱端有減小的趨勢(shì),沿塘內(nèi)水流方向距離沖擊點(diǎn)越遠(yuǎn),沿拱圈方向的拱冠值與拱端值差值越小;縫隙動(dòng)水壓力脈動(dòng)強(qiáng)度沿拱圈分布變化小,無明顯的規(guī)律性。
　　(4)止水正常時(shí),在作用于水墊塘底板塊上表面動(dòng)水壓力和其下表面揚(yáng)壓力聯(lián)合作用下,縫隙動(dòng)水壓力大于揚(yáng)壓力。止水發(fā)生破壞后,在較大的揚(yáng)壓力水平下,縫隙動(dòng)水壓力體現(xiàn)出

5、“釋放”效應(yīng)有減小的現(xiàn)象;在較小的揚(yáng)壓力水平下,縫隙動(dòng)水壓力體現(xiàn)出“灌入”效應(yīng)有增大的現(xiàn)象;當(dāng)揚(yáng)壓力大小與底板塊上表面動(dòng)水壓力大小相當(dāng)時(shí),止水發(fā)生破壞后,縫隙動(dòng)水壓力變化不大?？p寬大小與止水破壞程度對(duì)縫隙動(dòng)水壓力變化的影響是相同的。通過分析溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范中,計(jì)算底板塊的安全系數(shù)的不妥之處,建議取縫隙動(dòng)水壓力代替揚(yáng)壓力。在實(shí)際工程中,應(yīng)盡量做好排水設(shè)施,使其正常運(yùn)行,減小揚(yáng)壓力,確保工程安全。
　　(5)對(duì)拱圈底板塊振動(dòng)位移沿流程分

6、布規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究,在沖擊區(qū)試驗(yàn)范圍內(nèi),底板塊振動(dòng)劇烈但位移較小,仍能保持穩(wěn)定;在壁射流區(qū),底板塊振動(dòng)強(qiáng)度小但位移大,縫寬較小時(shí)能夠發(fā)生鎖定狀態(tài)?；顒?dòng)底板塊的鎖定高度是由其厚度及縫寬決定的,控制左右縫隙寬度對(duì)反拱水墊塘底板穩(wěn)定起至關(guān)重要的作用。
　　(6)通過對(duì)反拱水墊塘底板失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究表明,作用在底板塊上的上舉力、活動(dòng)底板塊的數(shù)目、拱座約束的條件和縱縫寬度是拱圈底板塊失穩(wěn)的重要因素。拱圈局部失穩(wěn)是由于活動(dòng)底板塊數(shù)目和縱縫寬

7、度的增加,縫寬“增加與累加效應(yīng)”,致使振動(dòng)底板塊徑向位移增加,相鄰底板塊無法約束而最終滑出座穴;拱圈整體失穩(wěn)是由于拱座的微小位移,使拱端塊或拱圈底板塊在較小的縫寬時(shí)都有失去軸向約束飛出座穴的可能。反拱水墊塘運(yùn)用時(shí),拱座的穩(wěn)定至關(guān)重要,控制活動(dòng)底板塊的數(shù)目和縫寬也是保證水墊塘安全運(yùn)行的重要因素。
　　(7)采用 RNG k-ε紊流數(shù)學(xué)模型和自由水面“VOF”方法處理,建立“水庫-泄水表孔-射流水舌-水墊塘”三維整體數(shù)學(xué)模型,對(duì)溪洛渡

8、高拱壩七表孔泄洪、反拱水墊塘流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,七表孔泄洪水舌在空中未發(fā)生碰撞,射流較為平穩(wěn)的射入水墊塘,塘內(nèi)水流表面變化不甚劇烈,但塘內(nèi)底板壓強(qiáng)出現(xiàn)較大的峰值。高壩下游水墊塘中不僅存在已被認(rèn)識(shí)到的橫向漩滾,還會(huì)在拱壩向心泄洪、水舌橫向貼壁流誘導(dǎo)下產(chǎn)生縱向漩渦,向上下游螺旋發(fā)展,橫向漩滾末向上翻滾的水流在回溯過程中,又形成豎向漩渦。
　　(8)對(duì)反拱水墊塘和平底水墊塘流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)兩種水墊塘的水力特性進(jìn)行對(duì)比分析。