水墊塘反拱型底板水動力荷載特性分析

水墊塘反拱型底板水動力荷載特性分析

0壩身及壩身消能鶴灘水庫位于金沙江下游，控制面積43.03萬公里，占金沙江流區(qū)的91.0%。水庫總庫容206.02億m3,調(diào)節(jié)庫容可達104.36億m3,防洪庫容75.00億m3,庫容系數(shù)為7.9%。攔河壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程834.0m,壩頂弧長703.9m,最大壩高289.0m。泄洪消能建筑物由壩身6個表孔、7個深孔及左岸3條無壓泄洪洞組成。壩后采用水墊塘(長約400m)、二道壩消能。壩身最大泄量約30000m3/s,壩身最大泄洪功率約為6×1010W,壩身泄洪是白鶴灘水電站主要和經(jīng)常運用的泄洪設(shè)施。水墊塘作為壩身泄洪的消能載體,承受著巨大的水流沖擊。上游緊鄰大壩和壩肩抗力體,水墊塘消能和防護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定直接關(guān)系到泄洪及大壩的安全性,是工程安全運行的關(guān)鍵。目前已建成并安全運行的反拱型水墊塘工程實例少,且泄量均很小,底板垂直水流方向不分塊或分塊數(shù)量少。剛建成不久的拉西瓦水電站,采用反拱形水墊塘消能,是目前我國已建最大規(guī)模的反拱水墊塘,泄量僅有白鶴灘水電站壩身泄量的1/5,工程的規(guī)模和泄量與白鶴灘水電站相差很大,缺乏可比性。而反拱水墊塘底板的受力穩(wěn)定條件影響因素較多,本工程受左右岸地形條件限制,水墊塘為非對稱布置,反拱水墊塘的成拱條件相對較差,反拱底板較其他工程更為平坦,拱作用較弱,有必要通過水彈性模型試驗與結(jié)構(gòu)分析對水墊塘的水動力特性及防護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行研究。反拱型水墊塘是利用河床基巖的天然形狀把底板做成拱形,可減少基巖開挖,減少對基巖擾動,尤其對于高地應(yīng)力地基拱壩壩肩穩(wěn)定意義重大,并能利用拱形結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,將射流沖擊荷載傳遞到兩岸山體或拱座,充分發(fā)揮混凝土的抗壓特性和拱結(jié)構(gòu)的超載能力,提高了底板穩(wěn)定性。反拱底板可能發(fā)生兩種失穩(wěn)形式,即整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。根據(jù)已有研究成果,在相同運行工況下,反拱形底板是解決高拱壩大流量泄洪消能問題的有效措施。1軸的負荷性能1.1水墊塘底板模型材料反拱水墊塘長度約330m,從上游到下游等寬布置,沿水流向15m為一段分永久縫。底板最低點高程560m,襯砌厚度4m,反拱中心角74.796°。每個拱圈內(nèi)將底板均勻分成9塊,每塊平均寬15m,二道壩頂高程602m。水墊塘縱橫剖面圖如圖1所示。建立比尺1∶100的模型,試驗?zāi)Ｐ鸵瑫r滿足水力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)動力學(xué)條件相似。水墊塘底板結(jié)構(gòu)模型材料滿足彈性模量和容重的相似性。整體荷載用力傳感器及DASP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理,采樣頻率50Hz。水墊塘底板拱端推力傳感器布置44個,左右兩岸各布置22個。從樁號0+58m到0+373m處。水墊塘底板上舉力傳感器共布置55個,其中:縱向沿中線布置一排,從樁號0+118m到0+328m,共15個;根據(jù)拱端推力的試驗結(jié)果,橫向布置五排,分別在樁號0+148m、0+178m、0+208m、0+238m和0+268m處,共45個。傳感器布置見圖1。壩身泄洪時,表深孔多層多股水舌在空中碰撞后跌落入水墊塘。水墊塘底板會受到水流脈動荷載的作用,在上舉力的作用下,底板有可能發(fā)生失穩(wěn)。通過模型試驗,實測了水墊塘底板的上舉力和拱端推力,對于各工況確定的下游水位,還同時測量了在其上下一定范圍下游水深內(nèi)的板塊受力情況,試驗工況見表1。1.2水墊塘底板上舉力水墊塘呈淹沒射流形態(tài),在高速沖擊射流作用下,動水壓強通過不同的方式同時作用于底板上下表面,按照表面動水壓強分布差異,將底板分為三個區(qū)域,分別為水舌沖擊區(qū)、壁面射流區(qū)和水流漸變區(qū)。圖2表明,作用在底板中線順水流方向單個板塊的最大整體荷載出現(xiàn)在校核工況樁號0+238處,達到3384.6×9.8kN(相當(dāng)于14.0×9.8kN/m2),發(fā)生在水舌沖擊區(qū)稍向下游一點,即壁面射流區(qū)底板首先可能失穩(wěn)板塊。其它工況上舉力最大值小于校核工況,但是分布規(guī)律基本相同,說明上舉力隨著上游水位降低而減小。如圖2所示,試驗測得的整體荷載時均值與3倍均方差之和約等于整體荷載最大值,符合正態(tài)分布;上舉力均方差與時均值為同一量級,單個板塊上舉力時均值一般不超過1100×9.8kN(4.6×9.8kN/m2),因此,脈動值對最大上舉力的貢獻較大,是不可忽視的部分。水墊塘底板上舉力沿水流方向的分布在沖擊區(qū)下游達到最大值,最大值上下游兩側(cè)沿程逐漸衰減。沿程出現(xiàn)兩處峰值是因為表深孔同時泄流,在空中交叉碰撞進行了部分消能后,兩股水舌落點沿程仍有一定距離。從圖3可以看出,上舉力脈動能量集中在很低的頻域內(nèi),優(yōu)勢頻率分布在0.5Hz以內(nèi),屬于低頻窄帶分布。同一拱圈,不同工況底板上舉力沿拱圈橫向分布曲線見圖4,最大值為5161.2×9.8kN(21.36×9.8kN/m2),出現(xiàn)在校核工況樁號0+238處。各工況上舉力分布形態(tài)基本相似,總體上,從拱冠附近的最大值沿拱圈向兩岸遞減,沿拱圈方向的最小值出現(xiàn)在拱端附近的底板塊上。上舉力右側(cè)比左側(cè)明顯大,可能的原因是由于水墊塘橫向剖面不對稱(在拱座以上左岸緩、右岸陡),旋滾水舌橫向受限,導(dǎo)致右側(cè)水動力荷載偏大。取最大值樁號處的上舉力試驗數(shù)據(jù),用無量綱參數(shù)表達,如圖5,可以擬合上舉力經(jīng)驗公式為FLmax/G0=3.601[(q/g0.5H1.5)?D/ht×103]?4.102(1)FLmax/G0=3.601[(q/g0.5Η1.5)?D/ht×103]-4.102(1)式中,FLmax為最大上舉力,G0為單板塊自重,q為射流入水單寬流量,H為上下游水位差,D為板塊厚度,ht為水墊塘水深。1.3下泄流量對功率譜密度的影響反拱形底板以整個拱形結(jié)構(gòu)來承擔(dān)脈動荷載,其整體性對脈動荷載的均化作用,顯然優(yōu)于平底板。從圖6中可以看出,校核工況下順水流方向模型實測拱端推力最大值右岸整體上大于左岸,這與上舉力沿橫向分布在右側(cè)偏大相一致。最大瞬時拱端推力出現(xiàn)在右岸樁號0+238處,為2526.8×9.8kN(168.5×9.8kN/m),隨著泄量增大,拱端推力增大。根據(jù)試驗還得出,相同下泄流量,下游水位越低,拱端推力越大,這一規(guī)律與水舌沖擊區(qū)下游上舉力的規(guī)律是一致的。在上舉力最大的壁射流區(qū),低頻域內(nèi)拱端推力功率譜密度的值較大,能量分布區(qū)域較窄。由圖7可以看出,拱端推力主頻都在0～1.0Hz范圍內(nèi),低頻域內(nèi)的脈動能量占主要部分,證明水墊塘中的水流脈動屬于低頻大幅脈動。隨著下游水墊深度的降低,高頻域內(nèi)的功率譜密度值有所增加。影響拱端推力的主要因素包括射流入水單寬流量q,上下游水位差H,水墊塘水深ht,水舌入水寬度與反拱形底板弦長的比值B/L,板塊厚度D等。由實測最大拱端推力Fsmax與單個底板塊自重G0的比值和無量綱參數(shù)點繪制的經(jīng)驗關(guān)系見圖8,可以擬合經(jīng)驗公式為Fsmax/G0=0.682[(q/g0.5ht1.5)?(B/L)?(D/H)×103]?0.741(2)Fsmax/G0=0.682[(q/g0.5ht1.5)?(B/L)?(D/Η)×103]-0.741(2)本文得到的最大上舉力和最大拱端推力經(jīng)驗公式適用于單個板塊面積240m2左右,單寬流量q=(80～240)(m2/s),上下游水位差H=150m～230m,水墊塘水深ht=40m～75m。2穩(wěn)定性分析2.1拱座及邊坡接觸處理建立底板三維有限元模型,基巖在長時間的自重作用下,變形已經(jīng)完成,不考慮自重的作用;板塊、拱座及邊坡均考慮自重作用。板塊、拱座、邊坡以及基巖間均采用接觸處理。將實測瞬時最大拱端推力施加于拱座進行計算。校核工況下,拱座最大位移一般不超過1mm,且為負向(拱座發(fā)生轉(zhuǎn)動,可以認為不產(chǎn)生正向位移,即與板塊在上舉力作用下的位移方向相反),對底板的整體穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅。2.2反拱底板的極限抗力反拱型水墊塘底板在一些特定條件下有不能形成整體“拱”作用的可能性。在某一時刻,作用于某單個或多個板塊的上舉力出現(xiàn)大的數(shù)值,其他板塊則較小,形成一種“隨機拱”。此時,這個板塊有向上運動的趨勢,而兩側(cè)的板塊可視為其拱座。如果上舉力大于阻止該板塊失穩(wěn)的抗力,反拱底板就產(chǎn)生局部破壞。對于平底板,在止水完全破壞的情況下,維持板塊穩(wěn)定主要因素是自身的重力和施加其上的錨固力,抗浮穩(wěn)定的控制條件為Kf=浮重+錨固力壓力差+脈動壓力(3)Κf=浮重+錨固力壓力差+脈動壓力(3)式中Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),分母兩項之和即為板塊所受上舉力。有限元模型計算極限抗力比力學(xué)模型更接近實際約束條件。采用靜力分步加載,在不同荷載下,即在不同時間,板塊有不同的位移,對位移—時間曲線處理得到板塊變形速率—荷載曲線,對曲線進行分析得到板塊保持穩(wěn)定的極限抗力,如圖9～10。反拱型底板單個板塊的極限抗力在無錨固拱端自由的情況下可達本身自重的3倍左右,不同位置有差異,靠近拱圈中心的板塊極限抗力大?？v坐標F/G0可以理解為反拱形單底板塊與相同大小平底板塊極限抗力的比值,反拱形底板比平底板的穩(wěn)定性提高許多。2.3反拱底板穩(wěn)定性分析用模型實測最大上舉力的結(jié)果對反拱底板局部穩(wěn)定安全系數(shù)K進行計算,平底板實測上舉力最大值處于樁號0+238m處,見表3。又根據(jù)式(3),得平底板的安全系數(shù)?？紤]底板浮容重,校核工況和設(shè)計工況下平底板最小安全系數(shù)分別為0.25和0.23,而相應(yīng)的反拱底板在拱端自由和無錨固力的條件下,最小安全系數(shù)分別為0.66和0.53,明顯反拱底板的安全系數(shù)要高于平底板。在底板錨固水平為4.43t/m2、拱端自由情況下,校核水位和設(shè)計水位情況下,反拱底板最小安全系數(shù)分別為1.11和0.89,板塊號為1和6處板塊最危險;而平底板最小安全系數(shù)分別為和0.45和0.57,需要大幅提高錨固水平才能夠達到安全要求,如圖11和圖12所示。已有研究反拱形底板的局部穩(wěn)定性只考慮了錨固力和假定拱端推力的影響,為了更加接近實際受力條件,本文應(yīng)用有限元模型模擬有拱座情況下底板塊的安全系數(shù)?？紤]拱座的約束,底板錨固水平為4.43t/m2、校核水位和設(shè)計水位情況下最小安全系數(shù)分別為1.81和1.75,比無拱座情況下的安全系數(shù)在中間板塊處至少提高27%,邊緣板塊安全系數(shù)提高更多。3反拱底板和變性底板錨固安全比較反拱底板受到的最大上舉力出現(xiàn)在校核工況樁號0+238m處,中線順水流方向單個板塊達到3384.6×9.8kN(相當(dāng)于14.0×9.8kN/m2),沿拱圈橫向的最大值為5161.2×9.8kN(21.36×9.8kN/m2)。各工況上舉力分布形態(tài)基本相似,水舌碰撞后的位置、擴散寬度以及水墊塘體型對上舉力的變化都有一定影響。反拱底板與平底板的荷載水平相當(dāng)。校核工況下,順水流方向模型實測拱端推力最大值右岸整體上大于左岸。最大拱端推力在右岸樁號0+238m處,為2526.8×9.8kN(168.5×9.8kN/m)。有限元計算得到的拱座最大位移不超過1m