反拱水墊塘拱圈底板塊間軸力的傳遞

反拱水墊塘拱圈底板塊間軸力的傳遞

反弧水墊湖可用于消震壩下洪的最大可達性，是高拱壩采用水庫洪武消能的主要途徑之一。在對水閥底部反弧結(jié)構(gòu)拱的研究中，對水閥頂部完整拱的拱的力進行了試驗。事實上，在反弧水閥的底部上沿拱方向配置了幾個底部板塊，每個底部板塊的抬起力不同。如果部分底部板塊的停止水中斷，加固能力和抽排水措施失敗，它們的徑向位移會導(dǎo)致相鄰固定底部板塊（即拱或臨時拱）的徑向位移。拱的不同位置振動底部板塊的徑向位移不同，這會影響自由底部板塊的軸向力傳遞。因此，有必要研究水墊塘底板上的軸向力傳遞規(guī)律，這對闡明拱的上下板的失穩(wěn)非常重要。1實驗數(shù)據(jù)的安裝試驗?zāi)Ｐ鸵阅掣吖皦嗡畨|塘為基礎(chǔ),根據(jù)重力相似準則設(shè)計.模型比尺為170,模型主要由射流系統(tǒng)和反拱水墊塘組成,試驗?zāi)Ｐ秃偷装鍓K的編號與文獻相同.坐標系原點建立在拱圈中心與沖擊滯點交點,x軸以水流方向為正,y軸以指向右岸為正.試驗范圍x=[-0.94m,1.50m],每個斷面量測3組數(shù)據(jù),第2組數(shù)據(jù)作為分析使用,其他2組作為輔助參考.實驗采集時間120.00s,采集間隔0.01s.每個底板塊內(nèi)安裝1個尺寸為0.050m×0.035m×0.011m的軸力傳感器,用以測量底板塊之間的軸力,如圖1所示.底板塊在傳感器安裝后的重度為13739.6N/m3,傳感器量程為-20～80N.2水墊塘內(nèi)流態(tài)的變化受射流慣性力作用的影響水墊塘底板塊軸力的大小及其傳遞規(guī)律和射流在塘內(nèi)的擴散范圍是密切相關(guān)的,如圖2所示.入射水流接觸到底板后,一方面在重力的作用下沿著拱圈向中心匯集,另一方面在射流慣性力作用下沿流程擴散.在其合力的相互作用下,主流在水墊塘內(nèi)表現(xiàn)為:以沖擊點為中心沿流程在橫向逐漸收縮,厚度逐漸加寬,流速減小,超出一定范圍后形成強烈的紊動.射流的影響范圍在上游寬而短、下游窄而長.入塘后的低水位水流流速仍然較大,導(dǎo)致主流在塘內(nèi)左右擺動,使水流流態(tài)更加復(fù)雜.3底板塊臨時拱端拱圈自由底板塊所處的振動狀態(tài)大致可分為:沖擊強振區(qū)、完全鎖定區(qū)、弱鎖定區(qū)和自由振動區(qū).考慮自由底板塊狀態(tài)的多變性和復(fù)雜性,在此僅對鎖定狀態(tài)下的底板塊軸力傳遞規(guī)律進行研究.以三底板塊為例,在止水破壞、錨固失效、抽排設(shè)施失靈后,三底板塊失穩(wěn)主要包括自由振動、鎖定、滑動和失穩(wěn)破壞4個過程.當拱圈三底板塊振動位移小于各自鎖定高度時,底板塊作自由振動,各底板塊的動力學(xué)方程為Fj(t)?Gcosαj?Rj=md2sjdt2Fj(t)-Gcosαj-Rj=md2sjdt2j=i,i+1,i+2(1)式中:Fj(t)為底板塊所受的上舉力;Gcosαj為底板塊所受重力在徑向的分力;Rj為底板塊振動時所產(chǎn)生的阻力;sj為底板塊振動的瞬時位移.當拱圈底板塊振動位移達到鎖定高度時,底板塊不再振動,且三底板塊共同組成1個臨時拱端.圖3為三底板塊(分別命名為i,i+1,i+2)在鎖定時的受力示意圖,把這三個底板塊的相互作用簡化成固端,并列其徑向r力的平衡方程為∑ii+2Fjcos(α?αj)?∑ii+2Gjcosα?[Nir+N(i+2)l]sinθ?[R(i+2)l+Rir]cosθ=0(2)∑ii+2Fjcos(α-αj)-∑ii+2Gjcosα-[Νir+Ν(i+2)l]sinθ-[R(i+2)l+Rir]cosθ=0(2)列其切向s力的平衡方程為∑ii+2Fjsin(α?αj)+∑ii+2Gjsinα+[Nir?N(i+2)l]cosθ+[Rir?R(i+2)l]sinθ=0(3)∑ii+2Fjsin(α-αj)+∑ii+2Gjsinα+[Νir-Ν(i+2)l]cosθ+[Rir-R(i+2)l]sinθ=0(3)RirR(i+1)lR(i+2)l=N(i+2)lμt,Rir=Nirμt式中:Nir為第i底板塊右側(cè)相鄰底板塊的軸力;N(i+2)l為第i+2底板塊左側(cè)相鄰底板塊的軸力;Rir為第i底板塊右側(cè)相鄰底板塊的摩擦力;R(i+2)l為第i+2底板塊左側(cè)相鄰底板塊的摩擦力.對式(2)和(3)進行變換,則求出三底板塊的拱端軸力為當考慮任意底板塊k∈(i,i+2]右側(cè)軸力Nkr時,考慮k到i+2個底板塊共同組成1個平衡力系,通過各底板塊的徑向和切向力平衡方程,可求出Nkr.Nkr=?∑ki+2Fjsin(αc?αj)?∑ki+2Gjsinαc+N(i+2)l(cosθc?μtsinθc)cosθc±μtsinθc(6)Νkr=-∑ki+2Fjsin(αc-αj)-∑ki+2Gjsinαc+Ν(i+2)l(cosθc-μtsinθc)cosθc±μtsinθc(6)式中:分子項中的“+”為Rir受力方向指向圓心;“-”為Rir受力方向背離圓心;N(i+2)l為拱端力已求出;αc=12(αk+αj+2)αc=12(αk+αj+2);θc=(i+2?k+1)Δα2=(i?k+3)Δα2θc=(i+2-k+1)Δα2=(i-k+3)Δα2.假定Fj=ηGj,改變j的編號,按式(6)求出任意底板塊工況時的各端面軸力.為了顯示底板塊的軸力傳遞特性,假設(shè)底板塊所受上舉力是重力的1.5倍,利用式(6)計算出七底板塊工況軸力大小,如圖4所示,在產(chǎn)生相對較大位移的右側(cè)軸力較大,并依次向兩拱端傳遞.4底板塊鎖定區(qū)域軸力對比分析通過物理模型試驗量測軸力大小,對其分析如下:在上下游拱圈底板塊鎖定區(qū)域,水墊塘承載下瀉水流時,自由底板塊在較大的瞬時上舉力作用下抬起,板塊間相互擠壓直至拱端,同時伴隨著軸力產(chǎn)生、傳遞,考慮該區(qū)域水墊塘底板承受的上舉力較大,因此自由底板塊之間持續(xù)擠壓并形成完全鎖定,致使該區(qū)域軸力瞬時值變化較小,均值較大.從圖5中可看出,在底板塊鎖定區(qū)域軸力變化有如下特征:①沿橫向,底板塊間軸力的瞬時值與均值變化趨勢基本一致,二者在數(shù)值上相差較小,軸力強度較小;②在不同工況下,沿流程拱圈出現(xiàn)軸力較大值的位置是隨機的;③考慮拱圈上底板塊數(shù)目的影響,同一工況下橫向出現(xiàn)軸力較大值的個數(shù)不定,拱圈自由底板塊數(shù)目越多,局部拱數(shù)越多,根據(jù)九底板塊軸力橫向變化特征認為,一個拱圈中最多可能出現(xiàn)3個局部拱,各底板塊之間軸力均值相差