高壩下游反拱水墊塘底板動力荷載特性與破壞機理研究.pdf

1、在大泄量、窄河谷地區(qū),高拱壩壩身泄洪時的下游消能防沖,是當前我國水電建設中的關(guān)鍵性技術(shù)難題,直接關(guān)系到整個樞紐安全,若能很好的解決,則具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。水墊塘通常是作為保護高壩下游河床及岸坡,進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)前人成果的基礎上,結(jié)合溪洛渡高拱壩下游反拱水墊塘,對拱圈底板塊的動力荷載特性及破壞機理進行研究,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用價值。主要研究內(nèi)容和成果包括:
　　(1)反拱水墊塘拱圈底板塊軸力產(chǎn)生和傳遞的機理是:止水破壞、錨固失效后,作用在底板塊上的上舉力誘導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,可分為沖擊強振區(qū)、上游強振區(qū)和下游強振區(qū),在沖擊強振區(qū),軸力小、變化快,底板塊不易發(fā)生鎖定,在上、下游強振區(qū),則軸力大,變化慢,底板塊能長時間保持鎖

3、定狀態(tài)。
　　(2)在試驗工況下,軸力強度最大值在不考慮斷面不均勻系數(shù)的情況下,滿足混凝土抗壓強度的要求。因此,只要設計合理的縱縫寬度,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)生強度破壞。軸力優(yōu)勢頻率為小于0.2Hz的低頻窄帶,這與水墊塘水躍旋滾、底板塊脈動壓強、底板塊振動及上舉力的主頻接近,都是由于水流的大渦運動產(chǎn)生的,該優(yōu)勢頻率與底板塊自振頻率相差大,拱圈底板塊不會發(fā)生共振。
　　(3)根據(jù)對縫隙動

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

5、“釋放”效應有減小的現(xiàn)象;在較小的揚壓力水平下,縫隙動水壓力體現(xiàn)出“灌入”效應有增大的現(xiàn)象;當揚壓力大小與底板塊上表面動水壓力大小相當時,止水發(fā)生破壞后,縫隙動水壓力變化不大?？p寬大小與止水破壞程度對縫隙動水壓力變化的影響是相同的。通過分析溢洪道設計規(guī)范中,計算底板塊的安全系數(shù)的不妥之處,建議取縫隙動水壓力代替揚壓力。在實際工程中,應盡量做好排水設施,使其正常運行,減小揚壓力,確保工程安全。
　　(5)對拱圈底板塊振動位移沿流程分

6、布規(guī)律進行試驗研究,在沖擊區(qū)試驗范圍內(nèi),底板塊振動劇烈但位移較小,仍能保持穩(wěn)定;在壁射流區(qū),底板塊振動強度小但位移大,縫寬較小時能夠發(fā)生鎖定狀態(tài)?；顒拥装鍓K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反拱水墊塘底板穩(wěn)定起至關(guān)重要的作用。
　　(6)通過對反拱水墊塘底板失穩(wěn)破壞機理的研究表明,作用在底板塊上的上舉力、活動底板塊的數(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)是由于活動底板塊數(shù)目和縱縫寬

7、度的增加,縫寬“增加與累加效應”,致使振動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都有失去軸向約束飛出座穴的可能。反拱水墊塘運用時,拱座的穩(wěn)定至關(guān)重要,控制活動底板塊的數(shù)目和縫寬也是保證水墊塘安全運行的重要因素。
　　(7)采用 RNG k-ε紊流數(shù)學模型和自由水面“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)學模型,對溪洛渡

8、高拱壩七表孔泄洪、反拱水墊塘流場進行數(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)底板壓強出現(xiàn)較大的峰值。高壩下游水墊塘中不僅存在已被認識到的橫向漩滾,還會在拱壩向心泄洪、水舌橫向貼壁流誘導下產(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)對反拱水墊塘和平底水墊塘流場進行了數(shù)值模擬,對兩種水墊塘的水力特性進行對比分析。