反拱水墊塘單底板塊位移規律的試驗研究

1溪落渡型鋼5.排水無拱混凝土與反拱底板設計方案水孔池是水庫滲漏和消耗作用的主要措施。反弧底板是水孔池的一種新型混凝土保護形式。國外首先采用了這種反拱底板結構,如:西班牙Susqueda拱壩、南非P.R.Le.Roux拱壩、前蘇聯Inguri拱壩等。溪落渡巨型水電站擬采用反拱底板。關于反拱水墊塘的研究,許唯臨曾對其流場進行了三維數值模擬,彭新民、練繼建、楊敏、孫建等人則結合底板的穩定性對反拱底板的體型、拱端力荷載、上舉力變化規律及底板縫隙中動水壓強的基本特性進行了試驗研究,而對于板塊位移的研究甚少,文獻僅見史軍建立了塊體彈簧元數學模型,結合拉西瓦工程計算了板塊的位移,但并未經過試驗驗證。因此,仍需要進一步的研究。本文結合反拱底板的破壞機理,采用先進的模擬方法和量測手段,對在高水頭、大流量,止水完全破壞、錨筋失效等極端條件下,反拱水墊塘單底板塊的位移特性進行了詳細的試驗研究,得到了單板塊位移沿程的變化規律及其時域和頻域特性。2水墊塘剖面中板塊位移檢測為了研究反拱底板單板塊的位移問題,本文結合溪落渡工程,制作了水墊塘精細物理模型,見圖1、圖2。模型按重力相似準則設計,比尺為1∶170。反拱水墊塘用PVC板制作,外形為5m×0.9m×0.6m(長×寬×高)的矩形箱體,固定在一個角鋼架上,鋼架連同箱體放置在設有滑輪的軌道上,并在長8.8m范圍內沿流程自由移動,這樣就可以對沿程不同位置處板塊的位移進行觀察和量測。水墊塘剖面模擬溪落渡拱壩下游水墊塘的反拱部分,在塘底適當位置取一個拱圈,拱圈上下游留有橫縫,拱圈由縱縫分割成9個底板塊。底板塊由內部充滿水泥砂漿的弧形有機玻璃體制作,容重γs=1.687g/cm3,板塊厚度d≈2.35cm,內徑R=47.794cm,圓心角Δα=8.53°,板塊上、下游橫縫寬度控制在1mm左右,底縫寬1mm,縱縫寬0.64mm。拱圈臨底板塊為活動板塊,其底部連接位移傳感器,其它板塊與拱圈固定,以此來模擬單個板塊止水完全破壞、錨筋失效,其四周及底部完全貫通的極端情況。板塊及位移傳感器布置如圖3示。數據采集和分析采用中國水利水電科學研究院水力學所研制的DJ800多功能監測系統進行,采樣時間間隔Δt=(0.0092~0.0186)s,采樣時間T=(75~558.68)s,采樣總點數N=8192~30000。模型流量為0.03482m3/s,相當于原型校核水位下七表孔總泄量的75.3%,為設計洪水位下七表孔總泄量的141.4%。模型水流入水流速達6.25m/s,相當于溪落渡拱壩原型校核水位下表孔水舌入水流速的1.43倍。下游水深38.6cm,換算到原型為65.6m。3單板塊位移理論分析3.1振動位移與板塊位移的關系如圖4所示,反拱底板塊在止水完全破壞、錨筋失效條件下,由于射流水舌沖擊壓強的脈動及其在底板縫隙中的傳播,使板塊在座穴內振動。當板塊位移達到一定高度時,板塊相互“擠壓”在一起,拱開始起作用,使板塊不能繼續上移,這稱為拱的“自鎖作用”,該位移即是板塊不發生強度破壞條件下的最大位移,稱作拱的“自鎖高度”。在板塊振動的過程中,根據板塊振動位移S(t)與板塊最大位移Sm及板塊厚度d之間的關系,將板塊振動分成四個區域:①自由振動區:當S(t)<Sm時,板塊在沖擊射流動水壓力作用下,在其座穴內自由振動。②板塊自鎖區:當板塊位移S(t)=Sm,即板塊位移達到自鎖高度時,振動的底板塊因受到相鄰板塊的軸向力和摩擦力作用,使活動板塊與周圍板塊鎖定,形成拱作用,阻止板塊的出穴,使其保持穩定。③局部變形區:當板塊位移大于自鎖高度后,即Sm<S(t)<d,在上舉力和板塊軸向壓力作用下,可能會產生強度破壞,造成板塊局部變形。④板塊失穩區:若板塊厚度較小,即Sm≥d,或者是板塊在振動過程中產生局部變形,使板塊沿橫向的最大長度小于板塊上表面的弧長,使Sm≥d時,板塊被拔出座穴(即S(t)≥d),產生局部失穩,拱將不能發揮其“自鎖作用”,即破壞了拱圈的整體作用。這種破壞類似于平底板。對于平底板(見圖5),則只有自由振動區和板塊失穩區。板塊在止水破壞,錨筋失效后周圍無其它約束,S(t)<d時在座穴內自由振動;S(t)>d時板塊將出穴、失穩。而對于反拱底板,由于拱的自鎖作用,板塊不會出穴。這是反拱底板優于平底板的最大特點。3.2底板塊的弧長計算如圖6示,設底板塊厚度為d,縱縫寬度為δ0,底板塊內徑為R,圓心角為Δα,通過圖示的幾何關系可得:Sm=(R+d)?LdΔα+2δ0RSm=(R+d)-LdΔα+2δ0R式中Ld為底板塊下表面的弧長。只要反拱體形及縫隙寬度給定,即可計算出板塊最大位移。在上述試驗條件下,單板塊最大位移(即自鎖高度)的理論值為0.89cm。要想使拱發揮自鎖作用,板塊厚度d必須大于板塊自鎖高度Sm,即d>Sm,由此可得Ld?Lu＞2δ0?即d＞2δ0ΔαLd-Lu＞2δ0?即d＞2δ0Δα式中Lu為底板塊上表面的弧長。通過上述分析可知,底板塊發揮拱自鎖作用所需要的最小厚度d＞2δ0Δαd＞2δ0Δα。4單鏈位移試驗的結果4.1上、下游強振區底板塊振動的特征圖7給出反拱底板單板塊位移平均值Sa、最大位移Sm及脈動位移均方根D0.5ss0.5沿程分布曲線。由圖可知,板塊位移的這三個特征量在沖擊區、上下游壁射流區各有一個峰值。根據各特征量峰值的分布狀況,將水墊塘底板劃分為沖擊強振區、上下游強振區和上下游弱振區(見圖7)。從分布形態上分析,沖擊強振區峰形窄,上下游強振區峰形寬,且頂部曲線近似為直線。這說明上下游強振區底板塊鎖定范圍比沖擊強振區鎖定范圍廣。經過資料分析,上游強振區約位于x=-(0.25~0.7)m,下游強振區位于x=(0.4~0.85)m,沖擊強振區位于沖擊區范圍-0.10m<x<(0.08~0.10)m。由底板最大位移分布規律來看,在三個強振區板塊均能自鎖,且自鎖高度近似相等,沖擊強振區和下游強振區板塊位移最大值Sm相等,均為0.91cm,上游強振區Sm=0.85cm,與理論計算值Sm=0.89cm基本吻合。可見,底板塊在各強振區均達到鎖定高度,并通過拱的“自鎖”使其保持穩定。沖擊強振區中,底板塊振動位移的峰值位置不在沖擊點x=0.00m處,而位于x=±(0.04~0.08)m處。當底板塊上游縫口位于沖擊點下游(0.0047~0.0447)m內,或當底板塊下游縫口位于沖擊點上游(0.0047~0.0447)m內,都可能使底板塊的振動位移達到最大,即當沖擊點位于底板塊中心附近時,其上下游相鄰底板塊振動位移最大;當沖擊點位于底板塊橫縫口附近時,縫口相鄰的兩個底板塊,或其中之一的振動位移可能達到最大。Sa和Sm具有相同的分布規律,但前者數值略小。在沖擊強振區和上、下游強振區Sa較大,兩個弱振區Sa小,近似為零。在沖擊強振區Sa存在最大值,最大值兩端Sa隨x迅速衰減;在上、下游強振區Sa在整個區域內變化不大,且與Sm近似相等,這是因為在該區內,板塊發生持續鎖定;在上游強振區的上游與下游強振區的下游Sa驟然減小,且與Sm相差較大,此處為板塊解鎖過程,位移幅值變化較大,位移振波以高頻低幅值為主。由D0.5ss0.5沿的分布曲線可知,D0.5ss0.5有三個峰值,分別分布在上、下游強振區和沖擊強振區,其余近似為零。上、下游強振區D0.5ss0.5峰值相等,均為0.35,沖擊強振區D0.5ss0.5最大值為0.24。在這三個區中,D0.5ss0.5峰值驟然升高,又迅速衰減。D0.5ss0.5值越大,板塊鎖定時間越短,D0.5ss0.5值越小,板塊鎖定時間越長。這說明上、下游強振區底板塊在多數時間為持續鎖定,D0.5ss0.5近似為零,沖擊強振區底板塊鎖定時間較短,而上游強振區的上游邊緣、下游強振區的兩端板塊鎖定時間更短,為瞬時鎖定,D0.5ss0.5值越大,板塊劇烈振動。圖8為平底板塊的振動過程。由圖可知,對相同條件下,平底板位移達到反拱底板Sm后必將發生失穩破壞,而反拱底板則僅開始發揮拱作用,這就是反拱底板穩定性的優越所在。4.2板塊鎖定過程圖9給出了底板塊沿流程典型位置處的振動過程。由圖可以看出板塊運動存在兩種形式:自由振動和鎖定。在弱振區(見圖9(a)、(b))只有自由振動,板塊振動頻率高,位移幅值小,位移未達到鎖定高度。在強振區(見圖9(c)、(d)、(e)、(f)),板塊振動以低頻大幅值為主,同時伴隨著高頻小幅值振動,振動位移都能達到鎖定高度,自由振動和自鎖可能同時存在。通過對板塊鎖定過程分析,板塊自鎖過程有三個階段:啟動過程、板塊自鎖、解鎖過程(見圖10)。在各強振區中,底板塊振動的劇烈程度不同,每一個區的振動都有強有弱,而且都能達到鎖定高度,但底板塊在各區鎖定持續的時間不同。在上下游強振區,底板塊鎖定時間長,沖擊強振區則鎖定時間短。主要原因是在上下游強振區,底板塊上舉力大,隨時間變化較慢,底板塊鎖定持續的時間長;而在沖擊強振區中,底板塊上舉力也能夠達到較大值,但由于是在水舌沖擊區,其值變化快,所以底板塊鎖定持續的時間短,位移幅值變化大,板塊振動劇烈。根據板塊鎖定時間長短可有以下兩種自鎖模式:①持續鎖定:如圖9(c)、(d),x=-0.50m及x=0.48m時,板塊達到鎖定位置后不再回落,一直持續下去,鎖定時間較長。這種鎖定形態多發生在上、下游強振區。②瞬時鎖定:如圖9(e)、(f),x=-0.04m及x=-0.75m板塊振動位移幅值變化較快,板塊突然上升后再突然下降,最大幅值雖已達到鎖定高度,但鎖定持續時間較短。這種鎖定形態多處于沖擊強振區、上游強振區的上游邊界及下游強振區的上下游兩個邊界。4.3低頻和高頻振動圖11(a),(b)和(c)分別給出了底板塊在x=-0.70m,x=-0.04m、x=0.40m處振動位移的譜密度,其中S為底板塊振動位移的譜密度,w為底板塊振動的頻率。由圖11可知,底板塊振動的優勢頻率在0.001~0.05HZ范圍之內,為低頻窄帶振動,而高頻振動對板塊位移幅值貢獻相對較小。比較這三個位置處優勢頻率所對應的譜密度(即主密度),其最小值x=0.40m處,約為3.8cm2/HZ;最大值在x=-0.70m處,約為456.7cm2/HZ;x=-0.04m處的主密度在兩者之間。主密度大小主要取決于底板塊鎖定持續時間長短以及底板塊振幅變化大小。鎖定時間越長,底板塊位移均方根越小,主密度越小;振幅變化越大,主密度越大。這三個典型位置都在強振區,最大振幅基本相等,底板塊都能鎖定,但鎖定時間長短不同。x=0.40m處底板塊長時間鎖定,振幅變化小,其主密度最小;x=-0.70m處板塊鎖定時間短(見圖7),其最大位移和平均位移相差較大,位移幅值變化大,所以其主密度最大;x=-0.04m處,底板塊處于瞬時鎖定的沖擊強振區,鎖定時間及位移幅值變化介于前兩者之間,因此主密度也介于兩者之間。5反拱底板振動特性(1)通過對反拱水墊塘單底板塊振動特性進行理論分析,提出了反拱水墊塘拱圈上振動底板塊最大自由位移公式,給出板塊“自鎖”所需厚度的計算式。(2)根據底板塊自由振動位移和最大位移及板塊厚度之間的關系,對底板塊劃分了