反拱水墊塘單底板塊位移規(guī)律的試驗(yàn)研究

1溪落渡型鋼5.排水無拱混凝土與反拱底板設(shè)計(jì)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(hù)形式。國外首先采用了這種反拱底板結(jié)構(gòu),如:西班牙Susqueda拱壩、南非P.R.Le.Roux拱壩、前蘇聯(lián)Inguri拱壩等。溪落渡巨型水電站擬采用反拱底板。關(guān)于反拱水墊塘的研究,許唯臨曾對其流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,彭新民、練繼建、楊敏、孫建等人則結(jié)合底板的穩(wěn)定性對反拱底板的體型、拱端力荷載、上舉力變化規(guī)律及底板縫隙中動(dòng)水壓強(qiáng)的基本特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,而對于板塊位移的研究甚少,文獻(xiàn)僅見史軍建立了塊體彈簧元數(shù)學(xué)模型,結(jié)合拉西瓦工程計(jì)算了板塊的位移,但并未經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。因此,仍需要進(jìn)一步的研究。本文結(jié)合反拱底板的破壞機(jī)理,采用先進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究,得到了單板塊位移沿程的變化規(guī)律及其時(shí)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(jié)合溪落渡工程,制作了水墊塘精細(xì)物理模型,見圖1、圖2。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),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(gè)角鋼架上,鋼架連同箱體放置在設(shè)有滑輪的軌道上,并在長8.8m范圍內(nèi)沿流程自由移動(dòng),這樣就可以對沿程不同位置處板塊的位移進(jìn)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(dāng)位置取一個(gè)拱圈,拱圈上下游留有橫縫,拱圈由縱縫分割成9個(gè)底板塊。底板塊由內(nèi)部充滿水泥砂漿的弧形有機(jī)玻璃體制作,容重γs=1.687g/cm3,板塊厚度d≈2.35cm,內(nèi)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(dòng)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(gè)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(shù)據(jù)采集和分析采用中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行,采樣時(shí)間間隔Δt=(0.0092~0.0186)s,采樣時(shí)間T=(75~558.68)s,采樣總點(diǎn)數(shù)N=8192~30000。模型流量為0.03482m3/s,相當(dāng)于原型校核水位下七表孔總泄量的75.3%,為設(shè)計(jì)洪水位下七表孔總泄量的141.4%。模型水流入水流速達(dá)6.25m/s,相當(dāng)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(dòng)位移與板塊位移的關(guān)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(qiáng)的脈動(dòng)及其在底板縫隙中的傳播,使板塊在座穴內(nèi)振動(dòng)。當(dāng)板塊位移達(dá)到一定高度時(shí),板塊相互“擠壓”在一起,拱開始起作用,使板塊不能繼續(xù)上移,這稱為拱的“自鎖作用”,該位移即是板塊不發(fā)生強(qiáng)度破壞條件下的最大位移,稱作拱的“自鎖高度”。在板塊振動(dòng)的過程中,根據(jù)板塊振動(dòng)位移S(t)與板塊最大位移Sm及板塊厚度d之間的關(guān)系,將板塊振動(dòng)分成四個(gè)區(qū)域:①自由振動(dòng)區(qū):當(dāng)S(t)<Sm時(shí),板塊在沖擊射流動(dòng)水壓力作用下,在其座穴內(nèi)自由振動(dòng)。②板塊自鎖區(qū):當(dāng)板塊位移S(t)=Sm,即板塊位移達(dá)到自鎖高度時(shí),振動(dòng)的底板塊因受到相鄰板塊的軸向力和摩擦力作用,使活動(dòng)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(wěn)定。③局部變形區(qū):當(dāng)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞,造成板塊局部變形。④板塊失穩(wěn)區(qū):若板塊厚度較小,即Sm≥d,或者是板塊在振動(dòng)過程中產(chǎn)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(shí),板塊被拔出座穴(即S(t)≥d),產(chǎn)生局部失穩(wěn),拱將不能發(fā)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(dòng)區(qū)和板塊失穩(wěn)區(qū)。板塊在止水破壞,錨筋失效后周圍無其它約束,S(t)<d時(shí)在座穴內(nèi)自由振動(dòng);S(t)>d時(shí)板塊將出穴、失穩(wěn)。而對于反拱底板,由于拱的自鎖作用,板塊不會(huì)出穴。這是反拱底板優(yōu)于平底板的最大特點(diǎn)。3.2底板塊的弧長計(jì)算如圖6示,設(shè)底板塊厚度為d,縱縫寬度為δ0,底板塊內(nèi)徑為R,圓心角為Δα,通過圖示的幾何關(guān)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(jì)算出板塊最大位移。在上述試驗(yàn)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(fā)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(fā)揮拱自鎖作用所需要的最小厚度d＞2δ0Δαd＞2δ0Δα。4單鏈位移試驗(yàn)的結(jié)果4.1上、下游強(qiáng)振區(qū)底板塊振動(dòng)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(dòng)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(gè)特征量在沖擊區(qū)、上下游壁射流區(qū)各有一個(gè)峰值。根據(jù)各特征量峰值的分布狀況,將水墊塘底板劃分為沖擊強(qiáng)振區(qū)、上下游強(qiáng)振區(qū)和上下游弱振區(qū)(見圖7)。從分布形態(tài)上分析,沖擊強(qiáng)振區(qū)峰形窄,上下游強(qiáng)振區(qū)峰形寬,且頂部曲線近似為直線。這說明上下游強(qiáng)振區(qū)底板塊鎖定范圍比沖擊強(qiáng)振區(qū)鎖定范圍廣。經(jīng)過資料分析,上游強(qiáng)振區(qū)約位于x=-(0.25~0.7)m,下游強(qiáng)振區(qū)位于x=(0.4~0.85)m,沖擊強(qiáng)振區(qū)位于沖擊區(qū)范圍-0.10m<x<(0.08~0.10)m。由底板最大位移分布規(guī)律來看,在三個(gè)強(qiáng)振區(qū)板塊均能自鎖,且自鎖高度近似相等,沖擊強(qiáng)振區(qū)和下游強(qiáng)振區(qū)板塊位移最大值Sm相等,均為0.91cm,上游強(qiáng)振區(qū)Sm=0.85cm,與理論計(jì)算值Sm=0.89cm基本吻合。可見,底板塊在各強(qiáng)振區(qū)均達(dá)到鎖定高度,并通過拱的“自鎖”使其保持穩(wěn)定。沖擊強(qiáng)振區(qū)中,底板塊振動(dòng)位移的峰值位置不在沖擊點(diǎn)x=0.00m處,而位于x=±(0.04~0.08)m處。當(dāng)?shù)装鍓K上游縫口位于沖擊點(diǎn)下游(0.0047~0.0447)m內(nèi),或當(dāng)?shù)装鍓K下游縫口位于沖擊點(diǎn)上游(0.0047~0.0447)m內(nèi),都可能使底板塊的振動(dòng)位移達(dá)到最大,即當(dāng)沖擊點(diǎn)位于底板塊中心附近時(shí),其上下游相鄰底板塊振動(dòng)位移最大;當(dāng)沖擊點(diǎn)位于底板塊橫縫口附近時(shí),縫口相鄰的兩個(gè)底板塊,或其中之一的振動(dòng)位移可能達(dá)到最大。Sa和Sm具有相同的分布規(guī)律,但前者數(shù)值略小。在沖擊強(qiáng)振區(qū)和上、下游強(qiáng)振區(qū)Sa較大,兩個(gè)弱振區(qū)Sa小,近似為零。在沖擊強(qiáng)振區(qū)Sa存在最大值,最大值兩端Sa隨x迅速衰減;在上、下游強(qiáng)振區(qū)Sa在整個(gè)區(qū)域內(nèi)變化不大,且與Sm近似相等,這是因?yàn)樵谠搮^(qū)內(nèi),板塊發(fā)生持續(xù)鎖定;在上游強(qiáng)振區(qū)的上游與下游強(qiáng)振區(qū)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(gè)峰值,分別分布在上、下游強(qiáng)振區(qū)和沖擊強(qiáng)振區(qū),其余近似為零。上、下游強(qiáng)振區(qū)D0.5ss0.5峰值相等,均為0.35,沖擊強(qiáng)振區(qū)D0.5ss0.5最大值為0.24。在這三個(gè)區(qū)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(shí)間越短,D0.5ss0.5值越小,板塊鎖定時(shí)間越長。這說明上、下游強(qiáng)振區(qū)底板塊在多數(shù)時(shí)間為持續(xù)鎖定,D0.5ss0.5近似為零,沖擊強(qiáng)振區(qū)底板塊鎖定時(shí)間較短,而上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊緣、下游強(qiáng)振區(qū)的兩端板塊鎖定時(shí)間更短,為瞬時(shí)鎖定,D0.5ss0.5值越大,板塊劇烈振動(dòng)。圖8為平底板塊的振動(dòng)過程。由圖可知,對相同條件下,平底板位移達(dá)到反拱底板Sm后必將發(fā)生失穩(wěn)破壞,而反拱底板則僅開始發(fā)揮拱作用,這就是反拱底板穩(wěn)定性的優(yōu)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(dòng)過程。由圖可以看出板塊運(yùn)動(dòng)存在兩種形式:自由振動(dòng)和鎖定。在弱振區(qū)(見圖9(a)、(b))只有自由振動(dòng),板塊振動(dòng)頻率高,位移幅值小,位移未達(dá)到鎖定高度。在強(qiáng)振區(qū)(見圖9(c)、(d)、(e)、(f)),板塊振動(dòng)以低頻大幅值為主,同時(shí)伴隨著高頻小幅值振動(dòng),振動(dòng)位移都能達(dá)到鎖定高度,自由振動(dòng)和自鎖可能同時(shí)存在。通過對板塊鎖定過程分析,板塊自鎖過程有三個(gè)階段:啟動(dòng)過程、板塊自鎖、解鎖過程(見圖10)。在各強(qiáng)振區(qū)中,底板塊振動(dòng)的劇烈程度不同,每一個(gè)區(qū)的振動(dòng)都有強(qiáng)有弱,而且都能達(dá)到鎖定高度,但底板塊在各區(qū)鎖定持續(xù)的時(shí)間不同。在上下游強(qiáng)振區(qū),底板塊鎖定時(shí)間長,沖擊強(qiáng)振區(qū)則鎖定時(shí)間短。主要原因是在上下游強(qiáng)振區(qū),底板塊上舉力大,隨時(shí)間變化較慢,底板塊鎖定持續(xù)的時(shí)間長;而在沖擊強(qiáng)振區(qū)中,底板塊上舉力也能夠達(dá)到較大值,但由于是在水舌沖擊區(qū),其值變化快,所以底板塊鎖定持續(xù)的時(shí)間短,位移幅值變化大,板塊振動(dòng)劇烈。根據(jù)板塊鎖定時(shí)間長短可有以下兩種自鎖模式:①持續(xù)鎖定:如圖9(c)、(d),x=-0.50m及x=0.48m時(shí),板塊達(dá)到鎖定位置后不再回落,一直持續(xù)下去,鎖定時(shí)間較長。這種鎖定形態(tài)多發(fā)生在上、下游強(qiáng)振區(qū)。②瞬時(shí)鎖定:如圖9(e)、(f),x=-0.04m及x=-0.75m板塊振動(dòng)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(dá)到鎖定高度,但鎖定持續(xù)時(shí)間較短。這種鎖定形態(tài)多處于沖擊強(qiáng)振區(qū)、上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界及下游強(qiáng)振區(qū)的上下游兩個(gè)邊界。4.3低頻和高頻振動(dòng)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(dòng)位移的譜密度,其中S為底板塊振動(dòng)位移的譜密度,w為底板塊振動(dòng)的頻率。由圖11可知,底板塊振動(dòng)的優(yōu)勢頻率在0.001~0.05HZ范圍之內(nèi),為低頻窄帶振動(dòng),而高頻振動(dòng)對板塊位移幅值貢獻(xiàn)相對較小。比較這三個(gè)位置處優(yōu)勢頻率所對應(yīng)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(xù)時(shí)間長短以及底板塊振幅變化大小。鎖定時(shí)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(gè)典型位置都在強(qiáng)振區(qū),最大振幅基本相等,底板塊都能鎖定,但鎖定時(shí)間長短不同。x=0.40m處底板塊長時(shí)間鎖定,振幅變化小,其主密度最小;x=-0.70m處板塊鎖定時(shí)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(shí)鎖定的沖擊強(qiáng)振區(qū),鎖定時(shí)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(dòng)特性(1)通過對反拱水墊塘單底板塊振動(dòng)特性進(jìn)行理論分析,提出了反拱水墊塘拱圈上振動(dòng)底板塊最大自由位移公式,給出板塊“自鎖”所需厚度的計(jì)算式。(2)根據(jù)底板塊自由振動(dòng)位移和最大位移及板塊厚度之間的關(guān)系,對底板塊劃分了