（水利水电工程专业论文）水垫塘衬砌结构的破坏模式研究.pdf

中文摘要 近年来，我国拟建和在建的一批具有世界级水平的3 0 0 m 量级高坝，消能问 题十分突出。因此，水垫塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下 的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在。水垫塘防护结构的稳定性是实际工 程所面临的亟待解决的课题，也是国内外学者长期研究的课题之一。目前，水垫 塘底板的形式有两种，一种是复式梯形断面底板( 简称平底板) ；另一种是复式反 拱形断面底板( 简称反拱底板) 。本文以鱼塘、五强溪水垫塘为背景，通过数值分 析方法研究了平底板的上浮、倾覆破坏以及新的破坏形式板块断裂。以拉西瓦 拱坝坝后新体型的反拱水垫塘为背景，通过数值分析方法研究了反拱底板的整体 稳定性、局部稳定性以及泄洪期间的动力响应等。主要成果有： ( 1 ) 对混凝土材料模型进行改进，采用a d i n a 中的c o n c r e t e 材料，结 合各种破坏准则，自定义混凝土破坏曲线，从而计算出平底板的断裂过程。 ( 2 ) 对各条件下平底板的破坏模式分析。得出钢筋锚固量一定时，平底板断 裂、倾覆或上浮破坏趋势的板厚界线，以及各边界条件下，底板失稳时板厚一荷 载关系。板厚一定时，计算出平底板断裂、倾覆或上浮破坏趋势的钢筋锚固量界 线，以及各边界条件下，底板失稳时钢筋锚固量一荷载大小关系。 ( 3 ) 水垫塘反拱底板的整体稳定性就是整个拱圈的稳定性，主要取决于拱 座。而拱座的稳定性由拱端推力水平控制，本文在以往研究的基础上，进一步研 究拱端推力的影响因素，比如板块的形式。通过数值模拟边缘板块、内部板块失 稳形态以及失稳条件( 荷载、板块形式) ，分析出板块有键槽水垫塘反拱底板的 稳定性更好。 ( 4 ) 依据模型实测上举力结果，对反拱底板的动力响应进行了研究计算，计 算结果与模型实测结果吻合良好；并分析出板厚、板块形式、板块大小对动力响 应分析条件下的拱端推力、板块拱座位移的影响。 关键词：平底板断裂反拱底板整体稳定性局部稳定性 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，ab a t c ho fh i g hd a m so f3 0 0 m l e v e li su n d e rc o n s t r u c t i o ni nc h i n a ， a n dt h ep r o b l e mo fe n e r g yd i s s i p a t i o ni sc r i t i c a la n dp r o m i n e n t n es a f e t yo fp l u n g e p o o lw h i c hi st h ep r o t e c t i n gs t r u c t u r eo fl o w e rr e a c h i n gb e di st h ek e yt os u c c e s so r f a i l u r eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n s ot h es t a b i l i t yo fl i n i n gs t r u c t u r ei nt h ep l u n g ep o o ln o t o n l yi so n ep r o b l e mt h a tn e e d st ob es o l v e di np r a c t i c eb u ta l s oo n eo ft h es u b j e c t s t h a tm a n yr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e df o ry e a r s 。a t p r e s e n t ，t h es h a p eo fp l t m g ep o o lh a s t w ot y p e s o n ei st r a p e z i u ms e c t i o ns l a bt h a ti sc a l l e df l a ts l a bf o rs h o r t ；t h eo t h e ri s t h ei n v e r t e d - a r c hs l a b 。b a s e do i lt h e p l u n g ep o o lf o ry u t a n ga n dw u q i a n g x i ，t h ep a p e r s t u d i e st h eb r e a k a g em o d e so ff i a ts l a bs u c ha sf l o a t i n gu p ，o v e r t u r na n d r u p t u r eo f t h e n e wb r e a k a g em o d et h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s 。a n db a s e do nt h ep l u n g e p o o lw i t hn e wi n v e r t e d - a r c ht y p ef o rl a x i w aa r c hd a m , t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e g r a l s t a b i l i t y ，t h el o c a ls t a b i l i t yo fi n v e r t e d - a r c hs l a b sa n dt h ed y n a m i cr e s p o n s ei nt h e p e r i o do ff l o o dd i s c h a r g et h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d 弧em a i nh a r v e s t so f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d ea sf o l l o w s ： 1 ) i ti m p r o v e sc o n c r e t em a t e r i a lm o d e lt h r o u g hu s i n gc o n c r e t em a t e r i a lo fa d i n a a n di n t e g r a t i n gw i t ht y p e so f r u p t u r er o l ei no r d e rt od e f i n ec o n c r e t er u p t u r ec u r v e s o i tw o r k so u tt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fr r u p t u r e 。 ( 2 ) i ta n a l y s e st h eb r e a k a g em o d eo ff l a ts l a bi na n yc o n d i t i o n 。w h e nq u a n t i t yo f r e i n f o r c i n gs t e e lb a ri sc o n s t a n t ，i tc o n c l u d e st h eb o r d e r l i n eo ft h r e eb r e a k a g em o d eo f f l a ts l a b 一- r u p t u r ea n do v e r t u r no rf l o a t i n gu p 遮s l a bt h i c k a n di te d u c e dt h e b o r d e r l i n eo ft h r e eb r e a k a g em o d eo ff l a ts l a b r u p t u r ea n do v e r t u r no rf l o a t i n gu pi i l q u a n t i t yo fr e i n f o r c i n gs t e e lb a r , w h e nt h es l a bt h i c ki sc o n s t a n t 。 ( 3 ) 瓢ei n t e g r a ls t a b i l i t yo fp l u n g ep o o lw i t hi n v e r t e d a r c ht y p ei sj u s tt h es t a b i l i t y o ft h ew h o l ea r c hr i n g ，a n dm a i n l yd u et oa r c hs u p p o r t o t h e r w i s e ，t h es t a b i l i t yo fa r c h s u p p o r ti sc o n t r o l l e db ya r c ha b u t m e n tt h r u s t 。确i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c i n g f a c t o ro fa r c ha b u t m e n tt h r u s tf a t h e r l y ，l i k et h ef o r m so fs l a b sa n d 1 1 1 es t a b i l i t yo f i n v e r t e d - a r c hs l a bw i t hk e y w a yi sb e t t e rb ya n a l y z i n gt h eu n s t a b i l i t yf o r m sa n d c o n d i t i o n so f p l a t ei nn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ( 4 ) t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ed y n a m i cr e s p o n s eo fi n v e r t e d a r c hs l a b st h r o u g h u p l i f to fa c t u a lm e a s u r e m e n ti nh y d r a u l i ce l a s t i cm o d e l 。强er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e n u m c r i c a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s i nt h ee n d , t h i sp 印e r a n a l y z e st h ei n f l u e n c ef a c t o rw h i c hi st h et h i c k , t h ef o r m , a n dt h es i z eo fs l a b si na a r c hr i n g ，t oa r c ha b u t m e n tt h r u s t ，d i s p l a c e m e n to fs l a b si naa r c hr i n ga n ds k e w b a c k k e yw o r d s ：f l a ts l a b ，r e p u t u r e ，i n v e r t e d a r c hs l a b ，i n t e g r a ls t a b i l i t y ， l o c a ls t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：享1 辜绦 签字日期： d 1 年厂月7 面 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参1 喜殊 导师签名： 签字日期： 1 年多月刁阳 舶l 签字日期：夕年，月夕日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 建国以来，我国水电事业取得了举世瞩目的成就。三峡、小浪底和二滩等大 型水利枢纽工程在很多方面成功地解决了一系列技术难题，科技进步日新月异， 为大规模的水利枢纽工程建设提供了强有力的支撑。目前，世界上修建的高拱坝 日益增多。我国拟建和在建的高拱坝，坝体高度已达到或超过3 0 0 m 量级，如雅 砻江锦屏一级双曲拱坝等。因而由坝高和泄洪功率增大而产生的泄洪消能问题十 分突出。 我国创造和发展了许多新型的消能设施，如收缩式窄缝和宽尾墩、大差动齿 坎以及坝顶分流齿等，并积累了较丰富的研究成果，已逐步形成一套较为合理、 经济的泄洪消能设计方法。在泄洪消能方案的选择和布置方面，提出了“分散泄 洪，分区消能，按需防护”的综合治理措施，在坝身泄洪方面采用了“分层多孔， 上下差动，水流撞击”的布置形式。但是坝身泄洪时，高速下泄水流携带的巨大 能量直接作用在坝址附近的河床内，尽管采用一些消能设施，但是河床的冲刷是 不可避免的。如果不对河床加以保护，势必产生严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍 塌，危及大坝安全，如赞比亚的卡里巴拱坝【1 】运行数年后，河床的冲刷深度超过 7 0 m ，严重威胁大坝的安全，以至于不得不进行加固。 水垫塘是近年来发展的一种新型消能工，即将坝脚以下一段河床用混凝土防 护，并在适当位置设置二道坝，形成水垫塘，达到消能和防冲的目的。水垫塘底 板作为防护下游河床的结构，其自身在高速水流冲击下的安全关系到能否有效保 护河床，因此水垫塘底板的稳定问题是实现消能和防冲目的的关键所在。目前， 水垫塘底板的形式有两种，一种是复式梯形断面底板( 简称平底板) ，另一种是 复式反拱形断面底板( 简称反拱底板) 。平底板依靠底板自重和锚固钢筋来保持 底板的稳定，设计时主要考虑正常运行和检修放空两种不利工况，均以浮升失稳 为控制标准。其计算理论比较成熟，为大多数工程所采用，如：二滩、五强溪、 鱼塘的水垫塘等。反拱形水垫塘是利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形，利 用拱形结构的力学特性，将射流冲击荷载传递到两岸山体或拱座，充分发挥混凝 土的抗压特性和拱结构的超载能力，提高了底板的整体和局部稳定性。根据已有 研究成果，反拱形底板的稳定性大大优于平底板，在相同运行工况下，反拱形底 第一章缝论 板安全系数可达平底板2 3 倍 2 1 。反拱形式的底板在国外首先得到应用，如： 格鲁吉亚的英古里拱坝和西班牙的苏斯盖达拱坝水垫塘，我国强前建成的唯一反 拱形水垫塘是2 0 0 1 年完正、坝高8 1 6 m 的湖南省凤凰县长潭岗水电站水垫塘。 隧内外因底扳失事露造成建筑物不能正常运营的工程事铡屡觅不鲜。著名的 前苏联萨扬一舒申斯克水电站2 4 0 m 高的重力拱坝，其消力池【3 】是当今世界最高 水平的底流消能工，它的消力池底板曾两度遭到破坏。巨大的水动力穗载将近 8 m 厚底板掀起，引起了正程界和学术界的震惊。我国的五强溪水电站消力池在 泄洪时，3 m 厚底板被大面积掀起且基岩冲深近4 0 m 。鱼塘水垫塘在泄洪时， 2 m - - 4 m 厚底板被大面积掀起破坏的同时并伴有底板断裂的情况。因此在研究以 往平底板浮升、倾覆破坏模式的前提下，有必要研究平底板断裂的条件，三种破 坏形式发生的可能情况。 国内外专家和学者曾对反拱形底板这一新的结构形式进行过一些研究，探讨 了底板块在射流冲击荷载作用下的失稳机理剩稳定模式，建立了一些判断失稳的 条件。但是，在反拱底板的稳定性问题上研究得还不够深入，不够全面。反摸底 板的稳定性包括整体稳定性和局部稳定性，在整体稳定性的影响因素研究上还不 够系统，比絮拱端推力影响因素和摸菰裂缝影响因素等，其中后者也是臻前工程 界一直关心的问题，还没有得到解决；在局部稳定性的研究上，以往研究通过建 立板块失稳的极限平衡条件给出板块的抗浮稳定安全系数，恧建立的板块失稳模 式与板块实际受力条件不相符，不能很好的反映反拱底板的物理本构。再者，反 拱底板在泄洪期间的动力响应特性研究上资料也比较缺乏。基于这些问题，本文 以黄河上游拉巍瓦拱坝坝后反拱形承垫塘为研究背景对反拱赢扳的稳定性进行 了系统的研究，得出一些有价值的结论，可供工程设计参考。 1 2 前人研究成果 水垫塘底板稳定性问题是一个流固相甄作用的问题，涉及到流体力学、固体 力学、随机振动等多种学科，从目前的研究现状看，前人通过理论分析、模型试 验和原型观测等对乎底板的研究工作傲的较多，反拱底板计算理论还不够成熟， 仍有很多问题有待解决，目前仍处于探索阶段。现将前人对水垫塘内水流荷载特 性和水垫塘的消缝机理、水垫塘底板稳定性磷究现状等闻题的研究成果归纳如 下： l 。2 。薹水垫塘内；拳击射流的荷载特性 泄洪时，射流达到底板时，尚有一定的流速，它所挟带的动能一部分转化为 第一章缀论 压能，即对底板的冲击压强，对底板的稳定性将产生影响。研究底板上荷载特征 时，一般将动水压强分时均压强和脉动压强两部分来考虑。面盥可归纳为水垫塘 底板上的上举力研究。 时均垂强 时均动水压强大小与水舌入水宽度、水垫深度、上下游水位差、水舌入水角 度和下泄流量等因素有关。在冲击区肉边壁的时均动水压强最大，远高于下游水 位对底板的水压力。在壁射流区时均压强最小，小于下游水位对底板的水压力。 在边壁上时均动承压强由最大点 冲击滞点) 向上下游鹾侧迅速下降，压力梯度很 大。随着下游水位的增加，时均压强最大值向两侧降落的梯度减小。国内外许多 学者通过研究分析给出了不少计算冲击压强、最大时均压强差p 雠一p 嘲以及时 均压强分布的经验公式( 设滞点处最大时均溢强为罗一，底壁面上的最小时均压 强为k ) 。如果计水垫深度为h ，则冲击服强卸m 的公式为；卸m = k 一加。 各家经验公式懿下： 许多鸣等【4 】 五乓h ：。4 7 5 寥一蜊 ml，；2 、7 二绝：p - o 6 9 3 玩v j ( 1 - 2 ) p 一p 舳 式中= 乏二三： 魂、乏为滞点左右2 最大压强处。 崔广涛等5 】【6 】 哦= 1 2 旷万q 2 z 式中z 、q 、妒分别为上f 游水位差、入水单宽流量、流速系数。 国际大坝会议水力学委员会【7 】 瓴：7 粥要争 二苦，o 式中为有效水垫深度。 练继建【8 】 | 如一瓦兆彤；观6 2 5 ( h a o ) - 蚴2 1 5 一一万蛐。疙肛；= 0 9 4 9 e - 。 。r 3 t ( h a * ) 2 s i n 2b ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 第一章绪论 矗p - p m i n - - e - 2 0 o z z 。, z = 跆i i 夕i i n ? c o , _ y ：。 尹躲一p m 迅 尹 v 式中为射流扩散不对称系数。 黄静旁等翻 = c 砑q o s h 町o 2 5 2 9 h r 3 ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 式中c 是与单宽流量、流速系数、水舌入水角、扩散系数有关的系数，由实验 蓊定。 e r v i n ed a 【l 霹 望：p 吨( 爿 峰m ( 1 - 8 ) 出于冲击压强对永垫塘底板稳定性影响较大，它与冲击压强范围的比值包含 了压强分布的同时，氇给出了压强梯度的蔫息，因就目前工糕界仍选择永垫塘底 板的动水冲击压强作为水垫塘稳定设计的个控制指标。 脉魂糕强 通过前人研究 1 h s 】得如结论；1 ) 冲击区底壁上的脉动压强基本上符合正态 概率分布。水流脉动压力主要是出低频大尺度裰关结构季| 起的，属于低频赫动， 脉动压强的能鬣主要集中于o - , 1 5 h z 。2 ) 冲击射流的点脉动压强很大，可以达到 全永头翡量缀。最大熬动燕强差焉黜2f 鑫一遮竟可达到0 。4 棚。5 倍麴上下游水 位差。但随下游水垫深度h 的增大，与最大时均压强差褶似均急剧衰减，并 且脉动压强的分布沿底壁匾趋向均化。有关脉动压强的研究成果如下： 崔广涛f 醛】逶过分橱实验资料，给出的酶推荐式秀 k = 【3 4 p 。 ( 1 9 ) 式串= 露为脉动压强的最大均方根值。 数，即 巷，= ；，鑫。，h ，南 一般认鸯为下烈各变量的函 ( 1 - 1 0 ) 经量纲分析后，可写成为 ，兰黜2 = ， m m 许多鸣等网拦多= 4 0 。一5 0 。之闼给出的实验结果必 第一章绪论 1 2 i 伽 崔广涛例在夕= 6 0 。6 5 。之间给出的结果为 畦1 2 挪6 十脱6 5 鲫 林继镛等【1 q 以融3 9 6 十溉5 l 1 4 以知十麟5 1 4 卜夕 刘漳清切 p ，三。2 = ( o 4 8 s i n 2f l + 0 0 2 5 ) e x p 一。3 ( 去) 2 f l - 1 2 ) ( 1 1 3 ) 水垫塘底板上举力研究 底板块闻的缝隙止水设花破坏后，底板块表瑟的动水压强会贯入底扳缝隙孛。 与扬压力和渗透压力一起形成缝隙动水压力，从而形成作用在底板上下表面的动 水压力，二者之差称为上举力。通过实验研究和理论分析，研究者得出计算公式。 对工程实际有很大的指导意义。有关上举力的研究成果如下： 杨敏【1 8 1 通过模型试验得出上举力符合正态分布的特征，并给出最大上举力的 预测公式 等_ 2j 菇_ 0 0 7 5 ( 1 1 7 ) 式中y 的单位取9 8 k n m 3 ，五一为最大上举力，h 为上、下游水位差，曩为 水垫塘水深，牙为入水单宽流量。k 是反映水舌入水条件的综合性参数。表孔单 独集中泄洪k 一1 0 ，表孔单独分层泄洪k 黼o 6 ，表孔、中孔分层对冲k = o 7 ， 中孔单独分层泄洪k - - 0 6 5 ，中孔单独窄缝泄洪k - - 0 4 0 。 土式适用于单个板块面积1 0 0 m 2 1 4 0 m 2 ，单宽流量g = 4 0 - - 一3 4 0 m 2 s ，上下 游水位差1 5 0 - - 2 4 0 m ，水垫塘水深1 1 , = 3 0 ，- - 8 0 m 。 刘沛清【1 9 】基于瞬变流模型，给也了脉动上举力最大值的预报公式： 钟 嚣 回 0 0 o o 0 第一章绪论 等= k p 拗吾 其中，爿一：单位面积上的最大上举力； y ：水的容重；：射流入水角度； k 。) = 4 0 1 s i n 2 夕+ 8 8 5 ，水谮系数； 群：上、下游水位差；绝：水垫深度； 口，：与脉动压强有关的比例常数，一 般取1 0 8 ； t ：脉动压强积分尺度，一般上，杖三，1 l ：板块尺度。 兰。2 。2 水垫塘消襞枕理 l 一1 8 ) 图1 1 淹没冲蠢射流分区 水垫塘是为下泄水流提供消能的场所。挑跌水流落入下游水垫塘后，具有相 当大的机械能( 动能) 帮瓣河床底部的冲击力。为了避免了下潼的高速射流对河底 的冲刷破坏，要求坝下游水垫有足够的深度和体积，以消刹下泄集中射流的能量， 并遥过射流在水垫塘内的充分扩教，减轻黠河床底郝的冲壶力f 包括器强和流 速) 。 水垫塘中射流属于冲击射流范畴。按冲击处有无水垫，分为自由冲击射流和 淹没冲击射流两大类。一般水垫墉中总是有水垫存在，因而逶常是淹没冲击射流。 根据紊动射流理论【2 0 1 ，射流在发展过程中分为三个区域，如图1 1 所示，i 区： 自由射流区，主流近似直线扩散，一般扩散角比空气孛的射流大，并由予卷吸的 作用，在主流区两侧各形成一旋滚区；i i 区：冲击区，主流受到壁面的折冲，流 线弯曲，流速迅速减小，主流转向，流速梯度转变为压强梯度，压强急剧增大， 在某一点处流速降为零，边壁冲击压强达到最大值，这一点称为滞点。冲击压强 由滞点向上下游两侧递减，直至为零；i 区：壁面射流区，主流贴壁射出，随下 游水深的不同，其流态类似于不露性质的水跃。水垫塘中渖毒射流到达底部，动 能转化为压能而对底板产生冲击压强。对于水垫塘底板来说，i i 区、区是防护 重点郝位。 水垫塘消能机理与塘内的流动结构密切相关。从宏观的整体结构( 大尺度结 构) 来看，水垫塘的基本流动结构为主流与漩涡区的混合结构。其中，在主流与 漩涡区之阉的交界区域是一层强紊动剪切魇区，在该送内主流通过强紊动剪切和 扩散作用使其有效机械能( 动能) 不断地被消刹，因此该区域是射流有效机械能消 第一章绪论 刹的主区域。由交界面区域所消刹的主流动能，一部分传递给紊流区，用于生成 紊动涡体，维持紊流脉动，同时因主流区速度分布的不均匀性和流线的弯睦、变 形过程，这些紊动涡体不断地被拉伸，压缩、扭曲、分裂与破碎，大尺度的涡体 不断地分裂成小尺度的涡体，能量逐渐地由大尺度涡传给小尺度涡，直到菜一级 小尺度涡把传来的能量通过粘性而耗散( 紊动耗散) ；部分传递给宏观漩涡区， 以维持大尺度漩涡的转动；还有一部分是在能量的传递过程中因时均速度梯度而 引起的粘性耗散。一般而言，在上述主流机械能的传递、再分配和消能过程中， 紊流脉动所提取的能量( 一部分维持紊流运动，一部分被紊流耗散) 最多，其次是 射流两铡的主漩涡区所吸收的链量，愿壹爵均剪切作用所消教的能量最d , t 2 玎。 射流在水垫塘内的流动结构和特征虽然较为复杂，但宏观上可看作为淹没冲 击射流、淹没水跃和混合流态，水垫塘的消能机理实质上类似于淹没射流和水跃 的消能机理。高速射流进入水垫塘后，由予卷吸的作用，使两侧部分水体也加入 主流，并在两侧形成旋滚区，主流流量沿程增加；又由于下面水体的顶托作用， 使主流流速沿稷衰减。这样，主流在沿程变化的过程中不断发生能量传递、再分 配和耗散，主流的时均动能通过强紊动剪切和扩散作用不断地传递给紊流脉动 ( 用以紊动生成耩紊动耗敖) 彝壤蠹大尺度涡旋区( 以维持这些大尺度涡旋区的转 动) ，同时在这种能量的传递、再分配过程中伴随因时均剪切作用引起的粘性耗 散，达到射流消能效果，减轻对河床底部的冲刷。一般面言，对于挑跌流水垫塘 消能型式，单使体积消能率1 1 1 5 g 图i - 6 断裂时霹熊受力示意 提出了岩块的超动条件为： ( 1 - 1 9 ) 第一章绪论 崔莉、张廷芳【2 6 】通过量测护坦板失稳前的动力加速度值，提出了动力失稳控 制准则： 辟一p 上急1 3 g ( 1 2 0 ) 乓、耳为岩块土下表面所受的荷载，差值酃上举力，g 为岩块抗力( 自重) 。 郭航忠等【2 7 】在研究板块稳定的安全水垫深度时，通过试验得出板块稳定时的 上举力与抗力的关系： k 2 5 1 f ( 1 - 2 1 ) 其中r 嫩为上举力的最大值，为板块的抗力( 浮重) 。公式表蔼上与前两个人不 同，如果将浮重换算到囱重，那么系数便是1 4 6 ，实质上是一样的。 多位学者在静力失稳方面也做了大量的研究工作。崔广涛【1 3 】由试验得出块体 表、底脉动压力的楣位不致，脉动强度相差不大以及振幅分布基本符会歪态分 布特性，故认为块体表面的脉动压力最大振幅可以表征块体表、底面的瞬时上举 力，同时给出了稳定条件式。林继镛等婆司由试验得出水舌跌落区上下表露压力大 致相等，脉动压力具有正态分布特性。引入静力稳定模型，分析了平底板稳定问 题。 另外，刘沛清、侯建豳鏊刃利用随机振动理论详细地分析了高坝下游水垫塘底 板的失稳破坏机理和板块起动过程，建立了板块振动过程和脉动上举力之间的统 计关系。刘漳清等【掳1 通过试验得出促使板块照穴的主要动力是脉动主举力或脉动 压力的低频、大振幅分量，而高频大振幅的脉冲荷载对板块间止水的破坏、锚筋 的松动等起控制作用。并用随机振动理论分析了板块失稳前的振动，推导了以板 块出穴为控制条件的临界稳定计算公式。杨敏等f 3 0 1 对底板稳定性试验仿真模拟进 行了研究，阐述了底板块的水动力和结构动力相似性以及边界条件相似的模拟方 法。 u 反拱底板失稳机理 反拱形水垫塘是一种薪型的水垫塘 底衬砌方式。典型的反拱水垫塘横剖面 如图1 7 所示。它利用拱结构的力学特 征将荷载( 上举力) 传递到两岸由体或拱 座，充分利用混凝土的抗压性能和拱结 构的超载能力。 与平底板不同，反拱底板可能发生 两种失稳形式，即整体失稳和局部失稳。 整体失稳是指反拱形底板在水动力荷载 作用下形成拱圈整体上抬时，形成“整体 图1 7 反拱承垫塘横剡面 筹一章绪论 拱”，其稳定条件由平底板的单块受力控制转变为整体受力控制，这就增强了反 拱形底板的整体稳定性。但是如聚传到拱庭的拱端摊力超过拱座所能承受的藏 力，拱座便会被抬起，板块发生失稳，称为整体失稳，拱圈受力如图1 8 所示。 反拱底板在水动力荷载作用下形成整体上捻对，并不一定是每个块体都承受向上 的上举力。拱圈上某些块体也可能受到的方向向下的水动力荷载，但是单块板块 没有失稳，且拱端产生的推力足以导致拱座的破坏，也是整体失稳。 反拱底板不是任何时候都能形成“整体拱”的作用，在形成“拱”的作用时，反 拱底板加强了水垫塘底板的整体性。在不是“整体拱”时，反拱底板相邻板块间可 以通过“蘧视拱”作用增强稳定性。 局部失稳是指当反拱形底板在随机水动力荷载作用下，部分块体“上抬”、部 分块体“下压”，“下压”的块体成为“上抬”块体的“拱座”，即块与块之阆形成“随机 拱”，拱圈受力如图i - 9 所示。当板块a 承受的上举力超过其囟身抗力一定值时， 相邻板块沿建基面向两侧滑移，板块a 出穴破坏，形成局部失稳。在随机荷载 作用下，反摸形底板块体闻可能在不同时刻互为“拱寝”，块体的稳定性主要依靠 块体的浮重、锚固力以及与相邻板块产生的附加摩擦力来决定，单个板块失稳前 受力如图1 1 0 艨示。同时链圈钢筋於馋用表觋更好，因为对予平底板，锚固力 只能为自身提供抵抗“上抬”的作用；而对于反拱形底板，锚固力不但能为自身块 体提供抵抗“上抬”的作用，还能通过“抗剪”作用为相邻块体提供“拱座”抗力。 图1 - 8 整体失稳模式 图l 一9 局部失稳模式图1 1 0 任意板块受力分析 反摸底板的理论还处于探索阶段。张春豺、孙建【3 l 】对反拱水垫塘的单底板块 振动进行了理论分析，提出了单底板块自由振动的最大位移公式，提出单板块振 动沿程分为强振区和弱振区。练继建等3 2 1 针对反拱底板的结构受力特点，提出了 “随机拱”分析模型，对反拱形水垫塘底板结构局部和整体的稳定性进行了定量分 析。 第一章绪论 水垫塘稳定计算模式 倒梯形和反拱形水垫塘在稳定计算模式中考虑的因素统一，一是荷载，二是 结构本身的抗力( 抵抗破坏的能力) 。荷载取决于水垫塘运行的王况，水垫塘稳定 性设计或计算中，一般考虑两种不利工况：正常运行和检修放空工况，并戮止承 和排水的完好状况作为计算条件。都是以最不利荷载状况作为稳定的设计和评价 的标准。水垫塘正常运行中通常考虑的最不利情况是止水破坏盟排水失效，蘧检 修放空工况下则是以止水完好且排水失效作为稳定控制条件。对于平底板和反拱 底板两种不同的底板形式，已有研究表明：反拱形底板和平底板的最大上举力基 本相同l 滔】。而检修工况下的扬压力又取决于水头差、渗流折减系数等，匆底板形 式无关。所以对于平底板和反拱底板的稳定计算模式中的荷载因素是相同的，不 同的是抗力因素，下瑟分别加以余绥。 i 平底板 平底板的抗力等于单个板块浮重与锚固钢筋力的合力。泄洪期间，当板块受 到的荷载( 上举力) 超过板块自身抗力一定值时，板块便发生动力失稳破坏；检修 放空期间，当板块受到的荷载( 扬压力) 超过板块自身抗力时，板块便发生静力( 浮 升) 失稳破坏。 对于平底板失稳模式( 抗浮) 比较清楚，规范中也有相应的计算方法可供遵 循。根据“溢洪道设计规范”s d j 3 4 l - - 8 9 ，水垫塘底板的稳定性设计可由最不剩运 行工况下板块的受力分析给出，以下简要说明各种不利运行工况下水垫塘底板的 稳定性计算模式： 水垫塘正常运行工凝：一般假定水垫塘底板止水未破坏，健排水失效。在板 块的受力分析时，考虑的力有：板块的自重g ，钢筋的锚固力，月，板块下的扬 压力和渗透压力疋，底扳块闽的咬合力a r ( 薄擦力，其数值较小可予忽略) ；板块 上由太尺度紊流压力脉动引起的动水压力p ( 动水服力为板块顶面上的瞬时压 力，包括时均压力和脉动压力) ，如图1 1l a 赝示，板块的稳定性条件为： p + g + 疋一只0 将式( 1 - 4 ) 规范化为： 髟= 半 ( 1 - 2 2 ) ( 1 2 3 ) 其中，k ，为安全系数，对于设计工况取1 2 ，校核工况取1 0 。 水垫塘检修工况：认为水垫塘底板止水未被破坏，但排水失效。板块的受力 有：板块的重力g ，钢筋的锚固力瓦，板块底面上的扬压力和渗透压力，如 图1 1 l b 所示。此工况下，下游尾水位取水垫塘下游最低尾水位。 第一牵绪论 这种工况下，板块的稳定性条件为： 土尸 卫 f r ，或 a 诈常云行丫汛 卫 kf 。 童冗 b 检修工况 ( 1 2 4 ) 气f 一 卫 kf 。 主只 l ，曲 cl 卜水破坏下运行时 图1 n 不同工况下，底板块受力分析 ( 1 - 2 5 ) 板块止水破坏后水垫塘运行工况：近年来，倒梯形水垫塘板块失事多数是由 于板块间止水破坏。底板块问的缝隙止水设施遭到破坏，底板块表面的动水压强 会贯入底板缝隙孛，与扬压力和渗透压力一起形成缝隙动水压力，再通过接缝处 进入板块底面缝隙层中迅速传播开来，引起板块上作用着强大的脉动上举力，导 致板块揭底破坏。故对于高拱坝下游水垫塘，底板受到强烈的射流冲击和脉动压 力的作用，特别是底板上脉动压力变化楣当尉烈，造成板块闻止水破坏的可能性 是不能忽视的。在设计时必须考虑板块止水破坏后，水垫塘的运行工况( 作为校 核) 。这样止承溷摊东一样作为底板稳定的安全储备。对于这种工猛，谭假定永 垫塘在板块止水破坏、排水失效下运行。此时，板块的受力主要有：板块自重g ， 钢筋的锚固力，板块下的渗透压力，。( 瞧于止水破坏，无浮托力，但考虑到 止水破坏对渗透压力起减小的作用，渗流折减系数搿要小于止水未破坏时的取 值) ，由板块顶、底面时均压力引起的压差( 近似用静水浮力，s b 表示) ，由脉动 压力在板块底瑟缝隙层中传播引起的可畿最大脉动上举力，燃，黧图1 1 1 c 掰 示。根据板块的受力分析，板块的稳定性条件为： g + 疋一e 疋一f 一0 ( 1 - 2 6 ) 引入安全系数k ，( 可取1 0 ) ，上式可写为： 鬈f ：7 辫 l - 2 7 ) 3 f ；+ f 电 t 僦 、一 以上是平底板水垫塘较成熟的稳定计算模式，目前还没有针对其断裂破坏的 稳定计算模式，关键是荷载的确定。影响稳载的因素很多，诸如流量、水头、承 垫深度、入水条件( 包括入射角度、掺气程度、水舌集中度等) 、板块的尺度等， 第一章绪论 因而很难作出准确的计算。关于冲击射流对底板冲击荷载的确定，一般是通过模 型试验得到。 反拱底板 爱拱底板稳定计算发展过程审，在处理板块间麴联结方式上，有的视板块阆 为无铰拱、两铰拱、三铰拱、甚至多铰拱联结，梁勇等在研究反拱底板等效荷载 时将板块闻视为三铰拱联结，孙建等在研究拱端极限推力时将板块问视三铰拱联 结；有的视板块间为接触关系，杨令强l 蚓曾和用接触元处理底板与底板、底板与 基岩间的接触，弹簧单元模拟板块与基岩之间的锚固钢筋，建立了二维接触有限 元分析模型，符晓【弘】建立了三维菲线性接触有限元分析模型，对底板的受力过程 进行了仿真模拟计算，取得了良好的效果：还有的将板块间按其他方式联结，史 军【3 6 】利用块体一弹簧元理论，建立了反拱形底板昀块俸一弹簧无分析模型，并进 行了计算。 针对反拱底板整体失稳和局部失稳两种失稳模式。多位学者【2 2 2 7 】通过理 论分析和模型试验进行了研究。 1 ) 对反拱形底板的整体稳定性得出相同的结论：反拱底板的整体稳定性依 赖于拱座的整体稳定，露反拱形水垫塘的稳定性取决于拱匿稳定，蔼拱圈稳定取 决于拱座稳定。孙建掣3 8 】通过反拱形水垫塘底板的稳定机理和拱端推力影响因素 的分析，提出了反拱形水垫塘拱座满足整体抗滑稳定要求，推力满足拱座岩体强 度要求，以及反拱形截面满足混凝土强度要求。只要能保证拱座稳定性，拱圈又 能保持整体性，反拱形底板就是稳定的。可见，反拱底板的整体稳定最终归结为 拱座的稳定。刘沛清瞄】通过对拱座得受力分析建立了拱座稳定性条件，摸座受力 分析如图1 1 2 所示。拱座所受的力有：拱座的水下重力u m ( 设拱座在水中的体 积为y m ，拱座的水下重量为蛾。( 芦c 一 m ) ，拱座的锚筋力，翩，拱座上方边 坡传给拱座的下压力f p ，由反拱传给拱座的反力】，和日，拱座和基岩之间的摩 擦力7 彤( ，7 为摩擦系数，碧0 3 u 7 ) ，拱座的稳定性条件要求： + ，k + 瓯+ 譬醪一y 0 ( 1 2 8 ) 引入安全系数k i ；，并将上式写成规范形式： = 尘半 练继建等【3 2 j 基于“随机拱”， 到了反拱整体稳定安全系数： ( 1 - 2 9 ) 通过受力平衡分析得 l 1磁 j l y 一i 一_ _ _ h 鬈：- n o ( 1 - 3 0 ) 刚2 拱座受蚧析 。 2 ) 对反拱形底板的局部稳定性，崔广涛等2 1 根据板块受力平衡条件推导出 第一章绪论 反拱底板拱顼块稳定安全系数表达式： k 。o = 抗力一g 。+ 2 n o ( s i n + f c o s f l ) 上举力 l 。 ( 1 3 1 ) 式中：瓯为浮重，纸为轴向力，厶为上举力，厂摩擦系数。 练继建等【3 2 】结合某高拱坝水垫塘反拱底板稳定性研究，采用平底板抗浮定性 的分析模式，建立简单的力学模型，同时进行相应的模型试验，对反拱形底板的 局部稳定性进行了计算与分析。认为整个拱豳板块不能形成拱作用时，边缘底板 块最危险；底板块形成拱作用时，任意底板块上举力达到最大值时最危险。安全 系数表达式如下： c o s ( z + 1 + i f c o s f l + s i n f l s i n a ig i a 边缘板块：墨：害l ：_ ! 竺冬垒垫堡( 1 - 3 2 ) ，l ，l 衄 审阅板块：ki：l：一(ni_,+n,)(fcosfl+sinfl)+gicosai+a，(1-33) 堂t 嗽 f t “ 式中：a 为锚固力，为拱的轴向推力，为混凝土块问的摩擦系数，一 为作瘸在计算板块上的水流最大上举力，下标“l ”表示边缘第一板块。任意板块 受力分析如图1 1 0 所示。 底板稳定性控制指标 中川博? 欠【3 9 】认为，跌落水舌对河床基岩的冲刷，主要是高速水流进入岩石缝 隙，在其底部产生较大动水压力，瑟表瑟压力减小，从两形成上下表露压力差， 产生上举力，岩层上浮破坏。因此对动水压强值及分布系数( 最大冲击压强与其 作用距离的比值) 提出一个限值。对水垫塘底板稳定问题，亦参考这个特征值。 由日本的凌北等5 个拱坝溢流工程【钢，给出时均冲击压强均在3 0 0 k p a 以下，分 布系数在1 以下的控制指标，这些工程都安全运行。我国设计二滩工程水垫塘底 板时，采用时均冲击压强标准1 5 0 k p a 。夸湾、构皮滩等水电工程，其水垫塘底 板冲击压强均控制在1 5 0 k p a 以下，甚至降至1 0 0 k p a 以下。目前在溪洛渡、拉 蟊瓦、锦羼一级等赢坝水垫塘设计中，仍采用这一标准。 杨刨硌】通过试验研究时均压强、脉动压强和上举力间量化关系，按照动水冲 击压强的控制指标1 5 0 k p a ，得到脉动压强6 7 。5 k p a 为水垫塘安全稳定控制指标。 郭航忠f 2 7 】通过模型试验褥到承垫塘底板稳定的安全水垫深度公式。符晓f 3 5 】通过 数值计算给出底板稳定的动位移均方根控制指标川“等等。 第一睾绪论 1 3 本文的研究工作 ( 1 ) 对平底水垫塘底板的稳定性进行深入研究，引入平底板断裂破坏模式。 结合五强溪、鱼塘水电站中水垫塘底板的断裂祷猛，计算平底叛单块板整体失稳 ( 浮升、倾覆) 、断裂破坏的各种工况。 2 ) 在相同安全标准前提下，