（水利水电工程专业论文）高拱坝及反拱水垫塘结构泄洪安全分析与模拟.pdf

中文摘要我国虽然在高拱坝的建造、设计与研究上取得了丰硕的成果，但是高拱坝的设计还远未达到“自由王国”的境界，仍有一些重大问题需要解决：高拱坝的合理设计原则、标准和要求；高拱坝的精确动力分析和抗震措施；高拱坝的泄洪、消能、防冲问题；高拱坝的模型试验问题等。本文针对高拱坝的模型试验问题、拱坝流激振动响应及水垫塘防护结构稳定性这些问题，通过水弹性模型试验、理论分析及有限元分析对这些问题进行了研究，建立了相关的计算方法，得出一些有意义的结论。水弹性模型可以同时满足水力学相似和结构力学相似，是对“结构一水体一地基一动荷载”四位一体的流固振动系统的模拟。本文详细论述了水弹性模型的相似原理及模拟范围、材料特性对拱坝动力特性的影响，给出水弹性模型的一般模拟范围。采用1 ：1 0 0 大比尺水弹性模型对拉西瓦高拱坝及反拱型水垫塘流激振动响应进行了测试分析。在实际工程的原型或模型动力试验中，实测动力响应测点总是有限的，特别是原型观测中的测点有时更少，难以全面反映水工结构的振动响应特征。本文在流激振动正反分析方法的基础上，将引起拱坝结构振动的三个激振源视为三个独立的、不相关的等效荷载，采用遗传算法得到等效荷载，进而利用正分析方法得到整个结构的动力响应以及进行振源分析。此外又针对具有多个测点同步测试结果的情况，给出一种基于模态叠加法的反分析方法，其实质是建立在模态的正交性及展开定理基础上的一种求解动力响应的近似方法。应用上述两种方法，对拉西瓦拱坝水弹性模型试验结果进行了反分析。高坝水垫塘在泄洪期间起到消除下泄水流能量的作用，其自身的稳定是实现消能和防冲的关键。在水动力荷载的作用下，其受力和运动过程十分复杂。对它的数值模拟需要考虑以下三个方面：锚固钢筋与底板、地基之间的粘结滑移；底板之间、底板与基岩之间、底板与拱座之间的接触以及底板与水体之间的相互作用问题。本文基于粘结滑移理论、非线性接触理论及流固耦合理论，提出一种反拱水垫塘有限元模型，该模型采用三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋与基岩的位移协调、接触元模拟衬砌块接缝以及底板、拱座、基岩和边坡间的碰撞、滑移行为，采用附加质量考虑水体与底板之间的相互作用，较为全面反映水垫塘受力特点和底板一拱座一锚杆一基岩之间的相互作用机制。长潭岗水垫塘的工程实例说明了本模型的合理性及实用性。作为工程应用，本文以拉西瓦高拱坝的反拱型水垫塘为实例，对其在检修工况、正常工况以及泄洪工况下的结构稳定性进行了计算分析。然后，在建立有限元数学模型和反拱形水垫塘底板失稳模式基础上，分析了拉西瓦拱坝反拱水垫塘结构型式对稳定性的影响。关键词：高拱坝、水弹性模型、反分析、遗传算法、振源分析、反拱型水垫塘、粘结滑移、稳定性a l t h o u g hr e s e a r c ho ft h ea b s t r a c to u rc o u n t r yh a sm a d eg r e a ta c h i e v e m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o n ，d e s i g na n dh i g ha r c hd a m s ，t h ed e s i g no fh i g ha r c hd a m si ss t i l lf a rf r o mr e a c h i n gt h e“r e a l mo ff r e e d o m a n ds o m em a j o rp r o b l e m ss t i l ln e e dt ob es o l v e d t h e s ep r o b l e m si n c l u d e ：r a t i o n a ld e s i g np r i n c i p l e ，s t a n d a r da n dr e q u i r e m e n t so fh i g ha r c hd a m s ；a c c u r a t ed y n a m i ca n a l y s i sa n ds e i s m i cm e a s u r e so fh i g ha r c hd a m s ；h y d r a u l i cp r o b l e m so ff l o o dd i s c h a r g i n g ，e n e r g yd i s s i p a t i n ga n da n t i s c o u r i n g ；m o d e lt e s to fh i g ha r c hd a m s ，e t c t h i st h e s i sa i m st os t u d yt h ep r o b l e m so fm o d e lt e s to fh i g ha r c hd a m s ，f l o w i n d u c e dv i b r a t i o nr e s p o n s ea n dt h es t a b i l i t yo fp r o t e c t i v es t r u c t u r ei np l u n g ep 0 0 1 h y d r o e l a s t i cm o d e lt e s t ，t h e o r ya n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ea d o p t e di nt h es t u d y b e s i d e s ，i nt h i sp a p e rt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o na r ep r e s e n t e d t h ef l u i d s t r u c t u r ec o u p l i n gs y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so fd a m ，w a t e r , f o u n d a t i o na n df l u c t u a t i o np r e s s u r e ，i ss i m u l a t e db yt h eh y d r o e l a s t i cm o d e lw h i c hc a ns a t i s f yh y d r a u l i c ss i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a ld y n a m i c ss i m i l a r i t yp r i n c i p l e s i m u l t a n e o u s l y t h es i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n dt h ei n f l u e n c eo fb o t hs i m u l a t i o nc o n t e x ta n dm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r c hd a ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nt h ep r o p e rs i m u l a t i o nc o n t e x ti so b t a i n e d 二t h eh y d r o e l a s t i cm o d e lw i t has c a l eo f1 ：10 0i sa d o p t e dt om e a s u r ea n da n a l y s i st h ef l o w - i n d u c e dv i b r a t i o nr e s p o n s eo fl a x i w ah i g ha r c hd a ma n dc o u n t e r - a r c hp l u n g ep 0 0 1 i nt h ep r o t o t y p eo rm o d e lt e s to fp r o j e e t , t h e r ei sa l w a y sn oe n o u g hs u r v e yp o i n t st or e f l e c tt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fh y d r o s t r u c t u r eo v e r a l l ，e s p e c i a l l yt h es u r v e yp o i n t si nt h ep r o t o t y p et e s t b a s e do np o s i t i v e - b a c ka n a l y s i sa l g o r i t h m so ff l o w i n d u c e dv i b r a t i o nr e s p o n s e ，i nt h i sp a p e r , t h r e ev i b r a t i o ns o u r c e sa r er e g a r da st h r e ei n d e p e n d e n t ，i n c o r r e l a t ee q u i v a l e n tl o a d s ，g e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e dt og e tt h ee q u i v a l e n tl o a d s ，a n dt h e nt h ep o s i t i v ea n a l y s i sm e t h o di su t i l i z e dt or e c e i v et h ew h o l es t r u c t u r e sv i b r a t o r yr e s p o n s ea n dc a r r yo ns o u r c ea n a l y s i s f u r t l j e r m o r e ，a i m e da th a v i n gal o to fs u r v e yp o i n t s r e s u l tb ys y n c h r o n o u sm e a s u r e ，ab a c ka n a l y s i sm e t h o di sp r o v i d e dw h i c hi sb a s eo nm o d a ls u p e r p o s i t i o n i ne s s e n c e ，i ti sas i m i l a rm e t h o dt os o l v et h ev i b r a t o r yr e s p o n s ew h i c hi sb a s eo nt h em o d a lo r t h o g o n a l i t ya n de x p a n s i o nt h e o r e m t h et w oa b o v e m e n t i o n e dm e t h o d sa r eu t il i z e dt os t u d ya ni n s t a n c ea b o u th y d r o e l a s t i cm o d e lo fl a x i w aa r c hd a m t h es a f e t yo fp r o t e c t i n gs t r u c t u r ei nh i g hd a mp l u n g ep o o li st h ek e yt ot h es u c c e s so fe n e r g yd i s s i p a t i o n u n d e rt h eh y d r o d y n a m i c 1 0 a d ，t h es t r e s sa n dm o v e m e n tc o u r s ea r ec o m p l i c a t e d i nt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt h r e ef a c t o r ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t ：t h eb o n d s l i pb e t w e e nt h ea n c h o ra n ds l a bo rf o u n d a t i o n ，t h ec o n t a c ta c t i o nb e t w e e ns l a ba n ds l a b ，s l a ba n df o u n d a t i o n ，s l a ba n da b u t m e n t ，a n dt h ef l u i d s t r u c t u r ec o u p l i n ga c t i o n b a s e do nb o n d - s l i pt h e o r y , n o n l i n e a rc o n t a c tt h e o r ya n df l u i d - s t r u c t u r ec o u p l i n gt h e o r y , af i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rc o u n t e r - a r c hp l u n g ep o o li sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i nt h em o d e l ，t h r e e - d i m e n s i o nn o n l i n e a rs p r i n ge l e m e n ti su s e dt os i m u l a t et h ed i s p l a c e m e n tc o o p e r a t i o nb e t w e e na n c h o ra n df o u n d a t i o n ，c o n t a c te l e m e n ti sa d o p t e dt os i m u l a t et h ej o i n to fs l a ba n dt h ec o l l i s i o no rs l i pa c t i o na m o n gt h es l a b ，a b u t m e n t , f o u n d a t i o na n ds l o p e ，t h ea d d e dm a s si su s e dt oc o n s i d e rt h ef l u i d s t r u c t u r ec o u p l i n ga c t i o n ，s ot h i sm o d e lr e f l e c t st h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i ca n di n t e r a c t i o no ft h es l a b ，a b u t m e n t ，a n c h o ra n df o u n d a t i o no v e r a l l t h ec a s eo ft h ec h a n g t a n g a n gp l u n g ep o o li sd e m o n s t r m e dt h er a t i o n a l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e l a sa ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h es t r u c t u r a ls t a b i l i t yu n d e rs o m ei m p o r t a n tw o r kc o n d i t i o no ft h ep l u n g ep o o lo fl a x i w aa r c hd a mi sa n a l y z e d t h e nb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n dd e s t a b i l i z a t i o nm o d eo fc o u n t e r - a r c hp l u n g ep o o l ，t h ei n f l u e n c eo ft h et y p eo fp l u n g e p o o li sa n a l y z e d k e yw o r d s ：h i g ha r c hd a m ，h y d r o e l a s t i cm o d e l ，b a c ka n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，s o u r c ea n a l y s i s ，c o u n t e r - a r c hp l u n g ep o o l ，b o n d s l i p ，s 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，也不包含为获得叁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：马斌签字日期：歹年，月形e t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堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘鲎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：多导师签名：签字日期：州年，月，占日签字日期：第一章绪论第一章绪论1 1 问题的提出在人类改造自然、发展国民经济的事业中，水利水电建设占有极为重要的地位，而在狭窄河谷建造水坝，拱坝又是一种既经济又安全的坝型，特别是对于高坝，拱坝的优势更为明显。拱坝这一坝型早在古罗马时期就被应用了，但第一座真正以近代力学为指导设计的拱坝则是1 8 5 4 年在法国普罗旺斯地区建成的佐拉( z o l a ) 拱坝【l 】，它是以圆筒应力公式为基础设计的，开创了应力分析的先例。随后，美国垦务局又提出了拱坝分析的试载法【2 】，这些力学方法在拱坝设计中的理论推动作用，使得这种坝型以其体积小、材料省、受力好和安全性高等特点，于世界各地传播开来，在水利水电工程中发挥了巨大的作用，其自身也在体型设计、施工技术和理论分析等方面得到了不断的发展。我国虽然有修建坝和拱桥的悠久历史，但修建拱坝是近代才开始的，中国的第一座拱坝福建厦门的上里浆砌石拱坝建造于1 9 2 7 年。但是自2 0 世纪5 0 年代首批高混凝土拱坝【3 l 一高8 7 5 m 的响洪甸拱坝和高7 8 m 的流溪河拱坝建成以后，我国拱坝建设才开始发展迅速。随着我国国民经济的发展，特别是“西部大开发”基本国策的建立，西南、西北等地区水电水利建设事业得到蓬勃发展，我国高拱坝枢纽建造的步伐加大加快了。一批高拱坝或特高拱坝陆续建成或正在筹建，如二滩拱坝( 2 4 0 m ) 、小湾拱坝( 2 9 2 m ) 、溪洛渡拱坝( 2 7 8 m ) 、锦屏拱坝( 3 0 5 m ) 、构皮滩拱坝( 2 3 3 m ) 、拉西瓦拱坝( 2 5 0 m ) 、白鹤滩拱坝( 2 7 7 m ) 等等。在我国拱坝设计规范中指出，超过2 0 0 m 的拱坝，要作专门研究吲；一些文献中也指出，超过2 0 0 m 的拱坝就可称为特高拱坝【5 】。这些特高拱坝的基本特点有【5 】：坝高、水压大；洪水大、历时长；枢纽布置复杂；坝身双层泄洪孔口和坝下水垫塘；抗震问题复杂；一般水库库容较大，工程重要或极重要等。针对这些特点，国际上可以借鉴的工程经验和理论研究成果很少，因此我国坝工建设者正面临着严峻的考验。目前，我国在特高拱坝的建设和研究方面虽然取得了巨大成就，但在有些领域还存在许多亟待解决的问题。本文主要关注的问题有：( 1 ) 高拱坝流激振动响应的反分析问题。高水头、高流速、大流量是这些特高拱坝的一个特点，随着高强度建筑材料的开发和应用，工程结构越来越趋于轻型化，水流诱发振动问题也日益突出。高拱坝泄洪时诱发拱坝结构振动，属库水一地基一坝体和水流脉动荷载相互联系、相互作用的问题，其机制极为复杂。引起拱坝结构振动的第一章绪论激振源有三个【6 】：水流流经孔口时，水流脉动作用在固壁边界；水舌射入水垫塘的水体，通过水流的强烈紊动进行消能，从而使水垫塘的底部及侧墙存在比较剧烈的紊流动水压强脉动，通过基础传递给坝体，导致坝身产生振动；水垫塘内的波动对坝身的影响。一个泄洪孔泄流时的脉动荷载是很难确切地求出的，若表孔、深孔或表深孔联合泄洪，就更难得出真实的诱发坝体和坝基振动的整个荷载的定量数据。就目前数学、流体力学、结构动力学理论的发展水平来说，虽然采用数学模型可以对一些简单情况下的流固耦合问题进行求解，但由于高拱坝泄洪时诱发拱坝结构振动的复杂性，使人们对其内在机制还不能彻底了解，多数问题还不能用现有理论进行求解。而在水利工程界，解决拱坝泄洪振动问题的最有效办法就是对其振动系统进行物理模拟，建立既满足水力学条件相似又满足结构动力学条件相似的水弹性模型直接测量拱坝结构在水流荷载作用下的动力响应。在工程上，一直采用在水流作用的固体表面直接测取脉动压力的方法来确定脉动荷载，但实际的测取工作往往因为结构过水表面复杂而难以布置脉动压力传感器，水流条件复杂，传感器易损，消耗人力物力过大等原因，使脉动压力的测试难以取得满意的成果，另一方面，结构振动响应的测试手段由于传感器的发展和计算机的使用已趋于完善，结构动力响应测试成果可信度较高。如何根据结构动力响应的测试成果及少数测点的脉动压力去推求整个结构的泄流作用面的脉动压力和结构整体的动力响应，为我们提出了泄流激振领域的反问题。( 2 ) 反拱型水垫塘模拟方法研究。反拱水垫塘作为防护下游河床的结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是实现消能和防冲目的的关键所在。导致水垫塘底板破坏的直接原因是底板上下存在动水压差即水动力荷载，此荷载大于抗力就会产生失稳破坏。但影响荷载特性的因素相当复杂，与结构条件、水流条件有关。单就水流条件而言，又与水头、流量、水垫深度、水舌入水条件等相关。在水动力荷载的作用下，其响应是水体防护结构( 底板、岸坡) 水动力荷载( 渗流力或瞬变力) 锚杆基岩耦联结构体系动力响应，受力和运动过程十分复杂。反拱形水垫塘与平底水垫塘相比，结构更为复杂，除了处理好水体、底板、荷载、锚杆和地基的关系外，还要处理好各个板块间、板块与拱座间的关系。因此，寻求一种符合反拱形水垫塘实际受力状态的力学理论和数值模拟方法非常关键。1 2 高拱坝流激振动响应问题1 2 1 流激振动的研究方法由于实际工程结构都是弹性体，泄流激振研究不能简单考虑刚性体与流体的相互第一章绪论作用。在这种前提下，流体流动和工程结构是相互作用的两个系统，它们之间的作用是动态的，流体荷载引起弹性系统的振动，与此同时，弹性系统振动反过来会影响流体的动压力分布，这种相互作用的物理性质表现为流体对于弹性系统的惯性、阻尼及弹性诸方面的耦合现象。早期的流固耦合问题研究由于受到相关学科的限制，主要是进行实验的模拟及简单的理论分析。七十年代以后，随着电子计算机的普及应用，结构动力学，流体力学实验技术，随着数据处理方法等取得的长足发展，为分析流固耦合问题奠定了基础。目前根据结构动力学原理编制的有限元、边界元结构分析软件为解决大体积结构的流固耦合振动提供了一定的条件。模型试验在研究流激振动，流固耦合振动问题中一直起着重要的作用。就目前情况而言，由于人们对泄流激振这一复杂流体动力及结构动力相互作用现象内在机理的了解仍然很不完善。因此研究泄流激振问题必须模型试验与理论计算并重，积极发展模型试验技术和随机振动分析方法。1 2 2 流固耦合分析方法坝库相互作用( d a m - r e s e r v o i ri n t e r a c t i o n ) 属于流固耦合力学的范畴。流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而产生的一门新学科【7 j ，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场的影响这两者交互作用的学科。流固耦合的重要特征是两相介质之间的交互作用：变形固体在流体荷载作用下产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体荷载的分布和大小。到目前为止，对流体结构耦合作用的分析方法大致可以分为三大类：( 1 ) 解析法4 】这类方法要求对坝库耦合系统进行许多简化，一般用于坝型比较简单的问题和理论上的探讨。这种方法中最主要的是加权余量法，该方法的主要特点是寻找解析形式的近似解，当试函数选择适当时，可以用很小的计算量获得精度高、规律性强的解答。文献 9 介绍了重力坝一库水一地基相互作用的成果：文献 1 0 3 利用分区加权余量法研究了具有不规则上游坝面的重力坝，并考虑了库底的吸收作用。文献 1 1 还利用该方法研究了二维不规则坝面情形下，库水粘滞性对动水压力的影响。( 2 ) 。数值分析方法 1 5 - 3 8 】数值分析方法的主要方法有有限元法 1 5 - 3 1 】、边界元法以及有限元与边界元的结合 3 2 - 3 8 】，以有限元法应用最为广泛。有限元用于求解流固耦合作用问题的一般格式是由z i e n k i e w i c z 在其著名的有限元著作【1 5 1 中给出的。计算中，又可分为两大类【1 6 】：拉格朗日方法 1 7 - 2 2 1 和欧拉法 2 3 - 2 7 】。第一章绪论拉格朗日方法是一种位移一位移求解模式，即把流体和固体共同采用拉格朗日坐标系，其好处是可以把结构分析的通用程序直接应用到流体域中，并在流固耦合边界上自动满足位移协调条件。欧拉法是指对结构和水体分别使用不同的坐标系和场变量。坝体采用拉格朗日坐标系下的位移作为场变量，水体用欧拉坐标系下的标量作为场变量。这是一种混合型格式，可以是位移一压力场 2 3 1 、位移一速度势【2 4 2 7 】和位移一位移势。在这种方法中，由于水体的场变量已经满足流体运动无旋条件，不会出现流体矩阵奇异的问题，克服了拉格朗日法中的零能模态。同时在流体单元中，每个结点只有一个自由度，大大缩小了方程阶数，使求解更为容易。除有限元法外，其他应用比较广泛的有边界元法 3 2 1 和无单元法 3 3 】。边界元法可以将三维问题转化为二维问题，将二维问题转化为一维问题，可以有效地降低问题的复杂程度。由于边界元法只需要求解边界结点的离散方程，所以很适宜于研究接触型相互作用问题t 无单元法是近年来兴起的计算分析新方法。它克服了有限元的某些不足，具有前后处理简单、精度高的优点。它的基础是滑动最t j , - - 乘法，基本思想是在计算域中用一些离散的点由滑动最小二乘法来模拟场函数，可在关注的部位任意增加结点以提高计算精度。文献 3 3 于1 9 7 5 年首次提出这种方法，此法对半无限求解域提出了一种半无限单元。该单元能考虑介质中压力波的辐射阻尼效应，在处理半无限域问题中得到了广泛的应用。根据相同的原理，在边界元中也提出了无限边界元。文献 3 7 ，3 8 将有限元一边界元一无限边界元相结合，研究了拱坝与地基的相互作用。( 3 ) 混合分析方法解析法用于理论分析研究与几何形状比较简单的问题，数值分析方法虽然能分析几何形状复杂的问题，并能够应用于工程实际，但计算复杂，通常需要进行很繁重的前处理工作，而且难以发现结果的规律性。鉴于以上原因，对库水区域比较简单的坝库相互作用问题，文献 3 9 对坝体采用有限元方法进行计算，对水体动水压力用解析解表示。该方法降低了计算的复杂程度。文献 1 4 对坝体和库水在坝体附近的一定长度的区域内采用有限元方法，而在库水远端直到无穷远的区域内用解析法来计算坝库的相互作用问题。1 2 3 拱坝与库水的动力相互作用地震时，库水的地面运动将会使坝面承受附加的动水压力。有关库水对拱坝动力反应的影响研究，可追述到2 0 世纪3 0 年代，w e s t e r g a a r d1 4 0 】研究了刚性直立坝面动水压力，假定库水上游方向无穷远、库底为刚性水平面、库水作无旋小变形运动并忽略表面波影响，求得了地面水平简谐运动时二维动水压力分析模型下可压缩库水作用4第一章绪论于刚性直立坝面的动水压力的级数形式解，同时提出了不考虑库水可压缩性的附加质量模型。在w e s t e r g a a r d 研究成果发表之后，引起了大坝抗震研究者的广泛关注。z i e n k i e w i c z 、n a t h 等【4 l 】在6 0 年代用电模拟实验证明当不考虑库水的可压缩性时，w e s t e r g a a r d 的附加质量公式也适用于三维拱坝。c h o p r a 与f o r k ，p o r t e r ，h a l l ，n a t h 等 4 2 - 4 6 对库水的可压缩性对拱坝反应的影响进行了较详尽的研究，得到了下列结论：如果坝的刚度与库水的刚度相比很大，那么库水的压缩性影响不能忽略。研究表明，除了水的可压缩性外，动水压力还受到许多其它因素的影响，如水库的长度及几何复杂性，地基与坝体的相互作用，基岩的性质及坝型等。同时，这些因素对于水的可压缩性在动力反应中的贡献也是有影响的。坝与地基的相互作用对动水压力也有较大的影响。根据乔普拉对拱坝动水效应的研究，在刚性地基上，动水压力显著增大了坝体的位移和应力反应；当考虑地基与坝体相互作用时，在地基的材料阻尼和辐射阻尼作用下，这种动水效应的作用明显下降。k f o k 4 7 完成的全面考虑地基、库水与拱坝相互作用的研究中就考虑了水库库岸与库底的吸收边界以及天然地震的作用。清华大学张楚汉院士等【4 8 】进行了水库库底淤积层对库水压力波反射吸收作用的试验研究，并对若干规则河谷进行了动水压力理论解与配置法数值解的比较，得到了一些有意义的结果；中国水利水电科学研究院陈厚群院士等【4 9 1 ，通过室内拱坝模型实测以及三向电拟试验求得振型动水压力，得到的试验结果与有限元数值模型结果相吻合，并建议对简化的w e s t e r g a a r d 公式给出的附加质量公式进行折半修正。河海大学傅作新教授等( 8 以o 】对加权余量法在坝水相互作用问题上的应用进行了系列研究。1 2 4 坝体一库水一地基相互作用的水弹性模型模拟研究迄今为止，在考虑地基、库水与坝体的相互作用下的结构动力分析方法还不成熟，特别是水流动力荷载的复杂性，使得模型试验在研究流激振动，流固耦合振动问题中起着重要的作用。早在1 6 8 6 年，牛顿阐述了有关相似的学说；1 8 4 8 年，别尔特兰首先确定了相似现象的基本性质，并提出尺度分析方法；1 8 7 0 年佛汝德进行了船舶模型试验，提出了著名的佛汝德数，奠定了重力相似律的基础；1 8 8 5 年雷诺第一个应用佛汝德数进行摩赛河模型试验；直到1 9 4 0 年，人们用机器部件的塑料模型来确定共振频率，开创了弹性相似的新时代。由于弹性结构与周围流场之间存在复杂的相互作用，普通的水工模型难以满足要求，建立水弹性模型是必要的。水弹性模型的特点是可以同时满足水力学相似和结构第一章绪论静动力学相似原理，实现对“结构一水体一地基一动荷载”四位一体的流固振动系统的模拟。水弹性模型可按重力相似律来模拟动荷载，要求结构模型材料满足密度大、弹性模量小、等阻尼比、等泊松比。八十年代，天津大学在“七五 国家科技攻关以及国家基金委的资助下，采用可以满足密度相似和弹性模量相似的加重橡胶作为模型材料，第一次建立了比尺1 ：2 0 0 的二滩高拱坝泄洪振动的大型水弹性试验模型【5 0 ，5 1 l ，采用了当时先进的测试手段进行了泄洪振动的测试，通过试验手段分析了震源，验证了二滩拱坝的泄洪安全性，这是流固耦合研究的突破性进展。随后，又开展了小湾【52 i 、构皮滩【5 3 】、溪洛渡5 4 1 、拉西瓦【5 5 】等高拱坝的水弹性模型的试验研究，各工程参数见表1 1 。表1 1 水弹性模型研究对象工程简况工程坝高坝身泄流泄洪功率泄洪消能方式水垫塘尺寸，m最大冲击设计模型比尺名称m量( m 3 s )m w动水压强单位长深9 8 k p a二滩2 4 0校1 6 3 0 02 6 6 0 07 表6 中3 3 05 7拱坝设1 3 2 0 02 1 5 0 0水垫塘5 41 4 1成勘院1 ：2 0 0小湾2 9 2校1 5 2 6 03 3 9 0 06 中5 表4 8拱坝设9 0 6 01 9 7 0 0水垫塘4 0 01 1 3昆明院1 ：1 5 04 2溪洛渡2 7 8校3 0 9 0 25 9 7 3 48 中7 表4 0 07 8 61 5 1成勘院l ：1 5 0拱坝设2 1 7 1 74 1 5 8 8水垫塘7 3 28 4构皮滩2 2 5校2 9 1 0 04 2 4 0 07 中6 表3 1 17 7拱坝设2 3 6 0 03 5 9 0 0水垫塘7 21 4 5长委1 ：1 5 0拉西瓦2 5 0校6 0 0 01 2 5 0 03 表2 中2 1 73 6拱坝设3 7 4 08 3 5 0水垫塘3 0n 5西北院1 ：1 0 01 2 5 流激振动反分析方法研究反分析的理论研究自2 0 世纪6 0 年代就己在国外出现，但由于计算量大，准确的实测资料难以获得，使其很难应用于实际工程中。近年来，随着有限元等数值方法的发展和计算机技术的提高，已广泛应用在土木工程、水利工程、机械工程、航空航天工程、地质勘查等领域。坝工结构分析领域常遇到的反问题有：1 ) 初始应力场反演 5 6 , 5 7 ；2 ) 坝体、坝基的物理力学参数反演【5 8 - 6 2 1 ；3 ) 动力荷载反分析【6 3 _ 6 5 1 等。为了分析预测高速水流诱发坝体的振动问题，练继建、崔广涛等【6 3 j 在对水流脉动荷载进行相关分析后，得出只要超过一定距离( 如h 3 ) 的面脉动荷载，可以视为相互独立的随机过程，并据此提出了流激振动的正反分析方法。该方法主要根据随机振动和最优化理论，由已知少量测点的动位移实测响应谱反馈求解出等效面脉动荷载功率谱，进而得到整个结构的动力响应。练继建、崔广涛等畔】在采用自制的面压力盒对水6第一章绪论舌冲击水垫塘底板的脉动压力和水垫塘泄流波浪对坝体下游面直接作用的脉动压力进行了测量的基础上，通过实验手段隔离水垫塘冲击和波浪脉动荷载，实测得到泄流孔口上脉动荷载作用下的动力响应，再采用流激振动响应的反分析方法反馈分析出孔口“等效荷载，实现了对流激振动的振源分析。由于模型试验中不可避免的会有噪声的干扰，在反分析中常常会遇到无解或者无效解的情况，如何采取措施能够尽量避免模型试验中的噪声干扰，以保证获得最优解或者有效解，值得进一步研究。1 3 反拱型水垫塘研究概况我国目前在建的高坝大部分位于深山峡谷中，一般具有窄峡谷、高水头、大流量的特点，因而由水头高和泄洪功率大而产生的泄洪消能问题十分突出，其下游泄洪消能型式的选择和设计是高拱坝建设的关键技术难题之一。高拱坝大都采用坝身表、中( 深) 孔泄洪，坝后采用水垫塘消能方式。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，势必造成严重冲刷，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吲运行数年后，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。表1 2 列举了国内外部分高坝泄洪功率，从中可以看出，我国已建和拟建的高坝工程泄洪功率大，泄洪消能问题十分突出。表1 2 国内外部分高坝泄洪功率比较序号工程名称国家坝高( m )落差( m )流m - ( m 3 s )泄洪功率( m l二滩中国2 4 01 6 6 31 6 3 0 02 6 5 0 02小湾中国2 9 22 2 61 5 3 5 03 4 0 0 03构皮滩中国2 2 51 4 42 7 4 7 03 8 4 0 04溪洛渡中国2 7 82 0 53 1 4 9 65 8 7 5 05拉西瓦中国2 5 02 1 06 0 0 01 2 3 6 06糯扎渡中国2 6 01 8 23 3 0 0 05 8 8 6 07锦屏一级中国3 0 52 2 51 0 0 7 42 2 6 6 68隔河岩中国1 5 11 0 02 7 8 0 02 0 7 0 09埃尔卡洪洪都拉斯2 2 61 8 48 9 5 08 2 7 61 0英古里格鲁吉亚2 7 22 3 02 5 0 05 0 4 01 1莫西格克美国1 8 51 0 3 67 8 0 08 1 0 01 2姆拉丁其南斯拉夫2 2 01 7 81 9 0 03 5 6 31 3莫西洛克美国1 8 41 0 3 67 8 0 07 9 3 91 4k a t s e南非】8 51 4 36 2 5 28 7 6 21 5k a r i b a赞比亚1 2 81 0 38 4 0 08 4 7 97第一章绪论水垫塘是近年来发展的一种新型消能工，即将坝址下一定距离内的河床用混凝土防护，并在适当位置设置二道坝，形成水垫塘。挑跌水流落入下游水垫塘后，具有相当大的机械能( 动能) 和对河床底部的冲击力，为了避免下泄的高速射流对河底的冲刷破坏，要求下游水垫塘具有足够的深度和体积，以消除下泄集中射流的能量，达到消能和防冲的目的。随着坝身泄洪功率的增大，人们对水垫塘的安全开始重视并从各个侧面做了大量的研究 6 7 - 8 6 。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) ，它在河道中央的护坦板为平铺底板，以独立底板块浮升稳定为控制条件，在止水破坏情况下，板块主要依赖于重力和锚固力保持板块稳定，如果底板块锚固力失效，则底板块上举力的作用足以使其出穴。这种底板形式计算理论比较成熟，为大多数工程所采用，我国已经建成的二滩双曲拱坝水垫塘属于这种形式；另一种是复式反拱形断面底板f 简称反拱底板) ，它是利用河床基岩的天然形状将底板做成反拱形，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，充分发挥混凝土材料的抗压特性和拱结构的超载能力，提高底板的整体和局部稳定性。1 3 1 反拱水垫塘应用现状国外西班乏j ：s u s q u e d a 双曲拱坝【87 】最早采用了带预应力锚固的反拱消力池，其坝高1 3 5 m ，泄洪流量为2 8 0 0 m 3 s ，1 9 6 8 年建成。据第1 1 届国际大坝会议介绍，南非e r l e r o u x 双曲拱坝坝高1 0 7 m ，坝顶溢流和岸边溢洪道联合泄洪，坝顶最大泄量1 3 0 0 0 m 3 s ，坝下设反拱水垫塘，护坦采用高强度拉杆锚固，接缝处用3 5 0 m m 宽的橡皮止水，下游未设二道坝。格鲁吉亚著名的i n g u r i 拱坝【8 8 1 ，最大坝高2 7 2 m ，非常库水位与水垫塘底板高差2 4 6 m 。采用坝身表、深孔联合泄洪，表孔泄洪为主，坝下设水垫塘消能，其最大水垫深度为( 2 1 - - - , 2 7 ) m ，底板厚度4m ，水垫塘外形为半径8 5 m 的扁拱形，大型楔形重力块间有止水，采用0 4 0 m m 钢筋连接，建在砂砾覆盖层上。在两岸重力式边墩共同作用下，底板相互形成拱的作用。真正水垫塘表底面都呈拱形的拱坝水垫塘是西班牙s u s q u e d a 拱坝，靠不厚的底板和比较多的锚杆保持稳定。在我国反拱形底板最早实践于水闸底板，马蹄形涵洞或隧洞的底拱与此类似。在溢流坝消力塘做反拱底板类似结构的是河北省朱庄水库【8 9 1 ，为了减少两岸开挖和混凝土的浇注，把消力塘做成复合型断面，但实际基岩开挖外形是反拱形。1 9 9 5 年长谭岗拱坝下游受到较严重的冲刷，2 0 0 1 年中南勘测设计研究院和湘西州水利水电设计院在其下游形成冲坑后，修建了反拱水垫塘，反拱底板厚为1 1 m ，采用了锚杆加固，底板接缝处下部设紫铜止水片，上部采用塑性止水材料。工程于2 0 0 1 年8 月通过验收。目第一章绪论前拉西瓦电站拟采用反拱水垫塘。1 3 2 反拱型水垫塘底板的稳定性研究反拱底板可能发生两种失稳形式，即整体失稳和局部失稳0 0 。反拱底板不是任何时候都能形成“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，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。它利用拱结构的力学特征将荷载( 上举力) 传递到两岸山体或拱座，充分利用混凝土的抗压性能和拱结构的超载能力。一旦传到拱座的拱端推力超过拱座所能承受的抗力，拱座便会被抬起，板块发生整体失稳，后果不堪设想。整体失稳对应的是拱座的抗力，即拱座在保证安全的前提下所能承受的由板块传到拱端的最大的推力。局部失稳对应的是与平底板类似的单个板块的抗力。1 - 3 2 1 整体稳定性研究整体失稳当反拱底板在水动力荷载或扬压力作用下形成整体上抬时，上举力或扬压力形成的拱端推力超过“拱座 的抗力产生的失稳，如图1 1 所示。但在整体稳定时，也就是拱端推力小于拱座所能提供的抗力时，单个的块体也可能沿径向的缝隙产生微小位移，此时反拱底板可以形成拱的作用。r图l - l 整体失稳模式n i 一1图1 - 2 局部失稳模式图1 3 任意板块受力力学模型彭新民【9 1 1 、练继建【9 2 】、杨敏 9 2 1 、孙建p 3 1 等通过理论分析和模型试验对反拱底板的整体稳定性进行了研究，得出共同结论：反拱底板的整体稳定依赖于拱座的整体稳定，即反拱水垫塘的稳定取决于拱圈稳定，拱圈稳定取决于拱座稳定。练继建、杨敏等嗍通过受力平衡分析得到反拱整体稳定安全系数表达式：k = n c 。，。为拱座允许的拱端推力；m 。为水流产生的最大拱端推力。孙建9第一章绪论等【9 3 通过对反拱水垫塘底板的稳定机理和拱端力影响因素的分析，提出反拱支座满足整体抗滑稳定要求，拱座处拱端推力满足拱端岩体强度要求，以及反拱截面满足混凝土强度要求。只要能保持拱座稳定性，拱圈又能保持整体性，拱底板就是稳定的。根据大量文献资料分析，底板块的稳定性主要与反拱底板体型、水垫塘流场特性、冲击射流的动水压强特性、底板块受到的上举力及拱端力有关。1 3 2 2