（水力学及河流动力学专业论文）反拱水垫塘破坏机理和工作机理的试验研究.pdf

摘要 论文题目：反拱水垫塘破坏机理和工作机理的试验研究 学科专业：水力学及河流动力学 研究生：郝秀玲 指导教师：孙建教授 摘要 签名： 反拱水垫塘是一种新型的消能防冲设施，有许多水力学问题尚待解决。本文结合 某高拱坝工程，利用重力相似准则和弹性相似准则，设计并制作了反拱水垫塘的物理 模型，对其拱圈的破坏机理和工作机理进行了试验研究。研究分三个部分，一是破坏 机理的研究；二是底板块的动水荷载的来源及其相互作用机理的研究；三是拱结构和底 板径向锚固力的联合作用机理的研究。 第一部分，在拱座稳定的条件下，通过改变拱圈底板块之间的缝隙宽度、底板块间不 同的接触形式，得到拱圈底板块的振动规律以及底板块的破坏过程，证实了拱圈底板块的 破坏机理在于，底板块间缝隙宽度的增加和缝隙宽度累加的效应；在拱座随机振动的条件 下，对拱圈的稳定进行了研究，得到拱座和拱圈底板块的振动规律及其破坏过程，证实了 拱座的稳定是拱圈稳定的首要因素。 第二部分，设计了一种新型的试验装置，用来模拟底板块间止水的不同破坏程度、缝 隙水流和扬压力水平。利用此装置和物理模型，通过试验研究得出了底板块下表面的压强 随止水破坏程度和扬压力水平的变化规律，提出了扬压力和缝隙动水压强的相互作用机 理。 第三部分，通过改变止水破坏程度、锚固力水平和拱端预压水平，得到了底板块上举 力、拱端推力和实际锚固力的变化规律；提出了拱端推力和锚固力的联合作用机理。 关键词：反拱水垫塘；缝隙宽度；止水破坏程度；扬压力水平；破坏机理和工作机理 本文得到国家自然科学基金( 5 0 2 7 9 0 4 0 ) 和拉西瓦工程反拱水垫塘破坏及工作机理的研究项目的资助 i a b s t r a c t t i t l e ：e x p e r r i m e n tr e s e a r c ho nf a j l u r em e c h a n i s ma n d w o r km e c h a n i s mo fa r c hi n v e r tc u s h l o np o o l m a j o r ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rh y d r o d y n a m i c s n a m e ：x i u l i n gh a os i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f j i a ns u ns i g n a t u r e ： ab s t r a c t 1 1 1 ea r c hi n v e r tc u s h i o np o o li sas t r u c t u r ef o re n e r g y - d i s s i p a t i o na n dr i v e r b e d - p r o t e c t i o n , w h i c he x i s t sal a r g eo fh y d r a u l i cp r o b l e mt ob es o l v e d t t l i st h e s i sh a se x p l o r e dt h ef a i l u r e m e c h a n i s ma n dw o r km e c h a n i s mo fa r c hi n v e r tc u s h i o np o o lb ye x p e r i m e n tr e s e a r c ho f p h y s i c a lm o d e l ，w h i c hw a s b u i l ta c c o r d i n gt og r a v i t a t i o n a la n de l a s t i cs i m i l a r i t yc r i t e r i aa n di n c o m b i n et oaa r c hi n v e r tc u s h i o np o o le x i s t e d n l es t u d yi n c l u d e st h r e ep a r to fc o n t e n t s ，t h e f i r s ti st h es t u d yo nf a i l u r em e c h a n i s m ；t h es e c o n di st h es t u d yo nt h eo r i g i n a t i o na n d i n t e r a c t i o no fh y d r o d y n a m i cl o a do fs l a b s ；t h et h i r di st h es t u d yo nc o m b i n e de f f e c to fa r c h s t r u c t u r ea n dr a d i a la n c h o r - h o l do fs l a b s i nt h ec o n d i t i o no fs t a b i l i z a t i o no fa b u t m e n t , v i b r a t i o nl a w sa n df a i l u r ep r o c e s so fs l a b s a r eo b t a i n e db yc h a n g i n gc l e a r a n c ew i d t ha n dd i f f e r e n tc o n t a c tf o r mo fs l a b s ，w h i c hc o n f i r m s t h a tf a i l u r em e c h a n i s mo fs l a bi st h ee f f e c to ft h ei n c r e a s ea n ds u m m a t i o no fc l e a r a n c ew i d t h i nt h ec o n d i t i o no fr a n d o mv i b r a t i o no fa b u t m e n t , v i b r a t i o nl a w $ a n df a i l u r ep r o c e s so fs l a b s a n da b u t m e n t sa r eo b t a i n e db ys t u d yo nt h es t a b i l i z a t i o no fa r c hr i n g ，w h i c hc o n f i r m st h a tt h e s t a b i l i z a t i o no fa b u t m e n ti st h ef i r s ti m p o r t a n tt oa r c h n e o - t y p et e s tf a c i l i t yw a sd e s i g n e dt os i m u l a t ed i f f e r e n te x t e n to f w a t e r - s e a li n a c t i v a t i o n , i n t e r s t i t i a lw a t e ra n dd i f f e r e n tu p l i f tp r e s s u r e t r a n s f o r m a t i o nl a wo ft h ep r e s s u r ea c t i n go nt h e b o r o mo fs l a bw i t he x t e n to fw a t e r - s e a li n a c t i v a t i o na n dt h es c a l eo fu p l i rp r e s s u r ei s o b t a i n e da n di n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo f u p l i f tp r e s s u r ea n dh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ei sg i v e n t r a n s f o r m a t i o nl a w so fa n c h o r a g ef o r c ea n du p l i f tp r e s s u r eo fs l a ba n dt h r u s ta ta r c hi s o b t a i n e db yc h a n g i n ge x t e n to fw a t e r - s e a li n a c t i v a t i o n ，t h r u s ta ta r c ha n dr e a la n c h o r a g ef o r c e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h r u s ta ta r c ha n dr a d i a la n c h o r - h o l di sg i v e n k e y w o r d s ：a r c hi n v e r tc u s h i o np o o l ；c l e a r a n c ew i d t h ；e x t e n to fw a t e r - s e a li n a c t i v a t i o n ；s c a l e o f u p l i f tp r e s s u r e ；f a i l u r em e c h a n i s ma n dw o r km e c h a n i s m h 主要符号表 主要符号表 弹性模量 阻尼比 长度比尺 反拱底板圆心角 单底板块圆心角 反拱底板半径 底板块厚度 底板块上表面的弧长 底板块下表面的弧长 单底板块的重力 溢流表孔的宽度 泄量 水垫塘下游水深 采样时间间隔 采样频率 采样容量 底板块问的缝隙宽度 底板块间的相对缝宽 底板块的振动位移 底板块的相对振动位移 底板块的相对振动位移的最大值 瓜 f ) 缸 e 孝 丸 口 r d 厶 厶 g 曰 q 所 五 艿 屏 删 并 西安理工大学硕士学位论文 底板块的相对振动位移的时均值 底板块的相对振动位移的均方根 底板块的锁定高度 底板块的相对锁定高度 底板块保持稳定的最大安全系数 第f 底板块右侧所受轴力 第i 底板块左侧所受轴力 第f 底板块右侧所受摩擦力 第f 底板块左侧所受摩擦力 底板块上表面的压强 底板块下表面的压强 扬压力 底板块所受上举力 底板块锚固力 陆 踮 恤 坼 胁 麟 硒 肌 肌 册 f 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盘查堕p 9 年弓月司日 学位论文使用授权声明 本人 趣磊匿 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：i 妲莲重：导师签名： 埘年3 月习日 第一章绪论 1 绪论 1 1 水垫塘消能概述 1 1 1 高拱坝泄洪消能的特点 随着我国水利水电事业的迅速发展，拱坝已成为主要的坝型之一l l j ，建坝高度也已从 上世纪八十年代的1 0 0 m 级，上升到3 0 0 m 级。如二滩双曲拱坝坝高2 4 0 m ；构皮滩双曲 拱坝坝高2 3 2 5 m ；在建的小湾拱坝、溪洛渡拱坝和拉西瓦拱坝，坝高分别为2 9 2 m 、2 8 7 m 和2 5 0 m ；正在设计阶段的锦屏一级双曲拱坝坝高3 0 5 m 。高坝的消能特点是：三大一窄 高水头、大流量、大泄洪功率、窄河谷。因此，越来越多高坝的修建使其消能防冲的 设计任务越来越繁重。 拱坝常见的泄洪消能方式分为坝身泄洪和坝外泄洪( 岸边泄洪) 。坝身泄洪是通过在 坝顶留设溢流坝或坝身开设泄洪洞，让洪水通过坝身下泄。岸边泄洪是通过设置岸边溢洪 道或泄洪洞来实现。虽然岸边泄洪可把洪水输运到离大坝较远的下游河道，有利于大坝安 全，但其施工复杂、工程造价高，而且高拱坝枢纽两岸地形一般为高山深谷，很多高坝不 适宜布置坝外泄洪建筑物，只能通过坝身渲泄大量洪水【2 j 。 拱坝采用坝身泄洪时，由于水舌射程距坝趾较近而下游水深较浅，为避免过大冲刷影 响坝基安全及两岸岸坡的稳定，通常在坝下预挖冲刷坑或设二道坝以抬高尾水位形成水垫 塘【3 1 ，如图1 1 所示。水垫塘是拱坝坝身泄洪消能的主要措施，是目前高拱坝泄洪消能布 置的一种较成功的、并得到多项工程采用的方案。拱坝下泄水流的大部分能量是在水垫塘 内消耗的，水垫塘内产生的强紊动水流会导致基岩发生冲刷破坏，如卡里巴拱坝下游河 床受到了严重的冲届j j l 4 。因此，水垫塘必须全面衬砌，国内二滩，小湾、拉西瓦、沟皮 滩和锦屏一级等拱坝均采用坝身泄洪消能，其下游都设置了衬砌水垫塘。 坝体 图1 1 水垫塘纵剖面示意 f i g 1 1t h ed r a w i n go f v e r t i c a ls e c t i o no f w a t e rc u s h i o np o o l 二道坝 西安理工大学硕士学位论文 1 1 2 水垫塘概述 a 水垫塘的形式 根据底板形式可将水垫塘分为两种： ( 1 ) 复式梯形断面底板( 简称平面底板) ，平底水垫塘主要依靠底板自重和锚固钢筋来 保持底板稳定，结构设计时主要考虑正常泄洪期和检修期两种工况，均以浮升力作为失稳 控制。我国二滩双曲拱坝的水垫塘采用了这种形式的底板。 ( 2 ) 复式反拱形断面底板( 简称反拱底板) ，反拱水垫塘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拱座或两岸山体，可以充分 发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力，提高了底板的整体稳定性。 b 两种底板形式水垫塘的比较 反拱水垫塘与平底水垫塘相比，具有很多优点，从以下几个方面进行比较。 ( 1 ) 断面形式平底水垫塘底板剖面形式为梯形复合断面，需根据所设计的剖面来开 挖山体，而反拱水垫塘剖面形式为倒拱形复合断面，在设计剖面时可顺应两岸山坡趋势， 不仅可节省土石方的开挖和回填量，且可以减少对两岸山体的扰动。两种底板剖面形式如 图1 - 2 所示【5 1 。 拱中心线 l ： 河床基岩顶面 i 两 岸 山 体 图1 2 反拱水垫塘及平底水垫塘剖面形式 f i g 1 - 2t h ec r o s ss e c t i o nf o r m so fa r c hi n v e r ta n df l a tw a t e rc u s h i o np o o l ( 2 ) 水流流态反拱型底板体型可与水力学条件相协调，水垫塘内的扩散水流整体为 三元扩散流动，横向曲面有利于水舌平顺扩散、衔接，压力梯度平滑。而复合型梯形断面 的隅角是不利于横向扩散水流平顺连接的，从而在斜坡上产生较大的压力梯度，致使坡面 个别位置容易破坏。工程试验表明【6 】：在设计工况下，平底水垫塘底板最大上举力高达 2 2 t m 2 ，而相同情况下的反拱型底板块上举力仅有1 6 7 t m 2 ，上举力减少了2 4 。 2 第一章绪论 ( 3 ) 底板稳定性文献【7 】从稳定性原理上对两种型式的水垫塘进行了详细的比较。平 底水垫塘的稳定是以一个底板块的升浮作为控制条件。旦水垫塘中有一底板块掀起，则 会引起周围其他底板块的连锁破坏，导致水流冲刷河床基岩，严重时则可使两岸边坡或山 体坍塌。而反拱水垫塘工作原理是：利用拱作用将竖向、径向荷载变成反拱轴向压力，通 过混凝土材料的抗压性传递给反拱两端拱座，依靠山体和拱座的稳定保持反拱拱圈整体的 稳定。由于反拱底板的特殊结构性能，其稳定性大大优于平底板，在相同运行工况下反拱 型底板安全系数大于平底板2 3 倍【8 j 。 ( 4 ) 施工复杂性平底水垫塘的土石方开挖、混凝土浇注、锚固、灌浆、铺设排水( 铺 设设备) 、安设止水等工序比较复杂，而反拱底板施工实践表明反拱拱圈的浇注并没有特 殊难度。 总之，反拱水垫塘具有锚固量少、截面小、力学结构性能好，超载能力强，开挖量小， 易稳定山体等优点，是一种优化的水垫塘体型，这种新型的消能防冲结构是高拱坝坝身泄 洪下游消能和防冲的合理选择。因此，反拱水垫塘具有广阔的应用前景，本文的研究对我 国的水电建设事业具有重要的意义。 1 2 反拱水垫塘的应用现状 拱坝多修建在峡谷当中，若采用平底水垫塘，岸坡需要切坡，将会造成大量开挖，对 岸坡，特别是对坝肩稳定不利。拱坝泄流的特点是，中间部分水流集中，两侧水流流量较 小。适合采用反拱型式的水垫塘。国外许多工程都应用了这种技术，文献【9 】指出，西班 牙s u s q u e d a 双曲拱坝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p r l e r o u x 双曲拱坝坝高 1 0 7 m ，采用坝顶溢流和岸边溢洪道联合泄洪的方式，坝顶最大泄量1 3 0 0 0 m 3 s ，坝下游设 反拱水垫塘，护坦采用高强度拉杆锚固，接缝处采用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【l o 】，最大坝高2 7 2 m ，非常库水位与水垫塘底板之间的 高差为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4 m ，水垫塘外形为半径8 5 m 的扁拱形，大型楔形 重力块间设有止水，采用4 ，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。水垫塘表底面都呈拱形的拱坝是西班牙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。 在我国国内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。河 北省朱庄水库为了减少两岸开挖和混凝土的浇注，把溢流坝的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修建了反拱水垫塘，底板厚为1 1 m ，采 用锚杆加固，底板接缝处下部设紫铜止水片，上部采用塑性止水材料。为监视水垫塘等建 3 西安理工大学硕士学位论文 筑物的运行情况，确保工程安全，并为大型水电站反拱形水垫塘设计、科研提供资料，首 次进行了原型观测设计【1 i j 。 1 3 反拱水垫塘的研究综述 反拱水垫塘是- - f - j 新技术，在新建的高拱坝中还没有应用反拱型水垫塘的实例。在这 方面的研究也仅限于模型试验的研究，国内诸多学者结合实际工程对其稳定性进行了一些 研究。清华大学结合溪洛渡水电站反拱水垫塘，对底板缝隙中动水压强特性、反拱底板的 拱端力荷载及上举力变化规律等进行了详细的试验研列1 2 1 【1 3 】【1 4 】。天津大学结合长谭岗、 构皮滩、小湾等工程对反拱水垫塘的体型、拱形底板的受力进行了试验研究。 1 3 1 反拱底板的稳定性 a 整体稳定性 反拱型水垫塘是一种优化的消能防冲的水垫塘结构型式，根据峡谷天然河道的形状， 将水垫塘设计成中间低、两岸高的拱型。底板的稳定性条件控制由平底水垫塘的单块受力 控制转变为整体受力控制，通过拱结构把荷载由底板传给拱端，继而将荷载传递到两岸山 体，能够充分发挥混凝土的抗压能力及拱结构超载能力，提高了水垫塘底板的整体稳定性 【1 5 1 0 在反拱水垫塘止水设施完全破坏，锚筋完全失效的极端条件下，水舌冲击在反拱底板 上，冲击动水压强贯入底板缝隙中。假设模型试验得出的最大上举力沿拱圈径向均匀分布， 艮pq ( o ) - q p _ 。为简化起见，以三铰拱( 三个铰位于两拱端和拱心处) 进行分析，拱圈受力如 图1 3 所示。 4 ( a )( b ) 图1 3 反拱底板荷载分布 f i g 1 - 3 t h ef o r c e sd i s t r i b u t i o na c t i n go nt h es l a bi nt h ei n v e r t e da r c hr i n g ( a ) 受力分析示意嘞1 - - 1 详图 文献【5 】得出了拱端推力计算公式为： 第一章绪论 ( 1 1 ) _ f q a _ q b 以s i n 见一k c o s 吃( 1 2 ) i a - b 一以c o s 以+ 吆s i n 吃 、7 ， r 、l f 。f 坐i( 1 3 ) s 几“j 。 式中，匕和、以和分别为两拱端处垂直反力和水平反力；蜴和蜴、虬和分 别为两拱端处径向反力和轴向反力；g 一2 圪出承吃为单个反拱圈重。f 为单位面积上的拱 端强度。从上述分析可知，拱形底板充分利用拱形结构的整体性及混凝土材料的耐压性， 利用拱的推力来维护底板的稳定。也就是说，若能保证两岸山体和拱座稳定，反拱底板就 能保证稳定【1 6 1 。 文献【1 7 】【1 8 】【1 9 】分别采用刚性和弹性底板块对反拱水垫塘内单底板块和多底板块的 振动特性进行了试验研究。根据底板块的振动和最大自由位移的大小，把底板块振动分为 失稳区、局部变形区、锁定位置和自由振动区。根据底板块振动位移特征量的大小，把底 板块沿流程的分布划分为强振区和弱振区，强振区可分为冲击强振区和上下游强振区。冲 击强振区中，底板块最大位移达到锁定高度，其锁定过程是阵发性的，锁定时间短。上下 游强振区，底板块最大位移也达到锁定高度，其锁定过程是突发性的，底板块锁定持续的 时间长。因此，拱圈整体失稳主要发生在冲击区的下游。 b 局部稳定性 文献【8 】【1 5 】【2 0 】对底板的受力与稳定进行了阐述，提出了“随机拱 的概念。指出反 拱水垫塘底板在射流冲击荷载作用下，由于荷载的随机性，使其具有不能形成整体拱的条 件。在某一时刻，作用于某单个板块的上举力出现较大值时，就形成了“随机拱 。此时， 阻止反拱底板块失稳的抗力与平底板有很大的区别。通过力学模型计算和物理模型试验， 论证了反拱形底板的局部稳定性大大优于平底板，得出了反拱形底板安全系数大于平底板 3 倍以上的结论。从反拱底板的局部稳定性角度进一步证明了反拱型底板是解决高拱坝泄 洪消能问题的有效措施。 但在进行理论分析和试验研究的过程中，将拱圈简化成一般拱( 三铰拱) 进行计算，这 与实际拱圈的受力条件相差较大，而且在以上的研究中也没有出现底板块飞出座穴，拱圈 发生失稳的现象，其合理性有待进一步的探讨。因此，反拱水垫塘的破坏机理还需从底板 块受力和底板块间的缝隙宽度等方面迸一步的研究。 5 使一2一， n 日1蓦一哏 + 一 署一0 g s _ g 惦 熨 o m 一 一 眭 见 ；穹 嘶 1 ， 一 易 扔 质 r 吩 间 力 国 “ 旧 刮 l 西安理工大学硕士学位论文 1 3 2 底板块上的动力荷载 a 冲击区动水压强 底板冲击动水压强是决定水垫塘底板位置和底板稳定的重要参数。国内外许多学者对 其进行了试验研究和数值模拟。由于试验条件的限制对水垫塘底板脉动压强特性的试验研 究成果主要集中在冲击区1 2 l 】【2 2 1 。水垫塘中水流脉动属于低频脉动，脉动压强基本符合正 态分布。安芸周一提出了冲击区时均压强的大小及分布公式： 颦眦a l j 0 5 p u 2s i n 2 0 ( 1 4 ) 4 万一o - 1 2 5 6 0 肛尸 ( 1 5 ) 其中0 妙) 为水垫塘底部任意点，用水舌轴线及其横向坐标度量。在水垫深度较小或单宽流 量较大的情况下，水舌冲击水垫塘底板的动水压强的时均值和脉动值比较大，随着水垫深 度的增加，其时均值和脉动值都会急剧衰减，并且时均压强和脉动压强的分布也趋向均化。 彭新民等【瑚【1 6 j 研究得出泄洪时，反拱底板上的动水压强分布规律与平底水垫塘的相 近，反拱底板曲率的存在并没有使底板上的动水压强产生显著变化；练继建【捌通过试验 研究，概化出冲击边壁最大冲击压强的关系；黄种等【2 3 】研究得出水舌作用于底板块最大 冲击压力的垂直分量。表1 - 1 给出了水垫塘底板脉动压强的部分公式。 表1 - 1 水垫塘底板脉动压强部分公式 t a b l e 1 - 1 p a r t i a le q u a t i o n0 fp u l p r e s s u r eo nt h ef l o o ro fp l u n g ep o o l 作者公式备注参考文献 林继镛崔广涛 ， 加麟) l j 4 ca = 6 0 。6 5 。 【2 6 p 朋，0 3 9 6 e 、d 0 。 林继镛崔广涛 c p - 肼- 5 0 5 d 0 s i n 20 2 6 】 许多鸣余常昭 。 一尸ca = 4 0 。 - 5 0 。 【2 7 】 p 历一0 2 6 e 印。 崔广涛 k 。监h 垡t k p = 1 2【2 8 】 x , y 为以脉动最大值为 安芸周一 c p c p 用e 一( 乃2 零点，沿底板水流方向 5 9 】 任意位置，按射流轴线 及其横向方向进行度量 崔广涛林继镛 , 。c p , m c - 6 釜p lx 二甚 r = o 9 ，k 为水舌上游 【3 0 】 水垫深度 6 第一章绪论 文献 2 4 1 1 2 5 分别通过对水垫塘二维和三维流场进行数值模拟，得出了反拱水垫塘和 平底水垫塘底板的压强分布规律。在水舌冲击区，在溢流中心线附近两种底板形式的水垫 塘的底板压强峰值相差不大；反拱水垫塘底板压强在峰值过后光滑递减，而平底水垫塘沿 横向分布均匀；在底板与边墙隅角处，反拱水垫塘底板未产生明显的压强峰值，而平底水 垫塘底板仍然存在着较大的压强峰值。 b 动水压强在缝隙中的传播 在射流冲击作用下，拱圈底板块间止水完全破坏，锚筋失效后，底板块间缝隙相互贯 通形成通缝，板块上表面的动水压强沿缝隙向下表面传播，形成板块上下表面的压力差。 当压力差大于板块自身抵抗力时，板块结构就会发生破坏。因而，对脉动压强沿缝隙传播 规律的研究也具有重要的意义。水垫塘底板缝隙中动水压强的传播机理是相当复杂的，许 多学者从不同角度提出了看法，建立了不同模型，主要包括以下三种。 ( 1 ) 渗流及紊流模型 g r e h b i n d e r l 3 l 】提出了渗流模型，认为冲击射流进入岩体内的水流运动符合达西定律。 姜文超等口2 1 应用紊流理论探讨了脉动压力沿缝隙的传播规律，用紊流脉动结构解释了缝隙 脉动压力的传递规律，通过试验得出结论：缝隙中各点脉动压力具有完全相同的特性，且 强度近似相等。缝隙内传递脉动压力遵循静水压强的传递规律。 ( 2 ) 水体振荡模型 赵耀南等【3 3 】提出的水体振荡模型认为缝隙内的脉动压力传播类似于不可压缩流体在 管道和并行板之间发生的流体振荡运动，缝隙中的水体随两端压力差的变化作整体一致的 振荡运动，这个振荡运动是缝内水体压强的脉动源。但由试验发现岩缝中脉动压力的变化 是相当剧烈和瞬变的，这说明水体振荡模型不适用于岩缝或板块缝隙中脉动压力的传播。 ( 3 ) 瞬变流模型 刘沛清等【3 4 1 1 3 5 1 用瞬变流理论分析了脉动压强在缝隙内传播的特征，并得出由于脉动 压力传播速度很大，在岩块或板块晃动之前，岩缝入口端的脉动压力几乎瞬时地传到岩块 或板块底部。由于瞬变流模型把岩缝内的水体视为压力波的传播介质，故可以较好地表征 缝内压力波传播的主要特性。 渗流模型和水体振荡模型都视缝隙中水体作某种运动，因而压强的传递靠运动的水体 传播。而事实上，缝隙尺寸很小，水流在缝隙中可能是层流运动，这就不能解释缝隙中急 剧变化的脉动压强特征。瞬变流理论认为缝隙中压强是以波的形式传播，缝隙中水体作为 压强波的传播媒体，这与实际情况更相符。 c 缝隙动水压强 反拱水垫塘的底板块表面及缝隙中的动水压强的分布规律与底板稳定性有相当密切 的关系，反拱水垫塘的底板块及缝隙结构如图1 4 所示【1 4 】。 7 西安j e z 大学硕士学位论文 图1 - 4 反拱水垫塘的底板结构 f i g 1 - 4 t h es t r u c t u r eo f t h es l a bi nt h ei n v e r t e da r c hp o o l 1 底缝隙2 支撑块3 拱圈条4 基岩 孙建等【“】结合溪落渡工程制作了精细的物理模型，对底板缝隙中动水压强特性进行 了详细的试验研究。试验中考虑了两种缝隙边界条件：一是拱圈上、下游缝隙的止水完全 破坏，其均与底缝贯通，称通缝；二是上游缝隙止水破坏，并与底缝贯通，但拱圈下游缝 隙止水设施完好，上下游缝隙未与底缝贯通，称盲缝【1 4 1 1 1 7 1 。根据缝隙中动水压强的传播 机理分析，得出水流参数、反拱体型参数及测点在缝隙中的相对位置是影响缝隙中动水压 强的主要因素。通过对盲缝和通缝条件下缝隙中的动水压强进行观测，得到其沿程变化规 律、幅值、时域特性、频域特性，及缝口阻尼对缝隙中动水压强的影响。研究结果表明， 缝内动水压强来源于底板冲击压强，缝口将巨大的冲击压强几乎不变的传至缝内，下游水 深越低，缝内动水压强越大，脉动越激烈。缝内动水压强瞬时值和时均值是主要的。水垫 塘底板失稳主要由动水压强在缝隙中的作用克服底板锚固所致。脉动压强同步范围使底板 做步调一致的上、下整体运动，这种作用缝内大于底板表面。因此，反拱底板易使横向动 水荷载传至拱端；在缝隙由盲缝向通缝的发展过程中，缝内动水压强越来越大。 1 3 3 底板上举力 反拱水垫塘作为防护下游河床的新型消能工，在射流冲击荷载的作用下，其上举力 会直接影响反拱底板的局部稳定性和水垫塘的安全运行。底板块上举力定义为底板块 下、上表面的压力差，其表达公式1 2 1 为： p = h d q j q 。d c 0 2 ( 1 6 ) 式中，尸为底板块瞬时上举力；q 和哆分别为单底板块下表面和上表面的面积；q a 为底 板块下表面的瞬时压强；吼。为底板块上表面的瞬时压强。 文献【3 6 】采用理论分析和科学试验相结合的方法，拟合出反拱底板单块体上举力的经 验公式： 8 第一章绪论 互：毒墼旦1 0 3 1 0 2 4 t , 4 ( 1 7 ) 一= = 一一x _ i l 一 il，j gg o 5 h 1 5 及。 式中，f 为单块体上的最大上举力；q 为入水单宽流量；h 为上下游水位差；h t 为水垫塘 水深；d 为底板块厚度：g 为重力加速度；p 为水的密度。 文献 1 6 1 给出了底板块单位面积上时均上举力的最大值( 罡一丑) 公式： 骘生_ o 2 6 e x p f ，掣单 ( 1 8 ) 一1 棚 la o 2 。 式中，函为水舌厚度；为水舌入水流速；其它符号同前。 a 上举力的成因 刘沛清阴1 认为在岩块表面，水流的运动不受缝隙的约束，因而脉动压力传递速度应 与水流的传递速度同量级，其数值远小于缝隙内脉动压力波的传播速度。这样在岩块表、 底面的脉动压力，有可能相位不同，也有可能两个几乎互不相关、独立的脉动压力波，可 能会出现一个最大一个最小的情况，这样会在岩块上形成强大的瞬时上举力。 西安理工大学孙建阴通过对反拱水垫塘底板表面和缝隙动水压强的研究，认为底板块 上举力是底板块上下表面动水压强特性的不同所致。在水舌冲击作用下，水垫塘底板块上 表面各点的动水压强脉动频率大，脉动快，而各点脉动的相关性差，表示脉动的相位同步 范围小。底板块表面各同步范围作步调不一致的脉动，各相位同步范围的脉动很难同时达 到其“谷值”。因此，底板块上表面各点的脉动是随机的，每个时段，沿底板块宽度、长 度对各点动水压强积分，得出上表面的动水压力也是一个随机过程，其脉动频率大，达到 其谷值的时间短。而底板块下表面的动水压强，源于底板块缝隙之间，上表面的动水压强 由缝口灌入底缝，缝内各点的动水压强脉动频率较小，脉动慢，但各点脉动的相关性很好， 脉动的相位同步范围贯穿于整个缝长，几乎整个缝宽，各点作步调一致的脉动，会同时达 到其脉动的“峰值 ，其幅值比上表面动水压力的幅值大。因此，在上表面动水压力达到 “谷值”时，底板块下表面的动水压力达到其“峰值”的概率高、持续时间长，两者的相 位差导致了较大的瞬时上举力。 b 上举力特性及其分布规律 孙建等【1 2 j 结合溪洛渡拱坝水垫塘的水力学模型试验，对拱坝坝身泄量最大达 3 0 0 0 0 m 3 s 、止水设施破坏、基岩锚固力失效的极端情况下，反拱水垫塘拱圈底板块的 上举力的分布规律进行了研究。 ( 1 ) 上举力随水垫深度的变化规律 反拱水垫塘底板块时均、脉动和瞬时最大的强度系数分别为c - ，c p 和旺，其与 9 西安理工大学硕士学位论文 ；关系式【1 2 】： c 。= 4 1 5 7 8 e 叫。 _ o ，：0 0 0 1 7 x 一0 0 2 7 3 x + o 1 0 9 8 ( 1 9 ) 一o 2 2 7 3 c ；= 0 6 7 5 x 式中，x 是水舌相对扩散距离，z = 弛q , = 岛吼s i n e t ；岛为反拱水垫塘水垫深度；口 为水舌入水角；x 为水舌在水垫中沿入水轴线方向的扩散深度。 由公式( 1 9 ) 可得，上举力强度系数均随水垫深度x 加大而衰减。其中，瓦。衰减得 最快，f 衰减最慢，当x 增加到一定深度，底板块仍有一定强度的脉动。 ( 2 ) 上举力沿程分布规律 上举力时均值的最大值出现在水舌冲击点下游，在冲击区附近，底板块上举力脉动 幅值最大，瞬时值在冲击区或其下游壁射流区达到最大。因此，反拱水垫塘在冲击区 及其下游一定范围内都可能产生较大的上举力。 ( 3 ) 底板块上举力沿拱圈横向分布 上举力强度系数沿拱圈横向的变化与水舌的临底扩散宽度有关。在横向扩散宽度范 围内，上举力强度系数变化不大，超过这个范围后，上举力大幅度衰减。 ( 4 ) 底板块上举力谱密度和自相关系数特征 底板块上举力谱密度优势频率小于0 2 - 0 4 h z ，小于底板块自振频率，底板块不会发 生共振破坏。其谱密度为低频窄带分布，能量主要集中在约1 2h z 的范围。 1 3 4 拱端推力 反拱水垫塘拱圈底板块间止水完全破坏，锚筋完全失效后，自由底板块在较大上举力 的作用下，产生径向位移，当达到最大位移时，挤压相邻的底板块，如果相邻底板块为拱 端，则该底板块直接将上举力传递给拱端，拱端开始受力；若相邻底板块为自由底板块， 则挤压使其产生横向位移，同时加大自身径向位移，直至与拱端相连成拱，同时将获得的 上举力以轴力的形式传递到拱端，拱端受力，即产生了拱端推力姗。反拱水垫塘保持整体 稳定的关键是拱座稳定，而拱座的稳定与由底板上举力产生的拱端推力有直接关系，目前 研究较多。 a 拱端推力的影响因素 孙建啪3 通过对反拱水垫塘拱端推力的试验研究，得出影响拱端推力的主要因素包括反 映反拱底板动水荷载大小的水流参数、基岩锚固力大小和反拱体型参数。水流参数包括拱 圈上游横缝的桩号x 。，挑流水舌入水角饼，入水流速砜，入水单宽流量g o ，水舌临底扩 散宽度6 m 和下游水深扛。其中，x p 决定最大拱端推力的位置，口、t j o 、g o 和b m 决定了 1 0 第一章绪论 上举力的大小和分布，拱端推力随下游水位髓增大而衰减，在冲击区衰减较快，且其各特 征值衰减速度不同，瞬时值随水深增大衰减最快，脉动值衰减较慢，时均值衰减不大。吼 反映了基岩和底板块间的锚固水平，是上举力需要克服的荷载，g r 越小，拱端推力f 越 大，g t = o 时，f 最大。反拱体形参数包括反拱半径r 、拱中心角晓、底板块厚度d 、反 拱弧长s 和单个拱圈宽度工。r 和晓反映反拱作用发挥的程度，r 越大，拱作用越小，当 r 斗时，反拱底板变为平底板；皖越大，拱座水平反力越大，拱作用越大，但受下游 两岸边坡稳定的限制。d 、s 和三决定拱圈自重的大小，拱圈自重越大，拱端推力越小。 因此，拱端推力的影响因素的函数表达式为： 。f = 厂( k ，口，u o ，g o ，6 m ，扛，吼，r ，见，d ，s ，l ) ( 1 1 0 ) b 拱端推力沿水流方向分布 孙建嘲得到，拱端力特征值沿程呈非连续的多峰分布，主峰明显突出。时均拱端力沿 流程的最大值位于冲击点和时均压强最小点之间，拱端力脉动最大值位于冲击点附近。时 均值和脉动值叠加的瞬时值位于冲击点或稍偏下游附近。 c 拱端推力的最大值 天津大学杨敏m 3 等对拱端推力的大小进行了试验研究，得到最大拱端推力的经验公式 为 等- o 南号( 分证。1 。饥9 式中，口为射流入水单宽流量；为上下游水头差；d 为底板厚度； 矽为拱圈的圆心角； 为水舌入水宽度与反拱底板弦长的比值。公式的适用条件为：单宽流量q = 4 0 - - - 3 4 0 m 2 s ：上下游水位差胆l5 0 2 4 0 l i l ；水垫塘水深a - - 3 0 - - - 8 0 m 。 候庆国等啪3 通过试验研究和理论分析相结合的方法，拟合得出拱端推力的经验公式： 一f ：1 9 4 r 2 1 7 q d 1 0 3 11 4 7 ( 1 1 2 ) 一= 一一x l l - 一 i_ g2 0 5 h 1 5 及。 一 1 3 5 数值模拟研究 到目前为止，许多水利工作者不仅对反拱水垫塘的试验研究有了一定的进展，也正在 根据数值计算理论，采用自编程或流体计算软件先后对各种入流方式和不同体形的水垫塘 水流特性、动水压力及消能效果等做了一些数值计算。例如，文献 4 2 1 9 9 3 年采用局部流 线迎风有限元法及k - f 紊流模型，对定床冲坑内的水流特性进行了二维数值模拟计算， 得到冲坑内水流速度和压力的分布，为进一步用数值模拟方法定量分析河床冲刷奠定了基 础；文献 4 3 】用二维大涡模拟法初步研究了水垫塘内的水流和压力；1 9 9 8 年清华大学苑明 西安理工大学硕士学位论文 顺用二维大涡模拟法和流动标点法，对溪洛渡电站坝身表孔、深孔水舌空中抛射和水垫塘 内的流场进行了数值计算m j ；文献 4 5 1 应用紊流射流理论、瞬变流理论和随机函数模拟方 法，建立平底板块失稳的数学模型，用特征线法数值求解得到底板缝中动水压力、流速、 板块上举力以及板块失稳水深等，预测了水垫塘底板块的失稳；四川大学高速水力学国家 重点实验室【纷5 0 】对单、多股水平淹没射流，单、多股水舌在水垫塘中的扩散规律及紊动特 性，复杂三维紊动场以及水垫塘的消能特征进行了数值模拟，为实际工程提供了参考。文 献 1 7 、2 4 对反拱水垫塘的流场进行了数值模拟，文献【2 5 】对反拱水垫塘和平底水垫塘的 流场、压强场和流速场进行了数值模拟，并对两种水垫塘进行了比较。 1 4 存在的问题 综上所述，学者们针对在射流冲击作用下，止水发生破坏、锚固完全失效的条件下， 水垫塘底板稳定性、底板压强、上举力和拱端推力特性等方面进行了大量的试验研究，并 取得了一定的成果，它对指导水垫塘底板的设计工作起到了良好的作用，但也存在一些问 题和不足之处，如下： ( 1 ) 在破坏机理的研究中，是在一个缝宽条件下进行的，且未获取底板块飞出座穴， 以及拱圈失稳的实测过程。 ( 2 ) 在缝隙动水压强特性研究中，是在止水完全破坏的条件下进行的，未考虑止水正 常和止水部分破坏的影响。 ( 3 ) 在拱圈底板压强、上举力和拱端推力的特性研究中，未考虑底板块扬压力荷载的 影响。 因此，本文特别针对几个不同的缝宽条件、扬压力水平和止水破坏程度对反拱水垫塘 的破坏机理和工作机理进行研究。 1 5 研究目的和内容 1 5 1 研究目的 结合某高拱坝反拱水垫塘的体型，制作精细的水垫塘物理模型，在高水头、大流量以 及拱圈底板受到不同荷载作用条件下，通过对反拱底板块的振动位移、底板块上下表面的 动水压强的分布规律、底板锚固力以及拱端推力的变化规律的试验研究，得出反拱水垫塘 局部失稳和整体失稳的破坏机理、底板缝隙动水压强与扬压力荷载的相互作用和拱结构与 底板径向锚固力联合作用的工作机理。 1 2 第一章绪论 1 5 2 研究内容 本文以某高拱坝反拱水垫塘模型为基础，进行以下试验研究： ( 1 ) 在较大的冲击动水压强作用下，改变底板块间的缝隙宽度，利用位移传感器， 测得反拱水垫塘沿程的单底板块和多个底板块径向振动位移，对所测数据进行分析，得出 拱圈底板块振动位移沿流程的变化规律，进而研究反拱水垫塘单底板块、多底板块和整体 拱的稳定条件及其破坏机理。 ( 2 ) 通过改变拱圈底板块之间的缝隙宽度、扬压力水平和止水破坏程度，利用压 力传感器，测量拱圈底板块下表面的动水压强，研究作用在反拱水垫塘上的缝隙动水压强 和扬压力荷载的相互作用。 ( 3 ) 改变拱圈底板块的锚固力水平、止水破坏的程度和拱端预压水平，利用安装 在底板块上的拉力传感器、可预拉传感器和拱端推力传感器，测量拱圈底板块的上举力、 锚固力以及拱端推力，得出三者的变化规律，研究反拱水垫塘拱结构与底板径向锚固力联 合作用机理。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 试验模型设计与制作 2 1 试验模型布置 为了研究反拱