高拱坝水垫塘底板块稳定性研究

高拱坝水垫塘底板块稳定性研究

水库水库底部板块的稳定性可以保证高拱下的稳定性，为选择和配置洪水减少会提供麻烦。回顾水坝水垫塘底板块稳定性设计的主要研究,已经在技术层面已取得相当成功的经验,达到了“局部泄洪,分布消能,及时防护”的综合治理需要。在坝身泄洪方面,根据水垫塘混凝土块体的受力分析和模型试验结果采用了“分层差动,上下多孔,缓解撞击”的形式。由于水垫塘的稳定性优于平底水垫塘,可是水垫塘板块的稳定性设计还缺少一定的统一认识,特别是对水垫塘泄洪机理、稳定施工等方面的研究工作还是有所欠缺。那么研究控制水垫塘底板块的稳定性设计和施工原理就具有一定的实际意义。1水垫塘底板块稳定性维持的一般过程利用水坝水垫塘底板的防护结构,形成动位保证,建立水体、基岩、锚固钢筋的耦合,并可据此计算出不同破坏状态下底板块的极限动位移。例如:二滩工程中的水垫塘底板失稳就破坏了整个工程各个阶段的动位,发生了水位提高的现象。由此可见,高坝下游水垫塘底板块失稳破坏机理与水力设计是相当重要的一项技术,对整个高坝建设起着保护作用。通常来讲,要保证水垫塘底板块的稳定性就要多通过实验来验证技术指标是否准确,相关的失稳破坏机理原因与塘内淹没冲击射流对底板的冲击力的测试。只有相关的测试次数达到标准才能保证高坝水垫塘底板上的脉动压力稳定,直接促使板块底面缝隙层中所引起的板块脉动力有达标的上举力。水坝水垫塘底板块的稳定性维持需要注意以下几个方面:第一,水坝的水垫塘内水射流的冲击会带来一些流沙,这些沙粒会互相碰撞,从而导致板块接缝处的止水设备被全部破坏;第二,要注意高脉压力水流的控制,由水坝的射流冲击区所产生的高压力波在水垫塘底板块的接缝处会形成一定的冲击和挤压,这种冲力会带有一定的破坏性,严重时会导致接缝处被挤压入板块底面原生缝隙层中,这样就会使水垫塘底板块上受到强大的上举力,而不停地扩展和分离,在水射流的冲击和上举力的双重作用下最终会导致板块和基岩分割开来,造成难以想象的后果;第三,由于地理环境的不同,水坝与基岩脱离的板块,在水流脉动上举力作用下,会出现一些变幅变频的随机振动,导致失稳出穴。此外,板块的起动过程特征与板块所受的脉动上举力特征息息相关,同时板块相对于塘内淹没冲击射流冲击点的位置具有重要联系。通常,板块的起动过程主要由高频小振幅的振动和低频大振幅的振动组成。例如,崔广涛、毛野、崔莉、高季章等学者对水垫塘底板块起动过程的相关实验结果表明,水垫塘的底板块起动失稳过程主要包括了三个相互关联的阶段,即为轻微振动、升浮振动和上升出穴。其中,对于轻微振动,座穴内的板块上下起伏的幅度较小,但是震动频率相对较高,实质上属于小振幅高频率的振动类型;对于升浮振动,座穴内的板块上下起伏的幅度较前者明显增大,但是同时振动频率大大降低,实则属于低频大振幅振动类型;对于最后一种上升出穴,座穴内的板块处于不断上升阶段,最终脱离座穴。具体来讲,板块的出穴方式主要分为翻转出穴和垂直拔出两种类型。2水垫池运营现状分析2.1板块稳定性条件在水垫塘正常运行工况条件下,一般会假定水垫塘底板止水尚未得到破坏,但是排水已经失效。所以,在进行板块的受力分析之时,板块和基岩的锚筋力、板块的重力、底板上由大尺度紊流压力脉动引起的脉动荷载以及板块下的扬压力等都必须囊括在内。经过板块受力分析,我们可以得到板块的稳定性条件可以用公式(1)来表示。(Ρ-Ρ′max)+G+FR-FU≥0(1)(P−P′max)+G+FR−FU≥0(1)式中:FR和FU分别代表板块和基岩的锚筋力、板块下的扬压力;G为板块的重力;P′max及P分别表示板块顶面上的脉动压力和时均压力;那么,经计算,P-P′max即是板块顶面上的瞬时压力。具体操作过程中,可以运用瞬变流理论、紊动射流理论以及随机函数模拟方法,构建平底板块失稳的数学模型,然后,再用特征线法数值求解,最终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。2.2板块的受力状况在水垫塘检修放空工况对于水垫塘检修工况时,可以认为水垫塘底板止水未遭受破坏,但是此时排水已经失效。所以,板块的受力状况较正常运行工况有一定的差别,主要的受力包括:板块和基岩的锚筋力、板块下的扬压力以及板块的重力。这样,公式(1)就转化为公式(2),如下:Κf=(G+FR)/Fu(2)Kf=(G+FR)/Fu(2)需要注意的是,在进行水垫塘检修的工况条件下,一般下游尾水位取水垫塘下游最低尾水位。2.3板块整合计算工况通过对近年来施工领域的了解,水垫塘板块失事的情况较为普遍,而且导致多数板块失事的原因都在于板块间止水破坏导致的板块揭底破坏。整个破坏过程表现在当板块间止水破坏后,脉动压力便直接通过接缝处进入板块底面缝隙层中,且在其中迅速地传播,导致板块上作用着强大的脉动上举力,最终导致板块揭底破坏。所以,规范所要求的两种计算工况远远不够,我们还需要考虑在板块止水破坏后,水垫塘的运行工况,以作为前两种工况的校核。这样以来,止水就和排水一样作为安全储备之用,不再算作计算条件了。对于此种工况,我们可假定水垫塘在板块止水破坏、排水失效下运行。这种情形下,板块所受的主要的力有:板块下锚筋的拉力FR,板块的重力G,板块下的渗透压力FS。其中,可以近似用静水浮力FSb表示由板块顶、底面上时均压力引起的压差,用F′max表示在板块底面缝隙层中传播脉动压力所引起的最大可能的脉动上举力。依据对板块的受力分析,版块的稳定性条件可以用公式(3)来表示:G+FR-FS-FSb-F′max≥0(3)若引入安全系数,公式(3)可以表示为公式(4)的形式:Κf=(G+FR)/(FS+FSb+F′max)(4)3反拱水垫塘破岩锚固力试验研究反拱水垫塘作为一种新型消能防冲结构,已经计划在我国溪洛渡等高拱坝中采用。其中,反拱水垫塘结构的稳定性是其在大流量、高水头作用下能否安全运用的关键问题之一。例如,溪洛渡拱坝模型试验研究了拱坝坝身泄量最大时,在反拱圈横缝止水设施破坏、动水压强贯入底板缝隙、基岩锚固力失效的极端情况下,反拱水垫塘底板块上举力的分布规律及脉动上举力谱密度特性等,该成果对反拱水垫塘的设计、运用及稳定性研究具有理论意义和实际指导意义。此外,杨丽萍、孙建、赵燕华、张金明以及樊新建等学者通过运用重力相似准则、冲击射流理论,同时在满足紊流阻力相似条件的前提下,构建了高水头、大流量作用下反拱水垫塘精细模型。模型主要研究和总结出在拱圈底板块止水设施破坏和底板块锚固失效的条件下拱端轴力变化的规律。通过试验证明,沿水流方向拱端力在冲击点上下游各0.1m附近达到最大沿流程衰减;通过转换得到拱端最大受压强度,在试验范围条件下的底板块尺寸,最大径向相对位移小于底板块厚度的70%时能够满足抗压强的要求;拱端力大小还会随拱圈振动底板块数目的增多而增大。这些研究结论对进一步研究反拱水垫塘的结构奠定了良好的基础。4反菱形水垫塘底板块稳定性综上所述,高拱坝下游水垫塘底板块的稳定性课题是一个比较复杂的问题。截止目前,还没有形成统一的设计方法,尤其是针对反拱形水垫塘底板