水垫塘拱座稳定性试验研究

水垫塘拱座稳定性试验研究

1水垫塘反拱底板稳定性研究反弧底板的工作原理是将影响地面的水压源输送至拱端，并通过调整两侧山脉以确保反弧底板的稳定性。对于拱端推力及上举力的形成、变化规律及频谱特性前人已做过大量研究,孙建、常云华等通过模型试验研究了上举力和拱端推力的分布规律及频谱特性,并推算出了拱端的极限推力,这对于工程实践具有很重要的指导意义;但如何定量研究水垫塘反拱底板的稳定性,前人研究的较少,也是实际工程面临的亟待解决的课题。练继建、杨敏等提出了“随机拱”分析模型,并建立力学模型研究板块的局部稳定性和整体稳定性,揭示了反拱底板在复杂工作条件下的受力机理和失稳模式及水垫塘内的水动力荷载特性,并基于粘结滑移、非线性接触理论提出一种适用于反拱底板结构体系的非线性耦合静动力分析方法;马斌等通过有限元分析研究了板块的整体稳定性和局部稳定性与底板体型之间的关系;史军等通过建立水垫塘反拱底板的块体弹簧元的数学模型分析计算反拱底板的稳定性。基于力学模型及块体弹簧元的数学模型的研究方法,由于大大简化了反拱底板的受力情况,且后者假定块体系是线弹性的,导致得到结论比较粗略;基于粘结滑移、非线性接触理论的研究方法,能够比较准确的反映底板的受力情况,但前人往往通过假定拱座提供的一系列拱端力来研究板块的局部稳定性,这不能反映拱座在保证稳定下所能提供的拱端推力。本文通过刚体极限平衡法,并结合有限元法,在研究拱座稳定性的基础上分析板块的局部稳定性。2密封稳定性研究2.1拱座抗滑稳定计算方法拱坝的拱座抗滑稳定分析,在混凝土拱坝设计规范中提出的滑动体边界,常由若干个滑裂面和临空面共同组成。滑裂面为岩体内的各种结构面,尤其是软弱结构面;临空面为地表或者软弱结构面。滑裂面上的抗剪强度参数应根据规范规定所取得的试验值,并结合岩体实际情况、采取的工程处理措施以及蓄水后可能发生的变化进行确定。拱座抗滑稳定的主要数值计算方法是刚体极限平衡法。拱座稳定计算应包括的荷载有坝端传来的作用力、渗透压力、岩体自重和地震荷载。对于拱坝,采用抗滑稳定分析的刚体极限平衡法时,可按下式进行计算K=∑Nf∑T∑Νf∑Τ(1)式中,K为抗滑稳定安全系数;N为与滑裂面垂直的作用力;T为沿滑裂面的作用力;f为抗剪断摩擦系数。反拱型水垫塘拱座的稳定至关重要,其稳定性关系到反拱水垫塘的整体稳定,本文采用式(1)进行稳定性分析。拱座受到基岩、边坡及底板的约束,其受力情况比较复杂,主要有拱端推力、基岩及边坡约束力、渗流压力及自重等荷载。当拱座受到的拱端推力达到一定的水平时,拱座就有可能沿拱座与基岩之间的的接触面发生滑动,从而引起拱座失稳。影响拱座滑动的主要因素包括:(1)基岩与拱座之间的接触约束;(2)拱端推力等荷载作用。为此,在进行整体抗滑稳定计算时,必须了解岩体与基岩间的接触情况,选取滑动面上的抗剪强度指标,失稳时最可能的滑动面和滑动方向为沿拱座与基岩的接触面的竖向滑动。常见的反拱型式如图1所示。2.2关于拱座作用的力系拱坝拱座稳定分析方法中的刚体极限平衡法,其基本假定是:(1)将滑移体看作为刚体,不考虑其间相对的位移;(2)不考虑滑移体上力矩的平衡,只考虑力的平衡,认为前者可由力的分布自动调整满足,因此,在拱端作用的力系中不考虑弯矩的影响;(3)认为作用在岩体上的力系为定值,从而忽略拱坝的内力重分布作用;(4)达到极限平衡状态时,滑裂面上剪力的方向将与滑移方向平行,但指向相反,数值达到极限值。刚体极限平衡法简化了拱座的受力情况,且不考虑拱座与基岩间的相对位移,而对于反拱型水垫塘拱座稳定性分析,拱座与基岩间是允许有一定的错位,但允许有多大位移至今还是个工程难题。故运用刚体极限平衡法分析反拱水垫塘拱座稳定性是偏于保守的,是合理的。2.3拱座抗滑稳定验算利用刚体极限平衡法,推导出反拱水垫塘拱座抗滑稳定安全系数设计表达式。设在滑裂面A1和A2上分别作用有法向力R1和R2、切向力S1和S2、渗流压力U1和U2,径向锚固力H1和H2,切向锚固力T1和T2,N为作用于拱端的拱端推力,拱座计算简图如图2所示。因为假定拱圈及拱座在顺水流方向没有位移,因此拱座的抗滑稳定分析可按平面问题通过计算可能滑动块体的抗滑稳定安全系数来进行。由平衡条件可得X和Y向的平衡方程如下将式(4)、式(5)代入式(1)、式(2),可得K=[(G+H2−U2)sinε+Nsin(α−ε)−T2cosε+H1−U1]Ncos(α−ε)−T2sinε−(H2+G−U2)cosε−T1⋅f1(6)Κ=[(G+Η2-U2)sinε+Νsin(α-ε)-Τ2cosε+Η1-U1]Νcos(α-ε)-Τ2sinε-(Η2+G-U2)cosε-Τ1⋅f1(6)式中,K为拱座的抗滑稳定安全系数;f1为滑裂面A1上的抗剪强度指标;f2为滑裂面A2上的抗剪强度指标;α为拱端和拱座接触面与垂直面的夹角;ε为拱座与基岩接触面竖向夹角。假设达到极限平衡状态,拱座下表面与基岩之间已经产生裂缝,并且已经分离,故忽略了该处的粘结力对于抗力起到的积极作用,因此由式(6)计算得到的反拱型水垫塘拱座安全系数是偏于安全的。根据二滩等工程的实际情况看,在抽排措施正常工作的前提下,扬压力都很低,一般不会超过100kPa,扬压力按150kPa计算拱端推力具有很大的安全裕度。3局部稳定性3.1反拱长度和弦长对局部稳定性影响止水破坏的情况下,影响板块局部稳定的因素主要有以下几个:(1)板块与基岩间及板块与板块之间的接触约束,接触系数大对于局部稳定性是有利的;(2)板块厚度及板块数目板,一定范围内板块越厚及分块数目多对于局部稳定性是有利的;(3)反拱曲率及弦长对局部稳定性影响较大;(4)拱座型式及拱座与底板间的接触约束,其对于反拱底板整体稳定性和局部稳定性有着重大的影响。3.2局部稳定性分析反拱底板的破坏形式包括两种:一是反拱底板的整体失稳,即当反拱底板在水动力荷载作用下产生的拱端推力超过“拱座”的抗力时产生的失稳;其二是反拱底板的局部失稳,即当反拱底板在随机水动力荷载作用下块与块之间形成“随机拱”,导致某一板块破坏。整体稳定性针对于一个拱圈整体而言,而组成拱圈的各板块间存在缝隙,使其不是一个整体弹性结构,这使处理问题存在困难;局部稳定性是建立在“随机拱”模型基础之上的稳定分析方法。作用于板块的动水压力通过拱圈传递到拱端,最终通过拱座传递到两岸山体,拱座提供的拱端推力是以自身的稳定性为基础的,也即整体稳定性,拱座能够提供的拱端推力越大,说明自身稳定性越好,对于局部稳定性也越有利。以往的研究往往将二者分开分别研究,其实二者是相互影响相互依赖的,在保证拱座稳定的前提下研究板块局部稳定性,能够很好地反映二者之间的关系。3.3静力分析中的时间本文基于非线性接触理论,运用ansys软件建立反拱水垫塘有限元模型,采用静力分步加载,绘出作用于单个底板块的荷载F随时间增加的曲线,静力分析中的时间为伪时间。在不同荷载F作用下,即在不同时间,板块有不同的位移,对位移～时间曲线处理可以得到板块上任意一点的变形速率～荷载曲线,对曲线进行分析得到板块保持稳定的极限抗力Fmax,如图3所示,对应板块的极限抗力为402.46kPa,图4为板块有限元计算简图。4无锚固情况下的板块极限抗力以在建的白鹤滩工程和已建拉西瓦工程为例,为研究方便,各取两个体型为研究对象,建立反拱水垫塘有限元模型,各体型参数见表1。板块、拱座、边坡、基岩间采用接触处理,基岩与底板之间的接触系数均为0.9,各底板块之间接触系数均为0.55。对基岩进行全约束,板块、拱座及边坡没有顺水流方向位移。板块、拱座及边坡均考虑自重,基岩由于多年沉积,重力作用下的变形已经完成,所以不考虑自重。表中ε为反拱结构的拱座与基岩接触面竖向夹角,定义系数β=弦长(L)/反拱半径(R)。首先研究两工程的拱座稳定性,通过式(6)可算得不同拱座安全系数下所对应的拱端推力,如表2所列。对应于不同的拱座安全系数在拱端施加相应的拱端推力N,通过有限元方法计算工程1和2无锚固情况下各板块的极限抗力系数ζ(ζ=Fmax/G0,G0为单个底板块自重),抗力图如图5～7所示,图5为白鹤滩体型1和体型2及拉西瓦体型2极限抗力系数对比图。板块位置从左至右编号依次为1～5、1～3,拱座安全系数用K表示,板块极限抗力系数左右对称。可知在考虑拱座稳定情况下所得板块的极限抗力随拱座安全系数增大而减小,最小值出现在边缘板块,范围为1.74～3.31,这与文献中提及的反拱底板安全系数是平底板安全系数的2～3倍较接近,本文认为在相同泄洪工况下反拱底板安全系数大于平底板安全系数的1.7～3.3倍。在反拱底板厚度相同、基岩与底板间及底板之间接触系数相同的情况下,随着系数β的增大,边缘板块极限抗力减小,中间板块极限抗力有增大的趋势;在相同或相近β的情况下,极限抗力系数与板块数有关,板块数多则极限抗力系数有增大的趋势。当然,工程实际表明板块数不宜太多,否则成拱条件可能不理想。最终白鹤滩和拉西瓦均采用了各自体型1,根据模型试验实测最大拱端推力和上举力,白鹤滩模型实测的最大拱端推力为42.1×9.8kPa,可得拱座安全系数为3.86,底板在无锚固情况下的安全系数如图8所示,底板最小安全系数为1.2,实际上拱座能提供的拱端推力可能大于42.1×9.8kPa,故底板的稳定性有保证。对于拉西瓦,模型实测最大拱端推力为4.63×9.8kPa,相对拱端安全系数为3时的68.09×9.8kPa小的多,可以认为在各泄洪工况下拱座的安全系数有保障,拱端能提供的拱端推力很大,足以保证板块的局部稳定性。5反拱底板极限抗力与其他基岩接触理论比较,应注意以下几个(1)本文将拱坝拱座稳定性分析的刚体极限平衡法用于反拱水垫塘拱座稳定性分析,并在此基础上研究反拱底板的局部稳定性,即在定量研究拱座稳定性的基础上定量研究反拱底板的局部稳定性,这和以往通过假定不同拱端推力求得底板极限抗力系数相