反拱水墊塘在高拱壩中的應用

反拱水墊塘在高拱壩中的應用

在狹窄的山谷中，水庫下游的洪水消除和風險預防是關(guān)鍵。通常采用的工程措施是以混凝土襯砌河床基巖,用鋼筋錨固底板與基巖,形成水墊塘來防沖?？恳欢ㄉ疃群鸵欢克w,以三元水躍旋滾消殺水流能量,確保水流與下游合理銜接。水墊塘底板(護坦板)大多為矩形或梯形斷面,稱平底水墊塘。國外最早應用了反拱底板,稱反拱水墊塘,如西班牙Susqueda拱壩,南非PRLeRoux拱壩,但其運用的泄洪流量不大。近些年來,我國正在修建一些300m級的高拱壩,壩身泄洪流量較大,如已建的二灘,在建的小灣、構(gòu)皮灘,擬建的溪洛渡拱壩壩身泄量達到30000m3/s為最大。隨著超高壩泄洪消能關(guān)鍵技術(shù)的深入研究,揭示出反拱水墊塘具有開挖量小、易穩(wěn)定兩岸山體、超載能力強等優(yōu)點,是高拱壩壩身泄洪消能的合理選擇。本文比較了兩種水墊塘的工作原理,論證了反拱水墊塘是一種優(yōu)化的水墊塘體型,是超高拱壩壩身泄洪消能的合理選擇。1水閥底板的穩(wěn)定原理1.1底板塊上舉力平底水墊塘是指水墊塘的底板表面是平的。在施工中,整個水墊塘底板用垂直和平行的橫縫分割為許多底板塊,每塊用鋼筋錨固在河床基巖上,各底板塊之間的底板縫隙中設(shè)有止水設(shè)施。圖1給出了水墊塘底板在挑流水舌作用下的受力示意。水舌在水墊塘中的擴散可大致分為三區(qū)域:自由擴散區(qū)Ⅰ、沖擊射流區(qū)Ⅱ和壁射流區(qū)Ⅲ。處于Ⅱ、Ⅲ區(qū)范圍內(nèi)的底板塊受到的力荷載有:①底板塊表面的動水壓力。②底板底面與基巖縫隙中的楊壓力和滲透壓力。如果底板塊間的縫隙止水設(shè)施遭到破壞,底板塊表面的動水壓強會貫入底板縫隙中,與楊壓力和滲透壓力一起形成縫隙動水壓力;如果大壩上游帷幕灌漿和水墊塘下游排水發(fā)揮作用,縫隙動水壓力則主要由底板表面動水壓力貫入底板縫隙中產(chǎn)生。③底板塊間的咬合力(摩擦力)。④底板塊和基巖之間的錨固力。⑤底板自重?？紤]底板塊在豎直方向的力平衡,則底板保持穩(wěn)定平衡的條件為:F=∫ω(qd-qu)dBdL≤(G+∫ωqrdBdL+Rτ)(1)F=∫ω(qd?qu)dBdL≤(G+∫ωqrdBdL+Rτ)(1)式中,F為底板塊上舉力;qd、qu為底板塊表面和底面上的動水壓強;G為底板塊自重;qr為底板錨固力分布荷載;B×L=底板塊寬×長;Rτ為底板塊咬合力。當式(1)成立,底板塊處于穩(wěn)定;反之,底板塊會發(fā)生失穩(wěn)破壞。力荷載中,底板塊之間的咬合力Rτ較小可予以忽略。F取決于底板表面動水荷載和縫隙動水荷載。當?shù)装鍓K間止水設(shè)施破壞,縫隙動水壓力可以達到與底板表面動水壓力相同的數(shù)量級,同時兩者瞬時相位相反,會造成較大的底板上舉力,其是決定底板塊上浮的主要因素之一。qr決定了錨固力的大小,是阻止底板塊上浮的決定因素之一,但底板塊錨固深度不夠、施工質(zhì)量不良等原因則會造成錨固力失效。在這種情況下,底板塊上舉力的大小足以讓底板塊拔出其座穴,國內(nèi)已有一些工程發(fā)生過類似的破壞。從式(1)中可見,水墊塘平底板塊的穩(wěn)定是以一個獨立底板塊的升浮作為控制條件的。由于各底板塊間無相互作用,要求挑流水舌作用范圍內(nèi)的底板塊都要滿足方程式(1)。因此,水墊塘大面積范圍內(nèi)的施工質(zhì)量要求都很高。一旦水墊塘中有一底板塊掀起,則會引起周圍底板塊的連鎖破壞,水流沖刷河床基巖,嚴重者則可使兩岸邊坡和山體坍塌。1.2荷載作用下的反拱圈反拱水墊塘是一個倒拱形殼體結(jié)構(gòu),如圖2所示。沿水流方向約有幾百米,用橫縫(垂直于水流方向)分割成若干個反拱圈;垂直于水流方向,反拱圈用徑向伸縮縫(施工縫)分為若干塊,錨固在基巖上,拱端支撐在兩岸山體上,支撐端稱為拱座。反拱水墊塘底板的工作原理可以通過反拱圈的力荷載及其作用下的底板塊變位趨勢加以分析。力荷載與平底水墊塘相同。圖3給出了反拱圈荷載分布示意。其中,(Q,N)|i=A,B,θ為反拱截面徑向剪力和軸向壓力(壓力為正),下標A、B表示兩拱座,θ表示任意截面處。沿反拱底板橫向取一個微元弧長ds=Rdθ,其中R為反拱半徑,θ∈[-θc,θc]為反拱切向角,2θc為反拱中心角。則沿反拱弧長單位面積(水流方向)的動水荷載為:q=(qd-qu)-qr+qFs=qΡ-qr+qFsqg=γsd(2)式中,q為徑向荷載;qP=qd-qu為徑向上舉力荷載(指向拱心為正);qd、qu為反拱表面和縫隙動水壓強;qr為徑向錨固力荷載;qFs為徑向承載力荷載或者基巖對反拱底板的支撐力荷載;qg=γsd為豎向底板自重荷載(豎直向下為負);γs為混凝土重度;d為反拱圈的混凝土厚度。當上舉力荷載qP<0(縫隙中動水壓強小于底板表面動水壓強),其不足克服錨固力qr(其方向向上)和自重qg,反拱圈上各板塊依靠自重、向下的上舉力、錨固力qr和承載力qFs保持穩(wěn)定。qr約束反拱圈產(chǎn)生離心趨勢。若錨固力失效,河床基巖承載力不足并產(chǎn)生一定塑性變形,拱座和反拱截面才可能出現(xiàn)拉力。當上舉力荷載qP>0(縫隙動水壓強大于底板表面動水壓強),并能克服錨固力qr(其方向向下,如圖3所示)和自重qg時,反拱圈產(chǎn)生向心位移趨勢,qFs失去約束作用,反拱圈上各板塊相互擠壓,其截面產(chǎn)生軸向壓力,從拱冠通過拱作用傳至拱兩端變成拱端推力,由拱支座和兩岸山體承擔。這種情況常發(fā)生在反拱底板止水設(shè)施遭到破壞,底板表面動水壓強貫入底板縫隙,錨固力失效時,對反拱底板的穩(wěn)定最為不利。因此,反拱底板利用拱作用將豎向、徑向荷載變成反拱軸向壓力,利用混凝土材料抗壓性傳遞給反拱兩端拱座,依靠山體和拱座的穩(wěn)定保持底板塊自身穩(wěn)定,將單個底板塊在荷載作用下的穩(wěn)定變成了反拱圈整體的穩(wěn)定。這是與平底水墊塘必須保證單塊不失穩(wěn)才能穩(wěn)定的一個重要的區(qū)別,也是反拱水墊塘在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于平底水墊塘的一個重要原因。2反拱水墊塘底板加固機理由圖2可見,平底水墊塘剖面邊坡和底板之間是一銳角,在其兩邊坡附近比反拱水墊塘剖面多削去了一部分基巖,破壞了兩岸山體及河床基巖的完整性。水墊塘越深,其襯砌邊坡越陡,泄洪時水流強烈地紊動,都不利于峽窄河谷中兩岸高邊坡山體的穩(wěn)定,并會直接威脅上游拱壩壩肩穩(wěn)定。相比之下,反拱水墊塘剖面卻能克服平底水墊塘的這些不足之處。另外,水墊塘底板荷載一般是溢流中心附近較大,沿橫向逐漸衰減,所以沿橫向水墊塘底板高程可逐漸提高,水墊深度可適當減少,以減少河床基巖的開挖量。平底水墊塘底板沿橫向高程不變化,反拱水墊塘底板卻沿橫向逐漸抬高,因此其形狀適應水動力荷載沿橫向變化規(guī)律。由此可見,反拱水墊塘剖面是一種優(yōu)化的剖面體型。3模型試驗結(jié)果以溪洛渡水墊塘底板上舉力模型試驗值以及拱端推力為例,說明水墊塘底板荷載的大小。試驗中泄洪水流條件見表1,底板上舉力試驗結(jié)果詳見表2。其中,qP=F/ω為上舉力強度,ˉqP、σ、qP、qPmax為其時均值、均方根、瞬時值和時域內(nèi)的最大瞬時值。模型試驗是在比尺為150的整體水墊塘模型上,考慮底板縫隙止水設(shè)施破壞,底板表面動水壓強貫入縫隙,不計基巖錨固力,底板塊尺寸為長×寬×厚=10m×10m×3m的條件下完成的。水墊塘底板荷載計算條件和試驗條件相同。3.1混凝土底板失穩(wěn)破壞的抗壓性從表2可見,在所有泄洪工況下,(Fmax-G)/G=0.83～3.83,表明底板塊上舉力Fmax為底板塊自重4.84倍。在底板縫隙止水設(shè)施破壞、錨固力失效的條件下,其足以使底板塊拔出座穴。這種破壞形式不是混凝土材料的強度或疲勞破壞,而是底板塊整體掀出。因而底板并未發(fā)揮混凝土材料優(yōu)越的抗壓性,它只是起到隔離水流與河床基巖,防止其沖刷的作用。如果對底板塊上舉力幅度考慮不周、底板錨固施工不良,例如錨深不夠、錨固鋼筋脫落等,那么一旦底板縫隙止水設(shè)施破壞,底板塊遲早要發(fā)生失穩(wěn)破壞。此外,從圖2可見,平底水墊塘底板承載長度(其底寬)小于反拱水墊塘底板承載長度(其底板弧長),所以前者底板承受的水動力荷載比后者在橫向更集中。3.2拱端推力強度考慮反拱水墊塘中反拱圈上下游橫縫止水設(shè)施破壞,動水壓強貫入底板縫隙,不計基巖錨固力的情況。假設(shè)模型試驗得出的最大瞬時上舉力沿拱圈徑向均勻分布,即q=qPmax(見圖3)。反拱拱圈可簡化為無鉸拱、二鉸拱、三鉸拱和多鉸拱等形式。但對于不同反拱結(jié)構(gòu)形式,拱端軸向力相差不大。為簡化起見,以三鉸拱(三個鉸位于兩拱端和拱心處)進行分析計算,兩拱端水平和垂直反力計算公式為:{VA=VB=qRLsinθc-0.5GΗA=ΗB=qRLcosθc-0.5Gθcsinθc+cosθc-1(1-cosθc)θc(3)式中,VA、VB、HA、HB為兩拱端處垂直和水平反力;G=2γsdLRθc為反拱圈重;θc=38.88π/180;R=81.255m。兩拱端徑向和軸向反力,即拱端推力(見圖3)為:{QA=QB=ΗAsinθc-VAcosθcΝA=ΝB=ΗAcosθc+VAsinθc(4)表3給出了各種泄洪工況下反拱圈拱端極限推力計算值。其最大值約為拱圈重2.7倍,是目前國內(nèi)最大過流能力(30000m3/s)的反拱水墊塘的拱端極限推力。反拱圈的強度要求拱端推力強度小于巖體抗壓強度和混凝土抗壓強度。假設(shè)巖體為微風化花崗巖,抗壓強度大于15MPa,混凝土抗壓強度按400#水泥計算約39.2MPa,取拱端斷面不均勻系數(shù)μ=2,則拱端推力強度qF為:qF=μΝALd=2×211928.5810×3.00=14128.57(kΝ/m2)≈14.12(ΜΡa)<15(ΜΡa)可見,這個拱端推力強度有一定大小,但反拱圈截面和拱端巖體卻能在其壓力強度范圍利用混凝土和巖體材料抗壓性抵抗徑向上舉力荷載。因此,反拱水墊塘底板能充分利用混凝土材料優(yōu)越的抗壓性。反拱圈的穩(wěn)定還要驗證拱端整體滑動。由于其涉及拱端推力荷載、兩岸山體巖石地質(zhì)條件等問題,不便作一般分析。但已知拱端極限推力荷載,采用混凝土預應力等工程技術(shù)措施,是可以做到拱端整體穩(wěn)定的。因此,即使不考慮底板錨固條件,只要反拱水墊塘拱端保持穩(wěn)定,反拱底板就能充分利用混凝土和兩岸巖體的抗壓性,依靠拱端穩(wěn)定達到自身穩(wěn)定。4錨固強度及支護效果仍考慮表2中的試驗條件和荷載為準,通過數(shù)值計算,比較上舉力荷載對兩種水墊塘截面尺寸影響。為此,定義以下幾個比值:ηδ=δi/δt為錨固強度比,即單位底板面積上的錨固鋼筋數(shù)量之比。其中,δi為反拱圈錨固強度;δt為平底板錨固強度。其物理意義表示以平底水墊塘錨固強度為準,反拱水墊塘底板錨固強度的大小,ηδ<1表示反拱水墊塘底板錨固強度低于平底水墊塘底板錨固強度。ηNg=Ngi/Ngt為鋼筋用量比。其中,Ngi為反拱圈錨固的鋼筋用量(按整個反拱弧長考慮);Ngt為平底水墊塘錨固鋼筋用量(按整個底板橫向?qū)挾萣=2Rsinθc考慮)。ηN=N/Nmax為拱端推力比。其中,N為反拱圈達一定錨固強度ηδ時的拱端推力;Nmax為ηδ=0時的拱端極限推力。ηd=dη/d為拱端厚度比。其中,dη為拱端推力達N時的拱端厚度;d=3m為拱端原厚度。ε為錨固后拱端推力N與反拱圈重G之比。4.1錨固鋼筋的計算根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù),以直徑dg=10(面積Ag=0.25πd2g),抗拉強度為σg=441N/mm2的錨固鋼筋,可計算出δt=7.84根/m2。即一個10m×10m的底板塊受到的上舉力達底板塊自重4.83倍時,若qr=δtσgAg,即可保證底板塊在縫隙止水設(shè)施破壞時處于穩(wěn)定狀態(tài)。假定整個底板的橫向?qū)挾葹閎,則Ngt=bLδt=7992.2根。4.2拱端推力失穩(wěn)分析圖4給出了錨固強度比對拱端荷載影響的計算曲線?？梢?對于不同泄洪工況,當ηδ增加時,ηN不斷減少;當ηδ=0.965,ηNg→1時,ηN→0,即反拱圈拱端最大推力為零。假使上舉力荷載大于表2中的最大值,實際拱端推力大于極限推力荷載,拱端此時才開始承受推力作用,而不產(chǎn)生失穩(wěn)。但對于平底板,如果上舉力荷載大于表2中的最大值,底板塊必定失穩(wěn)。相比之下,反拱底板超載能力強,穩(wěn)定性又高。5d的影響圖5給出了當拱端推力保持在極限推力時,錨固強度比對縮小拱端厚度的計算曲線?？梢?隨ηδ增加,ηd在減少。當ηd=0.2時,拱端厚度減少到20%。在這種條件下,拱端推力強度是否超過巖體和混凝土抗壓強度則成為主要決定因素?？梢?反拱底板厚度在底板錨固時可縮小許多,而平底板厚度卻不能減少。6反拱圈穩(wěn)定機理本文從理論上分析了平底水墊塘和反拱水墊塘底板穩(wěn)定性原理,得出平底水墊塘底板塊穩(wěn)定是以一個獨立底板塊的升浮作為控制條件的;而反拱水墊塘是利用拱作用將豎向、徑向荷載變成反拱軸向壓力,利用混凝土材料抗壓性傳遞給反拱兩端拱座,依靠山體和拱座穩(wěn)定保持底板塊自身穩(wěn)定,將單個底板塊在荷載作用下的穩(wěn)定變成了反拱圈整體的穩(wěn)定。以溪洛渡水墊塘實測底板塊上舉力,分析和論證了:①反拱形狀適應動水荷載沿橫向變化規(guī)律,使其沿橫向分布更為合理。②在底板縫隙止水設(shè)施破壞,錨固力失效的條