鶴灘水墊塘底板設(shè)計(jì)初步研究

鶴灘水墊塘底板設(shè)計(jì)初步研究

1水墊塘、護(hù)坡加固設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際資料的分析，鶴灘水閥的設(shè)計(jì)合理，采用反拱設(shè)計(jì)。不僅提高了地板的穩(wěn)定性，而且在滿足水閥厚度的情況下，減少了地板和岸壁的挖掘。水閥塘由兩座水庫(kù)、地板和護(hù)坡組成。二道壩能保證塘內(nèi)足夠水深,對(duì)降低底板的動(dòng)水沖擊壓力、提高底板的穩(wěn)定性、增加水墊塘內(nèi)的消能效率有重要作用。此外,二道壩還可為水墊塘的檢修創(chuàng)造條件。底板和護(hù)坡則提高了壩下河床的抗沖刷能力,有利于保護(hù)壩基巖體和邊坡穩(wěn)定。河床基巖面最低點(diǎn)高程在560~565m,在修建水墊塘后,在各種計(jì)算工況下塘內(nèi)水深較大,挑射水流在水墊塘內(nèi)均能形成淹沒(méi)水躍。因此,二道壩壩頂高程主要是考慮滿足小流量洪水泄流時(shí)的消能要求和檢修要求。白鶴灘水墊塘設(shè)計(jì)初步按水墊塘的檢修要求確定:假定一半機(jī)組發(fā)電時(shí)水墊塘檢修,此時(shí)機(jī)組發(fā)電流量3620m3/s,二道壩下游水位約595m,加上安全超高,并綜合考慮交通等要求,擬定二道壩頂高程為600m,底高程約555m。河床地面高程580m,最低基巖面高程560~565m。經(jīng)初步計(jì)算,河床基巖面(按560m計(jì))以上的水墊深度均滿足淹沒(méi)水躍消能的水墊深度要求,且淹沒(méi)度大于1.7。故初擬反拱底高程為560m,反拱端部高程為576m。枯水期水面寬50~90m,水舌入水總寬按100m控制,水墊塘反拱弦長(zhǎng)擬定為100m。其上按1∶1的邊坡,分兩級(jí),設(shè)兩條寬約5m的馬道,分別位于高程583m和高程600m。水墊塘頂高程633m,總寬221m。2排水設(shè)施和排水手段二道壩采用重力式,壩頂寬滿足檢修的交通要求初擬寬度為6.5m?？紤]到過(guò)壩水流流態(tài)要求,參考類(lèi)似工程初擬上游坡為1∶0.6,下游坡為1∶0.8。二道壩內(nèi)設(shè)灌漿廊道、排水廊道,排水廊道內(nèi)布置抽排水設(shè)施。消力塘在大流量下泄水流的沖擊下,水體翻滾騰躍和回旋,形成強(qiáng)烈的不均勻流態(tài)和強(qiáng)烈的脈動(dòng),底板結(jié)構(gòu)的受力條件比較復(fù)雜。根據(jù)底板塊浮升穩(wěn)定計(jì)算并參照同類(lèi)工程的經(jīng)驗(yàn),本階段消力塘底板混凝土厚度取4m,并設(shè)錨筋錨固于基巖;為增加底板的穩(wěn)定性,底板基礎(chǔ)布置縱橫交錯(cuò)的排水廊道,并采取強(qiáng)迫排水措施。反拱底板以外的兩側(cè)邊坡上,由于水舌主流邊緣不斷逸出的不連續(xù)水團(tuán)、水塊沖擊在水墊塘的邊坡上,因此兩岸仍需襯護(hù),開(kāi)挖成1∶1的坡度,每隔20m高度設(shè)一寬5m馬道,每級(jí)馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝。采用混凝土襯砌,厚度3m。下設(shè)錨桿和排水孔,頂部設(shè)防浪墻。3基本穩(wěn)定性分析3.1沖擊射流沖擊區(qū)底板的破壞機(jī)理拱壩泄洪水舌落入水墊塘,在護(hù)坦上出現(xiàn)的水流流態(tài)根據(jù)下游水深情況,大體上可分為兩種形式:自有射流和淹沒(méi)沖擊射流。當(dāng)下游無(wú)水到形成臨界水躍的較小水深時(shí),呈自由射流型態(tài);當(dāng)下游水深大于形成臨界水躍水深時(shí),呈淹沒(méi)射流型態(tài)。按照紊動(dòng)射流特性,水墊塘內(nèi)水流流態(tài)可分為自由紊動(dòng)射流區(qū)、沖擊射流區(qū)、壁射流。自由紊動(dòng)射流區(qū)流動(dòng)性質(zhì)和自由射流區(qū)相近,射流邊界約成直線,擴(kuò)散角較空氣中的為大。在射流卷吸作用下,沖擊點(diǎn)上下游各形成一個(gè)不對(duì)稱旋滾區(qū);沖擊射流受底板阻擋,流線彎曲,流速降低,有一條流線流速降為零,形成滯點(diǎn),將臨底流速全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)水壓強(qiáng)。該區(qū)紊動(dòng)相當(dāng)劇烈,動(dòng)水壓強(qiáng)較大;壁射流在滯點(diǎn)上下游附近主流貼壁流動(dòng),流動(dòng)性質(zhì)和壁射流相似。由于射流的卷吸作用,射流流速沿程衰減,水墊起到消能作用。但是,沖擊射流到達(dá)邊壁時(shí),尚具有一定的流速,故產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)。由于水墊塘底板砌襯塊之間存在施工縫以及與基巖間有接觸縫,在高速射流沖擊的作用下,動(dòng)水壓強(qiáng)不僅作用于底板塊上表面,也通過(guò)縫隙傳到底板的下表面。在底板上下表面動(dòng)水壓力差(上舉力)的作用下,有一定的破壞作用。水墊塘底板塊所受上舉力的定義為上下表面動(dòng)水壓力差。在沖擊射流區(qū)底板上下表面的時(shí)均壓強(qiáng)出現(xiàn)峰值,主要是因?yàn)楦咚偕淞鞯竭_(dá)底板后流速改變,所余動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,即對(duì)底板的沖擊壓強(qiáng)。上表面比下表面的壓強(qiáng)大,因而射流沖擊區(qū)的板塊在時(shí)均壓強(qiáng)意義下處于穩(wěn)定狀態(tài)。在壁面射流區(qū),板塊下表面的壓強(qiáng)比上表面大,因而壁面射流區(qū)是板塊易失穩(wěn)區(qū)。水流漸變區(qū)板塊的表面壓強(qiáng)又恢復(fù)到上大下小,也是穩(wěn)定區(qū)。分析壁面射流區(qū)板塊下表面壓強(qiáng)大于上表面的原因,是壁面射流區(qū)板塊下表面沿板塊與基巖間縫隙傳遞的結(jié)果。在止水完全破壞的情況下,板塊間伸縮縫和板塊與基巖間的接觸縫相互貫通,射流沖擊區(qū)板塊下表面的較大壓強(qiáng)勢(shì)必要沿縫隙傳到壁面射流區(qū)板塊的底部,造成了該區(qū)板塊下表面壓強(qiáng)大于上表面。這個(gè)壓強(qiáng)差就構(gòu)成了導(dǎo)致板塊失穩(wěn)的上舉力,這是易失穩(wěn)區(qū)板塊上舉力的成因。3.2動(dòng)水壓力波動(dòng)破壞底板失穩(wěn)拱壩泄洪水舌落入水墊塘,沖擊射流達(dá)到邊壁時(shí),尚有一定的流速,故產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)。由于水墊塘底板襯砌塊之間存在施工縫以及與基巖間有接觸縫,這些縫隙可能出現(xiàn)于實(shí)際工程中。在高速?zèng)_擊射流作用下,動(dòng)水壓強(qiáng)不僅作用于上表面,也通過(guò)縫隙傳至底板的下表面,以及塊體之間的縫隙。當(dāng)某一塊體上所受的上下表面動(dòng)水壓力之差大于零時(shí),基巖將承載這個(gè)壓力差,當(dāng)上下表面壓力差小于零時(shí),亦即當(dāng)塊體有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí),如果這個(gè)壓力差不能被其浮重、相臨板塊的阻力以及可能的錨固力克服時(shí),底板將可能出穴,致使其他底板塊連鎖破壞,從而造成整個(gè)底板失穩(wěn)破壞。反拱底板的破壞形式包括兩種:3.2.1抗力時(shí)的失穩(wěn)當(dāng)反拱底板在水動(dòng)力荷載作用形成整體上抬時(shí),整體上舉力超過(guò)“拱座”的抗力時(shí)產(chǎn)生的失穩(wěn)。但在整體穩(wěn)定時(shí),也就是拱端推力小于拱座所能提供的抗力時(shí),單個(gè)的塊體也可能沿徑向的縫隙產(chǎn)生微小位移。此時(shí)的反拱底板,可以形成拱的作用。3.2.2隨機(jī)拱的塊體穩(wěn)定性當(dāng)反拱底板在隨機(jī)水動(dòng)力荷載作用下,部分塊體“上抬”、部分塊體“下壓”,“下壓”的塊體成為“上抬”的“拱座”,即塊與塊之間形成“隨機(jī)拱”,當(dāng)塊體承受的上舉力超過(guò)相鄰塊體提供“拱座”抗力作用,形成局部失穩(wěn)。在隨機(jī)荷載作用下,反拱底板塊體間可能在不同時(shí)刻互為“拱座”。塊體的穩(wěn)定主要依靠塊體的自重、摩擦力、錨固力。對(duì)于平底板的錨固力只能為自身塊體提供抗“上抬”的作用,而反拱底板的錨固力不但能為自身塊體提供抗“上抬”的作用,還能通過(guò)“抗剪”作用為鄰塊體提供“拱座”抗力。4拱端拱座的位移水墊塘板塊在反向荷載作用下,板塊、拱座的變形由接觸面上的滑移變形和地基的彈性變形組成,二者均對(duì)板塊、拱座的變形造成影響,在不考慮錨固條件下,拱端最大向下滑移0.413mm。拱端拱座的最大裂縫(工況2),上端為0.049mm;下端為0.067mm。拱端拱座的錯(cuò)位裂縫一般很小,最大只有0.016mm。綜合計(jì)算結(jié)果,可以得出初步結(jié)論:在反向荷載的作用下,拱座的位移量很小,特別是拱端與拱座并未出現(xiàn)明顯的分離,不會(huì)對(duì)反拱底板的穩(wěn)定構(gòu)成大的威脅。經(jīng)物理模型的驗(yàn)證,反拱底板局部穩(wěn)定的力學(xué)模型基本上可以反映反拱的力學(xué)特性。反拱形底板的整體穩(wěn)定性主要依賴于拱端巖體(或拱座)所能提供的約束力以及錨固力,只要拱座的穩(wěn)定性是有保證的,反拱形底板的整體穩(wěn)定性則不會(huì)有問(wèn)題。5反拱大拉應(yīng)力下的底板穩(wěn)定性白鶴灘水墊塘的原設(shè)計(jì)方案基本上合理,能夠滿足泄洪消能的任務(wù)。在水墊塘結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析中,從板塊的局部穩(wěn)定分析入手,反拱形底板的安全系數(shù)在最危險(xiǎn)情況下,按最大上舉力公式預(yù)測(cè)的上舉力計(jì)算中間板塊的安全系數(shù),在拱端推力為零,錨固力為零時(shí),安全系數(shù)為1.281,平底板安全系數(shù)為0.281,可見(jiàn)反拱顯優(yōu)。在反拱形底板非線性靜動(dòng)力分析中,底板的強(qiáng)度是能夠得到保證的,拱座局部產(chǎn)生過(guò)大拉應(yīng)力,應(yīng)作特殊處理,反拱形底