反拱底板局部穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞的機(jī)理

反拱底板局部穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞的機(jī)理

在高山峽谷地區(qū)修建的高壩中，如西洛渡壩，水庫(kù)高度為275m，水庫(kù)所有權(quán)為30003m。水頭高、流量大、河谷窄、泄洪功率大是這些工程的主要特點(diǎn)。為避免下游河床沖刷,保護(hù)壩肩穩(wěn)定,通常將壩腳以下一定距離內(nèi)的河床用混凝土防護(hù),并在適當(dāng)位置修建二道壩,形成水墊塘。下游設(shè)置的水墊塘是高拱壩泄洪消能的一種主要方案。目前,水墊塘底板混凝土襯砌主要有平底板和反拱底板兩種形式,絕大多數(shù)工程均采用平底板襯砌形式,但這種水墊塘形式的底板塊往往設(shè)計(jì)得很厚,且需要錨桿較多,易發(fā)生失穩(wěn),一旦某個(gè)底板塊失穩(wěn),必然導(dǎo)致周圍底板塊連鎖反應(yīng),造成大量底板塊的失穩(wěn)破壞。反拱底板是一種新型的底板襯護(hù)形式,具有錨固量少、截面小、超載能力強(qiáng)和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),是一種優(yōu)化的水墊塘體型。它充分利用了拱形結(jié)構(gòu)的整體性及混凝土材料的耐壓性,利用拱的推力來(lái)維護(hù)底板的穩(wěn)定,其優(yōu)越性明顯優(yōu)于平底板。近幾年來(lái),反拱水墊塘的應(yīng)用受到了水利界人士的重視。天津大學(xué)、清華大學(xué)結(jié)合溪洛渡等工程,在拱圈底板塊上舉力、拱端力荷載、底板表面和底板縫隙動(dòng)水壓強(qiáng)等方面做了大量研究工作,已普遍認(rèn)識(shí)拱端失穩(wěn)導(dǎo)致拱圈失穩(wěn)的機(jī)理[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],但底板塊局部穩(wěn)定和失穩(wěn)機(jī)理仍待進(jìn)一步探明。為了了解反拱底板在一個(gè)或幾個(gè)底板塊失穩(wěn)后,其對(duì)周圍底板塊的影響,作者結(jié)合溪落渡水電站工程,在底板塊止水完全破壞、錨筋失效,其四周及底部完全貫通的情況下,對(duì)3個(gè)底板塊的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究,以期為揭示反拱底板局部穩(wěn)定和失穩(wěn)破壞的機(jī)理提供理論依據(jù)。1初支鋼架結(jié)構(gòu)本研究結(jié)合溪落渡水電站工程,制作了水墊塘精細(xì)物理模型(圖1(a))。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),長(zhǎng)度比尺λL為170。水墊塘外形為矩形箱體,剖面為反拱型,用PVC板制成。水墊塘箱體底部固定著一個(gè)角鋼架,放置在設(shè)有滑輪的軌道上。在距水墊塘上游端2.25m處設(shè)計(jì)了1個(gè)試驗(yàn)拱圈(圖1(b)),試驗(yàn)拱圈由9個(gè)加重橡膠制作的底板塊組成,其容重γs=2.534g/cm3。底板塊厚度d≈2.35cm,內(nèi)徑R=47.794cm,圓心角Δα=8.53°,底板塊上、下游橫縫寬度控制在1mm左右,縱縫寬0.5mm(圖1(c))。彈性底板塊除滿足重力相似外,還應(yīng)滿足底板塊重度比尺λγ=1,彈性模量比尺λE=λL和阻尼比尺λξ=1.0。表1為拱圈底板塊材料的力學(xué)性能。由表1可見,加重橡膠底板塊λγ=1.02≈1.0,λE=175≈λL,λξ=0.88,接近1.0。因此,加重橡膠的性能基本滿足水彈性相似條件。拱圈臨底相鄰3個(gè)底板塊(圖1(b)中的4,5,6號(hào)底板塊)為活動(dòng)底板塊,其底部連接位移傳感器,其余底板塊與拱圈底板固定。3個(gè)底板塊擺放在有機(jī)玻璃制作的弧形拱圈床面上,底板塊與床面也留有縫隙,寬度1mm,以此模擬錨筋失效、底板與基巖間裂隙完全貫通的不利情況。當(dāng)箱體在設(shè)定范圍內(nèi)往返自由移動(dòng)時(shí),就可以對(duì)沿程不同位置處底板塊的位移進(jìn)行量測(cè)。數(shù)據(jù)采集和分析采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行,采樣時(shí)間間隔Δt=0.011s,采樣時(shí)間T=120s,采樣總點(diǎn)數(shù)N=11000。模型水流流量為0.035m3/s,相當(dāng)于原型校核水位下七表孔總泄量的75.3%,為設(shè)計(jì)洪水位下七表孔總泄量的141.4%。模型水流入水流速達(dá)6.25m/s,相當(dāng)于溪落渡拱壩原型校核水位下表孔水舌入水流速的1.43倍。下游水深38.6cm,換算到原型為65.6m。2水墊塘內(nèi)水岸面為上坡下水墊塘內(nèi)水墊塘內(nèi)通江+東下部徑向軸線角圖4水流方向?yàn)閤軸,水舌滯點(diǎn)(水舌軸線與板塊中心的交點(diǎn))為x軸的“0”點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)從x=1.5m(測(cè)點(diǎn)在滯點(diǎn)下游1.5m)處開始采集,保持水舌入水條件和下游水深不變,逐漸把水墊塘向上游移動(dòng),最小可移至x=-0.94m(測(cè)點(diǎn)在滯點(diǎn)上游0.94m)處。α角為底板塊沿徑向軸線與臨底板塊徑向軸線之間的夾角。4,5,6號(hào)底板塊對(duì)應(yīng)α角分別為8.64°,0.00°和-8.64°。2.1上、下游強(qiáng)振區(qū)與底板塊位移的特征分析圖2為3個(gè)底板塊振動(dòng)位移最大值的沿程分布規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn),在射流沖擊區(qū),即x=(-0.06～0.06)m,底板塊上表面的動(dòng)水壓強(qiáng)大于下表面(兩者的差值定義為上舉力),或者是下表面的動(dòng)水壓強(qiáng)大于上表面,但差值較小,因此該區(qū)底板塊位移(S)為零或取值較小。故將x=(-0.06～0.06)m定義為沖擊弱振區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn),在上、下游壁射流區(qū),上舉力向上、下游兩側(cè)發(fā)展,形成正的上舉力,在上舉力的作用下,底板塊將沿徑向產(chǎn)生較大位移。由圖2知,在上游x=(-0.3～-0.06)m、下游x=(0.06～0.6)m處,底板塊位移各存在一個(gè)峰值區(qū),在峰值區(qū)內(nèi),底板塊不能繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),位移達(dá)到最大,稱為自鎖。這兩個(gè)區(qū)分別定義為上、下游強(qiáng)振區(qū)。在上、下游強(qiáng)振區(qū)外,上舉力迅速衰減,位移驟降。從分布形態(tài)上看,沖擊弱振區(qū)區(qū)域狹窄,上、下游強(qiáng)振區(qū)區(qū)域較寬,下游強(qiáng)振區(qū)區(qū)域范圍明顯大于上游強(qiáng)振區(qū)。這說(shuō)明下游易失穩(wěn)區(qū)域大于上游。由圖2可知,位于溢流中心線處的5號(hào)底板塊位移最大值并未達(dá)到最大,其上、下游強(qiáng)振區(qū)位移最大值均較小;4號(hào)底板塊位移最大值僅在滯點(diǎn)下游x=0.06m處取得較大值,其下游強(qiáng)振區(qū)內(nèi)其余位置處的位移最大值均小于5號(hào)底板塊,而上游強(qiáng)振區(qū)底板塊位移最大值則稍大于5號(hào)底板塊;6號(hào)底板塊下游強(qiáng)振區(qū)位移最大值小于4號(hào)、5號(hào)底板塊,但其上游強(qiáng)振區(qū)位移最大值明顯大于4號(hào)、5號(hào)底板塊,并取得較大的峰值區(qū)。由此可知,在以上3個(gè)底板塊為活動(dòng)底板塊工況下,溢流中心線處的5號(hào)底板塊不易失穩(wěn),而上游強(qiáng)振區(qū)處的6號(hào)底板塊及x=0.06m處的4號(hào)底板塊均易失穩(wěn)。2.2各底板塊位移對(duì)比3個(gè)底板塊振動(dòng)位移平均值的沿程分布規(guī)律見圖2。由圖2可知,在沖擊弱振區(qū),3個(gè)底板塊位移平均值均近似為零;在上游強(qiáng)振區(qū),溢流中心線處的5號(hào)底板塊位移平均值最小,6號(hào)底板塊最大;在下游強(qiáng)振區(qū),5號(hào)底板塊位移平均值較大,6號(hào)底板塊最小,4號(hào)底板塊位移平均值僅在x=0.06m處取得峰值,其余位置均較小。圖2還表明,除5號(hào)底板塊上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界外,3個(gè)底板塊位移平均值的沿程分布規(guī)律與位移最大值基本相似。在沖擊弱振區(qū),3個(gè)底板塊位移平均值與最大值相差不大,均較小;在上、下游強(qiáng)振區(qū),3個(gè)底板塊振動(dòng)位移平均值與最大值近似相等,說(shuō)明在上、下游強(qiáng)振區(qū)3個(gè)底板塊均發(fā)生自鎖,位移最大值不隨時(shí)間改變,此種鎖定定義為持續(xù)鎖定。在5號(hào)底板塊上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界,底板塊處于由鎖定向解鎖的過(guò)渡階段,底板塊位移幅值變化較大,位移平均值與最大值相差較多,此處底板塊處于瞬時(shí)鎖定狀態(tài)。在上、下游兩個(gè)強(qiáng)振區(qū)外,3個(gè)底板塊位移平均值均為零。由圖2還可知,下游強(qiáng)振區(qū)3個(gè)底板塊自鎖范圍比上游強(qiáng)振區(qū)大。2.3底板塊位移均方根n型從圖2可以看出,在沖擊弱振區(qū)上、下游兩個(gè)邊緣、上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界及下游強(qiáng)振區(qū)的下游邊界處,底板塊振動(dòng)位移均方根均較大,底板塊振動(dòng)劇烈,位移幅值變化較大,其中上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界5號(hào)底板塊振動(dòng)最為劇烈,位移均方根最大;沖擊弱振區(qū)上、下游兩個(gè)邊緣溢流中心線左右兩側(cè)底板塊位移均方根次之;下游強(qiáng)振區(qū)的下游邊界底板塊位移均方根最小。在沖擊弱振區(qū),由于射流的沖擊作用,底板塊表面的動(dòng)水壓力大于底面,底板塊的位移變化極小,所以位移均方根近似為零。在上、下游兩個(gè)強(qiáng)振區(qū),底板塊沿徑向達(dá)到最大位移,底板塊持續(xù)鎖定,拱開始起作用,此時(shí)底板塊在位移平均值附近上下振動(dòng),其脈動(dòng)值很小,位移均方根也近似為零。2.4拱圈3個(gè)底板塊振動(dòng)特征量呈內(nèi)相變化3個(gè)底板塊位移特征量沿橫向的變化規(guī)律見圖2。由圖2可知,在上游強(qiáng)振區(qū),3個(gè)底板塊位移特征量呈兩端大中心小的分布趨勢(shì),即溢流中心線兩側(cè)底板塊位移較大,中心線處底板塊位移小,其中6號(hào)底板塊位移最大,4號(hào)底板塊次之,而5號(hào)底板塊位移最小,但其上游端振動(dòng)最劇烈。在下游強(qiáng)振區(qū),3個(gè)底板塊位移特征量呈兩端小中心大的分布趨勢(shì),即溢流中心線兩側(cè)底板塊位移較小,中心線處底板塊位移大,其中5號(hào)底板塊位移最大,4號(hào)底板塊次之,而6號(hào)底板塊最小,但其上游端振動(dòng)最劇烈。在水舌沖擊區(qū),隨著α角的變化,底板塊振幅曲線平緩無(wú)峰,位移最大值和平均值均較小,未達(dá)到鎖定高度,說(shuō)明拱圈3個(gè)底板塊在水舌沖擊區(qū)均作自由振動(dòng),相互影響很小,未形成局部拱作用(圖3(b))。在上、下游強(qiáng)振區(qū),隨α角的變化,拱圈3個(gè)底板塊的振動(dòng)位移產(chǎn)生明顯峰值,其最大值和平均值接近,均達(dá)到鎖定,拱圈形成長(zhǎng)期局部拱作用(圖3(a)、(c))。在上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界,底板塊處于由鎖定向解鎖的過(guò)渡階段,拱圈形成瞬時(shí)局部拱作用。2.5底板塊振幅沿程分布規(guī)律圖4為5號(hào)底板塊在x分別等于0.6,-0.3和0.04m處振動(dòng)位移的譜密度,其中S(w)為底板塊振動(dòng)位移的譜密度,w為底板塊振動(dòng)的頻率。由圖4知,底板塊振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率為0.001～0.1Hz,為低頻窄帶振動(dòng),而高頻振動(dòng)對(duì)底板塊位移幅值貢獻(xiàn)相對(duì)較小。比較3個(gè)典型位置優(yōu)勢(shì)頻率對(duì)應(yīng)的譜密度,其最小值在x=0.04m處,約為95×10-7m2/Hz;最大值在x=-0.3m處,約為0.02823m2/Hz;x=0.6m處的譜密度介于兩者之間。譜密度大小主要取決于底板塊鎖定持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短以及底板塊振幅變化的大小。鎖定時(shí)間越長(zhǎng),底板塊振幅變化越小,均方根越小,譜密度越小;鎖定時(shí)間越短,底板塊振幅變化越大,位移均方根越大,譜密度越大。在3個(gè)典型位置中,x=-0.3m位于上游強(qiáng)振區(qū)的上游邊界,底板塊由鎖定向解鎖過(guò)渡,鎖定和解鎖同時(shí)存在,底板塊鎖定時(shí)間較短,振幅變化較大,所以譜密度較大;x=0.6m位于下游強(qiáng)振區(qū)下游邊界,底板塊也是處于鎖定到解鎖的過(guò)渡階段,鎖定和解鎖同時(shí)存在,但底板塊鎖定時(shí)間較長(zhǎng),所以其譜密度小于x=-0.3m的譜密度;x=0.04m位于沖擊弱振區(qū),振動(dòng)頻率雖稍高,但振幅小,振幅變化也小,所以其譜密度最小。圖5為3個(gè)底板塊振動(dòng)位移最大譜密度(S(w)max)沿程的分布規(guī)律。由圖5可知,在上游強(qiáng)振區(qū)的上游端x=-0.30m處,5號(hào)底板塊的最大譜密度約為282.3cm2/Hz,為沿程最大值;4號(hào)底板塊次之,最大譜密度約為109.0cm2/Hz,沖擊弱振區(qū)下游端x=0.06m處6號(hào)底板塊最大譜密度又出現(xiàn)一個(gè)峰值,約為14cm2/Hz。這說(shuō)明在上游強(qiáng)振區(qū)的上游端、沖擊弱振區(qū)下游端底板塊低頻振波能量高,位移幅值較大,而且幅值變化幅度也大,底板塊振動(dòng)激烈,易于失穩(wěn)。在上、下游兩個(gè)強(qiáng)振區(qū)內(nèi),底板塊發(fā)生自鎖,長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)鎖定,位移沒有變化,因此最大譜密度近似為零。在沖擊弱振區(qū),底板塊位移小,所以最大譜密度較小,也近似為零。3高水墊塘板塊內(nèi)部分由本研究結(jié)果可得出以下結(jié)論:(1)在射流沖擊作用下,3個(gè)底板塊均沿徑向產(chǎn)生位移,本著占位優(yōu)先的原則,總位移在3個(gè)底板塊之間“分配”,使3個(gè)底板塊同時(shí)達(dá)到各自最大位移,底板塊自鎖,拱發(fā)揮作用。(2)根據(jù)板塊位移特征值的沿程分布規(guī)律定義了3個(gè)特