高壩消力塘安全性分析

高壩消力塘安全性分析

0水墊塘受沖突的物理過程和穩(wěn)定性問題近年來，中國大部分高壩工程都是用混凝土保護(hù)水庫下游部分的河床，并在下游適當(dāng)位置修建了兩座水庫，形成了一個(gè)通道水庫，用于排水和蓄水。水墊塘在高速水流沖擊下,其物理過程相當(dāng)復(fù)雜,嚴(yán)格意義上講是一個(gè)流固耦聯(lián)振動(dòng)的問題,涉及到流體力學(xué)、固體力學(xué)、隨機(jī)振動(dòng)等多種學(xué)科,使得此課題的研究非常困難。由于水墊塘內(nèi)底板的穩(wěn)定問題的復(fù)雜性,就近30年的研究成果看,迄今為止尚無成熟的理論分析方法,目前仍處于探索階段。學(xué)者們基于底板浮升失穩(wěn)這一準(zhǔn)則,通過理論分析、試驗(yàn)研究和原型觀測的方法,對水墊塘中的水流流態(tài)、底板失穩(wěn)模式、底板所受上舉力成因及底板穩(wěn)定性控制指標(biāo)等進(jìn)行了研究,取得了較為豐富的成果。1射流作用下的底板穩(wěn)定性控制目前,對平底板水墊塘的研究工作做的較多,我國目前的大多數(shù)工程水墊塘都是采用的該種型式,最具有代表性的是二灘工程。在沖擊射流作用下,水墊塘底板的穩(wěn)定性取決于2個(gè)因素:一是荷載,取決于射流作用下水墊塘內(nèi)的水流特征;二是水墊塘自身的特性,主要取決于其構(gòu)造。學(xué)者們通過理論分析、模型試驗(yàn)和原型觀測等對水墊塘底板進(jìn)行研究,計(jì)算理論相對成熟。1.1沖擊射流類、水涌類水墊塘中射流屬于沖擊射流范疇。按沖擊處有無水墊,可分為自由沖擊射流和淹沒沖擊射流2大類。日本安蕓周一給出了以有效水墊深度與水舌厚度比值hc0d0hc0d0為參數(shù),以塘內(nèi)水躍形態(tài)為特征的3個(gè)區(qū)域的流態(tài)界限,如圖1。進(jìn)入水墊塘的射流流態(tài)雖然復(fù)雜,但定性上可以看作為淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)。1.2平額板水閥的穩(wěn)定性1.2.1板塊失穩(wěn)類型高拱壩下游水墊塘,多數(shù)采用倒梯形復(fù)式斷面,亦稱平底水墊塘。目前對平底板的失穩(wěn)機(jī)理研究主要有動(dòng)力失穩(wěn)和靜力失穩(wěn)2種。當(dāng)揚(yáng)壓力超過板塊抗力時(shí),板塊便會(huì)發(fā)生靜力失穩(wěn);當(dāng)?shù)装鍓K在沖擊荷載作用下,在某一瞬時(shí),底板上下表面的水壓力差(上舉力)超過板塊抗力并達(dá)到一定數(shù)值時(shí),板塊便會(huì)發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)。板塊的失穩(wěn)形式大致可看成翻轉(zhuǎn)和浮升失穩(wěn)2種,如圖2所示。1.2.2底板壓力分布水墊塘底板的穩(wěn)定性除了與水流條件有關(guān)外,還取決于結(jié)構(gòu)自身抵抗破壞的能力。水流條件取決于作用在底板表面的水流荷載,即動(dòng)水壓強(qiáng),包括時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)。一旦底板止水發(fā)生破壞,動(dòng)水壓強(qiáng)就會(huì)沿板塊間縫隙傳到底板下表面。底板上下表面動(dòng)水壓力之差就形成了水墊塘底板塊的上舉力。按照底板動(dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律,可將底板分成3個(gè)區(qū)域(如圖3所示)。Ⅰ區(qū)為水舌沖擊區(qū),直接承受射流的沖擊作用,底板上下表面的壓強(qiáng)都很大;Ⅱ區(qū)為壁面射流區(qū),射流受Ⅰ區(qū)邊壁約束,流線彎曲,底板上表面壓強(qiáng)急劇降低。此區(qū)域底板下表面壓強(qiáng)受縫隙流壓強(qiáng)傳播規(guī)律的制約,雖有降低,但降幅遠(yuǎn)小于上表面的。因此,Ⅱ區(qū)底板承受的水流上舉力較大,是易失穩(wěn)區(qū);Ⅲ區(qū)是水流漸變區(qū),底板上下表面壓強(qiáng)接近。還有與Ⅱ區(qū)對應(yīng)的Ⅱ′區(qū),動(dòng)水壓強(qiáng)與Ⅱ區(qū)相近,只是上、下時(shí)均壓強(qiáng)分布表面壓強(qiáng)差較Ⅱ區(qū)小。因此,Ⅱ區(qū)底板是首先失穩(wěn)板塊,即在水舌跌落區(qū)稍向下游一點(diǎn)。1.2.3時(shí)均沖擊壓力系數(shù)日本學(xué)者中川博次認(rèn)為,跌落水舌對河床基巖的沖刷,主要是高速水流進(jìn)入巖石縫隙,在其底部產(chǎn)生較大動(dòng)水壓力,而表面壓力減小,從而形成上下表面壓力差,產(chǎn)生上舉力,巖層上浮破壞。因此對動(dòng)水壓強(qiáng)值及分布系數(shù)(最大沖擊壓強(qiáng)與其作用距離的比值)提出一個(gè)限值。對水墊塘底板穩(wěn)定問題,亦參考這個(gè)特征值。由日本的凌北等5個(gè)拱壩溢流工程,給出時(shí)均沖擊壓強(qiáng)均在300kPa以下,分布系數(shù)在1以下的控制指標(biāo),這些工程都安全運(yùn)行。我國設(shè)計(jì)二灘工程水墊塘底板時(shí),采用時(shí)均沖擊壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)150kPa。目前在小灣、溪洛渡、拉西瓦、錦屏一級、構(gòu)皮灘等高壩水墊塘設(shè)計(jì)中,仍采用這一標(biāo)準(zhǔn),甚至降至100kPa以下。但各個(gè)工程的水力條件、地質(zhì)條件不同,用同一個(gè)指標(biāo)去控制顯然有不合理之處。2反拱型底板設(shè)計(jì)目前已經(jīng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行的水墊塘多采用梯形復(fù)式斷面(簡稱平底板)水墊塘防護(hù)型式(如二灘等)。平底板的超載能力很弱,不考慮板塊間的約束力,一旦上舉力超過板塊的浮重,就可能浮升破壞,進(jìn)而引起相鄰板塊的連鎖反應(yīng)。其穩(wěn)定性維持的主要是靠自重和錨固鋼筋(索),而受基巖強(qiáng)度、施工技術(shù)的制約,錨固力也不是沒有限制的。依靠增加底板厚度達(dá)到穩(wěn)定的目的,會(huì)事倍功半。因此,研究具有良好結(jié)構(gòu)條件的水墊塘體型,對于泄洪消能工程的安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。對于峽谷天然河道的形狀,若將水墊塘設(shè)計(jì)成中間低、兩岸高的拱形體型,可以不同程度地利用拱的作用來抵抗巨大的動(dòng)水壓力,提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,這樣就形成了一種反拱形水墊塘防護(hù)型式(如圖4所示)。國外拱壩水墊塘中最早采用反拱形底板的是格魯吉亞的英古里水電站,底板設(shè)置于沙礫石地基上,厚度4m左右。西班牙蘇斯蓋達(dá)雙曲拱壩也采用了反拱水墊塘。20世紀(jì)80年代初,我國學(xué)者郭懷志等結(jié)合一中型砌石壩工程對反拱形水墊塘進(jìn)行了研究,通過對反拱形水墊塘泄洪消能實(shí)驗(yàn)、反拱底板內(nèi)力及彈性穩(wěn)定計(jì)算分析,認(rèn)為反拱形底板具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。近些年,崔廣濤等在小灣、構(gòu)皮灘、溪洛渡、拉西瓦、錦屏一級等工程的泄洪消能研究中,均提出了反拱型底板方案,但許多工程目前還處在論證階段。湖南省鳳凰縣潭長崗水電站反拱型水墊塘及黃河拉西瓦水電站反拱型水墊塘均已建成。2.1反拱底板的局部失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性反拱形水墊塘是利用河床基巖的天然形狀把底板做成拱形(嚴(yán)格意義上講并不是拱),利用拱形結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,將射流沖擊荷載傳遞到兩岸山體或拱座,充分發(fā)揮混凝土的抗壓特性和拱結(jié)構(gòu)的超載能力。反拱形底板失穩(wěn)包括2個(gè)方面:整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。整體失穩(wěn)——反拱形底板在水動(dòng)力荷載作用下形成拱圈整體上抬時(shí),形成“整體拱”,這就增強(qiáng)了反拱形底板的整體穩(wěn)定性,整體上舉力產(chǎn)生的拱端推力超過“拱座”的抗力時(shí)產(chǎn)生的失穩(wěn),稱為整體失穩(wěn),拱圈受力如圖5所示。應(yīng)該指出,反拱底板在水動(dòng)力荷載作用下形成整體上抬時(shí),并不一定是每個(gè)塊體都承受向上的上舉力,也可能是拱圈上某些塊體受到的水動(dòng)力荷載是向下的,但是單塊板塊沒有失穩(wěn),且拱端產(chǎn)生的推力足以導(dǎo)致拱座的破壞,也稱為整體失穩(wěn)。局部失穩(wěn)——當(dāng)反拱形底板在隨機(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”。練繼建等針對反拱底板的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),提出了“隨機(jī)拱”分析模型,對反拱形水墊塘底板結(jié)構(gòu)局部和整體的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析。在隨機(jī)荷載作用下,反拱形底板塊體間可能在不同時(shí)刻互為“拱座”,塊體的穩(wěn)定性主要依靠塊體的浮重、錨固力以及與相鄰板塊產(chǎn)生的附加摩擦力來決定,單個(gè)板塊失穩(wěn)前受力如圖5所示。對于平底板,錨固力只能為自身提供抵抗“上抬”的作用;對于反拱形底板,錨固力不但能為自身塊體提供抵抗“上抬”的作用,還能通過“抗剪”作用為相鄰塊體提供“拱座”抗力。2.2反菱形底板穩(wěn)定性分析針對射流沖擊下水墊塘底板穩(wěn)定性的研究,學(xué)者們已經(jīng)做了大量的工作,也取得了一定的成果。它對指導(dǎo)水墊塘底板的設(shè)計(jì)工作起到了良好的作用,但對板塊失穩(wěn)的研究,都是基于板塊間止水破壞、板塊與基巖間存在縫隙這一前提,對失穩(wěn)前分縫處止水材料及板塊與基巖膠結(jié)在動(dòng)水壓力作用下裂縫的形成及發(fā)展問題還未涉及。目前對底板的穩(wěn)定性研究,也主要針對的是平底板,在水動(dòng)力荷載的作用下,其失穩(wěn)形式為浮升。對于反拱形底板,由于它的受力條件要比平底板復(fù)雜,因而分析其穩(wěn)定性也比較困難。有學(xué)者針對反拱形底板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用平底板抗浮升穩(wěn)定的分析模式,以隨機(jī)供概念建立起力學(xué)模型。通過專門的模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并結(jié)合錦屏及拉西瓦2個(gè)工程反拱形水墊塘底板的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究,從板塊極限平衡角度,得出了反拱形底板優(yōu)于平底板的量化指標(biāo)。結(jié)果表明,反拱形底板的局部穩(wěn)定性大大優(yōu)于平底板,安全系數(shù)大于平底板3倍以上,如圖6。3滲透性底板3.1透水底板防護(hù)在結(jié)構(gòu)考近年來,眾多學(xué)者在射流擴(kuò)散規(guī)律、脈動(dòng)壓強(qiáng)沿縫隙傳播規(guī)律、防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理、防護(hù)結(jié)構(gòu)的體形等諸多方面進(jìn)行了較深入的研究。但是,迄今為止,關(guān)于水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究都局限于一種“被動(dòng)防護(hù)”的模式,即在特定荷載作用下,研究如何使結(jié)構(gòu)具有抵抗這一荷載的能力,相應(yīng)的措施包括設(shè)抽排、加錨固或加大結(jié)構(gòu)尺寸。然而,由于技術(shù)上的原因,抽排設(shè)施可能會(huì)發(fā)生機(jī)械或電氣故障而不能正常工作,或滲水量太大無法滿足要求,錨固力不可能無限制地加大,而增加底板厚度的效果只能是事倍功半。為此,有學(xué)者在水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究上作了一些工作,力圖尋求新的突破,從根本上改變防護(hù)理念。20世紀(jì)60年代,北京水利水電科學(xué)研究院的哈煥文曾研究過消力池透水底板的水力特性。天津大學(xué)王繼敏在1995年結(jié)合烏江構(gòu)皮灘拱壩水墊塘,研究了透水反拱底板的穩(wěn)定性。烏江索風(fēng)營水電站水墊塘的透水底板目前已經(jīng)施工。2006年—2010年間,天津大學(xué)又通過對多個(gè)工程進(jìn)行模型試驗(yàn),研究開孔率對底板水動(dòng)力荷載的影響,為水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)“主動(dòng)防護(hù)”模式在工程中的應(yīng)用作積極探索。目前,重慶渡口壩水電站透水底板水墊塘及云南阿海水電站透水底板水墊塘正在論證之中。3.2軸的負(fù)荷性能3.2.1游水位差、同工況下底板開孔率的變化規(guī)律為研究底板上舉力隨開孔率的變化規(guī)律,在相同的水力條件下,只改變底板的開孔率,研究同一板塊的上舉力的變化規(guī)律。圖7給出相同上下游水位差、同工況下底板上舉力隨開孔率的變化結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)表示底板開孔后上舉力與開孔前的比值。開孔率k為底板的開孔面積與板塊總面積比值的百分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出,底板上添加透水孔能夠有效地降低底板上舉力。底板上舉力的最大值和標(biāo)準(zhǔn)差隨著開孔率的增加而減小,且底板上舉力隨開孔率增加減小的趨勢變緩。當(dāng)?shù)装彘_孔率為4%,底板上舉力最大值和標(biāo)準(zhǔn)差分別比沒開孔的降低了約58%、50%。3.2.2透水底板下表面各測點(diǎn)間的相互作用透水底板可以降低上舉力的原因目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),一般認(rèn)為:在運(yùn)行期間,當(dāng)板塊下表面脈動(dòng)壓力沿著縫隙向前傳遞時(shí),遇到透水孔后脈動(dòng)壓力會(huì)沿著透水孔傳遞,使脈動(dòng)壓力得到釋放。而且在相同水力條件下,透水底板下表面其它各測點(diǎn)與縫隙處測點(diǎn)互相關(guān)系數(shù)較不透水底板有所減小,分析其可能的原因是在不透水底板情況下,底板下表面縫隙水流符合瞬變流特征,脈動(dòng)壓力瞬間傳遞至整個(gè)底板下表面。但底板開孔后,由于透水孔的作用,脈動(dòng)壓力會(huì)較不透水底板更快地傳遞至整個(gè)下表面,這就表明透水底板上下表面的脈動(dòng)壓力相位差較不透水底板有所減小。而當(dāng)?shù)装迳舷卤砻娴南辔徊顪p小后,可能產(chǎn)生的上下表面的動(dòng)水壓差就有可能減小,導(dǎo)致底板整體荷載較小。如圖8所示。4不襯砌水墊塘我國在西南等地區(qū)修建一批300m級高的拱壩,泄洪消能和防沖任務(wù)十分艱巨,壩身泄洪布置和水墊塘消能形式多采用表孔和中孔分層挑、跌流和表、中孔對撞泄洪,下游則為水墊塘,并設(shè)二道壩。水墊塘底板通常需要進(jìn)行襯砌,但若針對下面2種情況,水墊塘襯砌如何考慮,襯砌厚度是否一定要3~5m厚。第1種情況:水墊塘所在位置的工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜,底板澆筑工程規(guī)模龐大,而且錨固水平要求較高時(shí),可以對水墊塘進(jìn)行優(yōu)化,采用護(hù)坡不護(hù)底的方案。第2種情況:水墊塘基巖很好,下游又有較深水墊時(shí),可以考慮只需對沖刷部位預(yù)挖、對斷層進(jìn)行處理、基巖錨固和兩岸護(hù)坡等,其造價(jià)比襯砌水墊塘低得多。國內(nèi)、外已有一些工程采用不襯砌水墊塘,雖然泄洪功率較小,但仍有借鑒意義。如土耳其的Berke拱壩和南非的Katse拱壩用加高二道壩形成不襯砌水墊塘;巴西的Tucurui溢洪道采用預(yù)挖沖坑,即不襯砌水墊塘,成功地度過了一次泄量達(dá)11000m3/s的洪水,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,可見其對于控制消能防沖,提高工程的經(jīng)濟(jì)效益有明顯的作用;國內(nèi)蓮花水電站下游也采用了預(yù)挖不襯砌水墊塘。5水