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文檔簡介

反拱水墊塘拱圈底板塊振動特性研究

0拱圈失穩(wěn)機理高壩儲水池是水庫蓄洪和防洪的主要措施之一。水墊塘的斷面形狀有梯形復式斷面和反拱形斷面。工程上采用較多的是平底水墊塘,但這種水墊塘形式的底板塊往往設計得很厚,且需要錨桿較多易發(fā)生失穩(wěn)。反拱水墊塘是一種新型消能防沖結構,只有錨固量少,截面小,超載能力強和穩(wěn)定性高等優(yōu)點,是一種優(yōu)化的水墊塘體型,但拱圈底板的破壞機理一直是設計者關注的焦點之一。天津大學,清華大學1結合溪洛渡等工程,在拱圈底板塊上舉力、拱端力荷載、底板表面和底板縫隙動水壓強等方面做了大量研究工作,已普遍認識拱端失穩(wěn)導致拱圈失穩(wěn)的機理,但底板塊局部穩(wěn)定和失穩(wěn)機理仍待進一步探明。為此,對拱圈底板塊的振動特性進行了試驗研究。1水墊塘模型和試驗材料圖1給出了試驗模型布置圖。模型按弗勞德重力相似準則設計,由射流系統(tǒng)和反拱水墊塘組成,模型比尺為λL=170。射流噴嘴出口正常運行流速為6.27m/s,噴嘴寬度為0.57m,水舌入水厚d0=0.0098m,入水角β=72.99°,泄量Q為0.035m3/s,下游水深ht=0.388m。原型入水流速是溪洛渡校核水位下,七表孔泄洪水舌入水流速(57m/s)的1.43倍;原型泄量是七表孔泄量17422.75m3/s的75.3%;入水寬度與七表孔泄洪入水寬度大致相當。因此,水舌入水功率是溪洛渡校核水位下、七表孔泄洪的1.53倍??梢?水墊塘模型實現(xiàn)了高水頭和大流量的水流條件,但針對研究內容,忽略了水舌和水墊塘的摻氣。反拱水墊塘外形為一矩形箱體,尺寸為5m×0.9m×0.6m(長×寬×高),剖面為反拱型,詳見圖1(a)。箱體放置在滑輪軌道上,沿流向可自由移動,或固定在某一位置。在距水墊塘上游端2.25m處設計了—個試驗段,如圖1(b)、(c)所示。該處拱底板用8mm厚有機玻璃制作,以模擬基巖,上部放置了9塊加重橡膠拱塊,如圖1(b),拱塊半徑r,中心角α,圓心角Δα,底板塊厚d,沿水流方向長bm,上、下表面弧長為Lu、Ld,底板縫隙寬δ0。表1給出了拱塊幾何尺寸。彈性底板塊除滿足重力相似外,還應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2給出了拱圈底板塊材料的力學性能??梢?加重橡膠塊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。底板塊四周及其拱底板與基巖之間均設有0.5~1mm寬的縫隙,模擬水墊塘護坦板之間的橫縫、縱縫及底縫。最底部拱塊⑤可振動,其底部安裝有WYL系列高精度位移傳感器(中國水利水電科學研究院研制),出線接DJ800信號采集系統(tǒng)進行采樣和分析,采樣時間間隔Δt=(0.0092~0.0186)s,采樣時間T=(75~568.68)s,采樣容量N=(8192~30000)次。試驗時,移動水墊塘箱體(精度可達1mm)至某一位置,保持水流和測車穩(wěn)定時,進行量測。從圖1(a)可見,坐標原點設于水舌沖擊點O,底板塊中心到水舌沖擊點的距離為x,指向水流方向為正,y垂直向上為正。2振動加速度隨機變量計算設拱圈底板塊的振動位移隨采樣時間ti|i=1,M變化的離散過程為s=s(ti)i=1,M-1,i為采樣順序數(shù),M為最大采樣點數(shù),ti為第i個采樣點的時刻。對s一次和二次求導,得到底板塊振動時速度v=v(ti)=si+1?siΔt|i=1,M?1v=v(ti)=si+1-siΔt|i=1,Μ-1;底板塊徑向振動加速度a=a(ti)=vi+1?viΔt|i=1,M?1a=a(ti)=vi+1-viΔt|i=1,Μ-1。由于s,v和a均為ti的隨機變量,其統(tǒng)計值分別用s=[smax,sa,sσ],V=[vmax,vmin]和A=[amax,amin]表示,下標max、min、a和σ的統(tǒng)計量表示瞬時最大值、最小值、平均值和脈動均方根,s,V和A稱為底板塊振動位移、振動速度和振動加速度特征量。根據(jù)試驗分析認為,s=f(u0,ht,β,d,bm,δ0,r,ρ,g,x……),其中,ρ表示液體的密度,g為重力加速度。在本試驗條件下,u0,ht,β,d,bm,δ0,r,ρ,g一定,則s=f(x)。為了更好地表示拱圈底板塊的振動規(guī)律,用s/d,x/bm表示兩變量。2.1沖擊強振區(qū)的特征圖2給出了拱圈底板塊振動位移特征量的沿程分布曲線,其中sm為鎖定高度,詳見2.2節(jié)分析。從中可見,當x/bm∈[-0.5,0.5]時,smax、sa和sσ曲線都處于“低谷”區(qū),因為水舌直接沖擊在底板塊上,壓制了底板塊過大的振動位移。從圖3拱圈底板塊沿流程實測振動過程曲線(a)、(b)可見,底板塊作小振幅的自由振動。從圖4拱圈底板塊振動的速度沿程分布、圖5拱圈底板塊振動的加速度沿程分布可見,底板塊的振動速度和加速度達到最大。由于底板塊的振動特征和所處的位置,故把該區(qū)稱為沖擊強振區(qū)。離開上述范圍,當x/bm∈(-0.5,-6.358),或(0.5,7.064)時,底板塊位于壁射流區(qū),從圖2可見,底板塊振動曲線是兩個高峰區(qū)。其中,當x/bm∈[0.5,(1.413~1.695)],或[-0.5,(-0.706~-1.130)]時,底板塊位移振幅沿程迅速增加到最大值。最大值位置與文獻確定的射流沖擊區(qū)與壁射流的界限大致相同。從圖3(c)可見,底板塊仍作自由振動,從圖2可見,底板塊的振幅不斷增大,從圖4、5可見,底板塊振動的速度、加速度較大。當x/bm∈(1.695,7.064),或(-1.130,-6.358)時,從圖2可見,smax、sa曲線雖逐漸遞減,但其值仍較大,而sσ在上游迅速遞減,下游仍有波動,在x/bm∈(5.652~9.890)時,由于來自水舌沖擊區(qū)拱端附近的兩股壁射流斜向在拱冠附近匯合,使sσ產生了第二“峰區(qū)”。從圖3(d)可見,底板塊的振動位移s/d最大值達到約0.3,且隨時間幾乎不發(fā)生變化,這種現(xiàn)象與平底板塊的自由振動完全不同。但從圖3(d)中的放大圖可見,底板塊仍在微振,從圖4、5可見,振動速度和加速度雖然減小了,但仍有一定的波動??紤]到底板塊的振動特征和所處位置,把該區(qū)稱為上下游強振區(qū)。2.2底板塊鎖定試驗結果以下對各區(qū)振動特征的原因進行分析。圖6給出了拱圈底板塊振動分析示意。設底板塊徑向位移隨機過程s=s(t)。當拱圈底板塊在上舉力作用下向拱心產生徑向位移時,如果s較小,如圖6(a)所示,底板塊兩側端部不受相鄰拱塊接觸面力的作用,僅在徑向上舉力F、重力G、端部水阻力Ril,或Rir作用(下標l,r為底板塊左側和右側)下作自由振動,試驗中底板塊表現(xiàn)為沖擊強振區(qū)以及上下游強振區(qū)首部的自由振動,如圖3(a)、(b)、(c)所示。當s增大時,如圖6(b)所示,由于底板塊是楔形的,且Ld>Lu,振動底板塊端部與左右兩固定底板塊端部接觸并產生沿縫隙切向的軸力Nil和Nir、沿縫隙徑向的接觸阻力Ril和Rir。這些力約束了底板塊進一步向拱心位移,使其瞬時固定在這個臨界高度sm,試驗中表現(xiàn)為上下游強振區(qū)底板塊振幅不再隨時間發(fā)生變化,如圖3(d)所示,這種現(xiàn)象稱作底板塊的鎖定,sm稱作鎖定高度。鎖定作用是局部拱作用,具體來講,一是將軸力Nil和Nir向相鄰的拱塊傳遞,二是傳遞Ril和Rir的反作用力,使相鄰固定底板塊產生向其拱心位移、擴大底縫的趨勢。根據(jù)圖1(d),由幾何關系分析,有Ld=(r+d)Δα=(r+d-sm)(Δα+2δ0/(r+d)),則sm=r+d?LdΔα+2δ0/(r+d)(1)sm=r+d-LdΔα+2δ0/(r+d)(1)式中,Δα以弧度計。從上式可見,sm僅與底板塊的幾何尺寸和縫隙寬度有關。當反拱體型尺寸一定時,sm僅是δ0的函數(shù),δ0越大,sm則越大。因此,鎖定高度受底板縫厚度控制。在上下游強振區(qū)中,實測底板塊smax最大值分別為0.72cm和0.68cm,與式(1)計算的鎖定高度sm=0.835cm接近。底板塊成拱的范圍是上下游強振區(qū)中的一部分,即x/bm∈[-6.358,(-1.130~-0.706)],或[(1.412~1.695),7.064]。當s再增大但sm<s<d時,如圖6(c)所示,底板塊在鎖定狀態(tài)下會繼續(xù)沿徑向滑移,試驗中表現(xiàn)為上下游強振區(qū)底板塊鎖定后仍有微小變化,如圖3(d)中放大圖所示。當s>d時,底板塊會滑出拱圈座穴,如圖6(d)所示,導致整個拱圈底板塊失穩(wěn)。根據(jù)上述分析和試驗結果認為,底板塊處于前兩個區(qū)是穩(wěn)定平衡狀態(tài),處于第三個區(qū)是不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。3底板塊可鎖定和變形對高水頭、大流量作用下,反拱水墊塘拱圈底板塊在止水破壞、底板錨筋失效的極端條件下的振動特性進行了理論分析和試驗研究,得出以下結論:1.拱圈底板塊沿徑向的振動分自由振動區(qū)、底板塊鎖定狀態(tài)、鎖定后底板塊變形區(qū)和底板塊拔出座穴四個區(qū),沿流程表現(xiàn)為底板塊自由振動的沖擊強振區(qū)、底板塊可鎖定和變形的上下游強振區(qū)。沖擊強振區(qū)中底板塊

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