高水頭大流量條件下拱圈底板塊破壞機理研究

高水頭大流量條件下拱圈底板塊破壞機理研究

近年來，中國修建了300米高的水庫和大型水庫，水庫及其下屬的防洪能力已經(jīng)建成。因此,反拱水墊塘的研究有著廣闊的應(yīng)用前景,對我國的水電建設(shè)事業(yè)具有重要的意義。文獻已對反拱水墊塘的穩(wěn)定以及局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)的原理進行了深入的研究。文獻對反拱水墊塘拱圈底板塊的位移特性、振動特性進行了大量的研究。本文在此基礎(chǔ)上對高水頭、大流量作用下,反拱水墊塘內(nèi)不同位置拱圈底板塊的位移進行了量測,研究反拱水墊塘縫隙寬度對拱圈破壞的影響,進而揭示了反拱水墊塘拱圈的破壞機理。1試驗表及材料參數(shù)結(jié)合某實際工程,根據(jù)重力相似準則和彈性相似柯西準則建立試驗?zāi)Ｐ?其模型比尺為1∶100。圖1給出了試驗?zāi)Ｐ偷恼w布置。試驗?zāi)Ｐ陀蓜恿ο到y(tǒng)、表孔溢流、反拱水墊塘三部分組成。動力系統(tǒng)包括兩個水泵,總流量可達65L/s,已滿足試驗流量的要求。表孔溢流部分由鋼板水箱和表孔組成。鋼板水箱尺寸為2.0m×1.6m×1.5m(長×寬×高),利用工字鋼將其支撐在試驗所需的高度。泄洪表孔體型按實際工程的中表孔體型設(shè)計,表孔寬取0.5m,以滿足校核、設(shè)計工況下表孔和深孔總泄量的要求;根據(jù)重力相似準則,表孔采用有機玻璃制作;按圖1所示位置通過有機玻璃法蘭與鋼板水箱連接。圖2給出了反拱水墊塘的體型。反拱水墊塘由一個可移動的測車構(gòu)成,用以研究不同位置處底板塊的位移。反拱水墊塘沿程設(shè)置三個彈性拱圈段,由上下游兩個固定拱圈和夾在它們中間的活動拱圈組成。拱圈段的材料滿足結(jié)構(gòu)彈性相似的柯西準則。其重度比尺λγ=1.0,阻尼比尺λξ=1.0,彈性模量比尺λE=λL=100。因此,底板塊采用加重橡膠制作,其力學(xué)特性如表1所示。根據(jù)重力相似準則計算得出底板塊的模型尺寸如表2所示?；顒庸叭τ?個底板塊組成,其中,中間底板塊作為研究板塊,可活動,其它底板塊固定。在活動底板塊底部沿徑向安裝一位移傳感器,其安裝方式見圖3。采用中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所研制的位移傳感器和DJ800多功能采集系統(tǒng),位移傳感器輸出線接采集儀,由計算機進行信號的檢測、采集、存儲和處理。采樣時間間隔Δt=0.01s,采樣時間為T=120s。每個試驗組次下,在不同的試驗位置各采集兩組數(shù)據(jù)。2在論分析底板框架的破壞機制時2.1底板塊鎖定高度拱圈底板塊之間以及底板塊與基巖之間存在一定的縫隙,在止水設(shè)施完全破壞、錨筋完全失效的條件下,底板塊上表面的水舌沖擊脈動壓強和傳入底縫中的脈動壓強聯(lián)合作用,使得底板塊在其座穴內(nèi)上下振動。當?shù)装鍓K的位移達到一定高度時,被相鄰底板塊“擠壓”,使得底板塊不能上下振動,此時底板塊達到了最大位移,拱開始起作用,此位移即為底板塊的“鎖定高度”,如圖4所示,用Sm表示。鎖定高度計算公式為:Sm=r+d?LdΔα+2δ/(r+d)(1)Sm=r+d-LdΔα+2δ/(r+d)(1)式中,r為底板塊上表面的弧半徑,d為底板塊的厚度,δ為底板塊間的縫隙寬度,Δα為單底板塊的圓心角(弧度),Ld為底板塊下表面弧長。由式(1)可知,隨著底板塊間縫隙寬度的增大,底板塊的鎖定高度也在增大。2.2拱的作用下底板塊變形設(shè)底板塊位移隨時間過程為S(t),在水舌沖擊力和縫隙水壓力聯(lián)合作用下,當S(t)<Sm時,底板塊在其座穴內(nèi)自由振動,拱圈保持穩(wěn)定;當S(t)=Sm時,底板塊達到最大位移,拱開始起作用;當d>S(t)>Sm時,由于拱的作用,底板塊之間存在較大的摩擦力,底板塊開始變形;當S(t)≥d時,此時底板塊克服相鄰板塊的約束,飛出座穴,導(dǎo)致拱圈失穩(wěn)。3拱圈底板塊各數(shù)字縫的互聯(lián)互通試驗在高速水流沖擊作用下,反拱水墊塘止水設(shè)施完全破壞、錨筋完全失效的條件下,通過改變不同的縫隙寬度,對底板塊沿程的位移振動規(guī)律進行了試驗研究。拱圈底板塊上下游設(shè)橫縫,用δu和δd表示;左右兩側(cè)設(shè)縱縫,用δl和δr表示。每組試驗δu、δd、δl、δr這4個縫隙寬度都相同。分別對0.05m、0.10m、0.15m、0.20m(此為原型數(shù)據(jù),下同)4個不同縫隙寬度進行了試驗。根據(jù)該工程的設(shè)計和校核流量分別得出設(shè)計和校核兩組試驗條件,見表3。由于兩個試驗組次得出的規(guī)律基本相同,以下只對校核流量的試驗結(jié)果進行分析。3.1底板塊振動的原型位移圖5給出了水舌沖擊區(qū)附近,不同縫寬對應(yīng)的拱圈底板塊的實測振動位移過程曲線,表4給出了不同縫寬條件下,底板塊的位移瞬時最大值和時均值。圖5中縱坐標S為拱圈底板塊振動的原型位移,t為采集時間(已轉(zhuǎn)化為原型數(shù)據(jù))。從圖5和表4可看出,縫寬為0.05m時,底板塊振動不劇烈,位移較小,最大位移只有0.02m;縫寬為0.10m、0.15m和0.2m時,底板塊振動比較劇烈,隨著縫隙寬度的增大,位移有所增大,但其最大值也僅在1m左右。試驗表明,在水舌沖擊區(qū)附近,拱圈底板塊振動比較劇烈,且隨著底板塊間縫隙寬度的增加,振動愈劇烈,振動幅度值也愈大。3.2拱圈底板塊穩(wěn)定性試驗結(jié)果圖6給出了水舌沖擊區(qū)下游,不同縫寬所對應(yīng)的拱圈底板塊實測位移過程曲線。從表4和圖6可看出,在試驗縫隙寬度范圍內(nèi),底板塊振動都不劇烈。當?shù)装鍓K縫寬為0.05m時,底板塊位移振幅很小,位移也很小;當?shù)装鍓K縫寬在0.05～0.15m時,底板塊產(chǎn)生了較大位移,最大位移1.41m;當縫寬達到0.20m時,底板塊最大位移為2.41m,超過了底板塊厚度d,說明底板塊失去約束飛出座穴,拱圈失穩(wěn)。試驗表明,拱圈底板塊失穩(wěn)的破壞機理,是由于底板縫隙寬度增加的效應(yīng)。由單底板塊鎖定高度的公式得出不同縫寬的底板塊鎖定高度,列入表5中。表中r為底板塊上表面的弧半徑(60.5m),d為底板塊的厚度(2.4m),δ為底板塊間的縫隙寬度,Δα為單底板塊的圓心角,Ld為底板塊下表面弧長。由表5可看出,拱圈底板塊的最大位移試驗值與計算值基本相符。當拱圈底板塊間縫寬為0.2m時,底板塊的鎖定高度為1.86m,小于底板塊厚度2.4m。而從試驗得知,在縫寬為0.2m時,設(shè)計和校核流兩流量下,中間底板塊均飛出座穴,發(fā)生破壞。因此,試驗表明,當縫寬大到一定程度時,底板塊達到鎖定高度后,拱圈底板塊間又發(fā)生了滑移,致使底板塊飛出座穴,發(fā)生失穩(wěn)。4拱圈底板塊水壓力在高速沖擊水流作用下,反拱水墊塘在止水完全破壞、底板錨筋失效的極端條件下,拱圈單底板塊的破壞機理進行了試驗研究,得出以下結(jié)論。1)水舌沖擊區(qū)附近,沖擊水壓力及縫隙動水壓力聯(lián)合作用拱圈底板塊,沖擊水壓力起主導(dǎo)作用。因此,拱圈底板塊振動比較劇烈,但仍保持穩(wěn)定,未飛出穴位。2)水舌沖擊區(qū)下游,沖擊水壓力逐漸減小,而縫隙動水壓力在沖擊區(qū)下游產(chǎn)生最大值。當?shù)装鍓K縫寬很小時,底板塊位移很小,形成自鎖狀態(tài);隨著底板塊縫寬的不斷增大,底板塊