反拱透水底板拱端推力与板块位移研究.pdfVIP

水 利 学 报 2011年6月 SHUIU XUEBAO 第42卷 第6期 文章编号 ：0559—9350(2011)06—0666—06 反拱透水底板拱端推力与板块位移研究 张少济，杨 敏，孙 勉 (天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072) 摘要：本文基于模型试验并结合数值模拟研究了反拱透水底板的拱端推力与板块位移特性。结果表明，与不透水 底板相 比，透水底板可 以显著的减小拱端推力，并且拱端推力与板块位移均随开孔率的增加而减小，从而可以提 高反拱底板的稳定性。结合拱端推力的频谱分析可知，开孔后拱端推力的脉动能量降低，并且功率谱重心向低频 移动 。 关键词：水利水电工程；反拱水垫塘；透水底板；拱端推力；板块位移 中图分类号：TV135．2 文献标识码：A l 研究背景 狭窄河谷 中高拱坝下游的消能防冲是影响大坝稳定性的一个关键问题。 目前通常采用的工程措 施是坝后设置水垫塘 ，在水垫塘 内以三元水跃旋滚消杀水流能量 ，确保水流与下游合理衔接。但 是 ，迄今为止 ，关于水垫塘防护结构稳定性的研究都局限于一种 “被动防护”的模式 ，相应的措施包 括设抽排、加锚 固，或加大结构尺寸。然而，由于技术上 的原因，锚固力不可能无限制地加大 ；而 增加底板厚度 的效果也只能是事倍功半。为此 ，有关学者对水垫塘防护结构的研究作 了一些工作， 力图从根本上改变 防护的理念 。20世纪60年代 ，北京水利水 电科学研究院的哈焕文 曾研究了消力池 透水底板的水力特性…。崔莉等 研究表明护坦板浮升翻转失稳的充分条件还包括护坦板底部的受力 情况 。杨敏等 对反拱形底板的稳定性做 了专门的研究。索风营水电站水垫塘的透水底板 目前 已经 施工。本文通过模型试验和数值模拟，研究开孔率对反拱形底板拱端推力与板块位移的影响，为水 垫塘防护结构 “主动防护”模式在工程 中的应用提供科学参考。 反拱水垫塘是利用河床基岩的天然形状将底板做成反拱形 ，利用拱形结构的力学特性 ，将射流 冲击荷载传递到两岸山体或拱座，充分发挥混凝土材料的抗压特性和拱结构的超载能力。崔广涛等 通过力学原理分析和水垫塘底板块 “拉拔 ”试验研究得出：反拱底板的抗浮稳定安全系数 比平底板大 得多，反拱形水垫塘是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择 ；练继建等 、刘沛清 、彭新民等 分别对 反拱形底板的整体稳定性进行了研究，得出结论：反拱底板的整体稳定性依赖于拱座整体稳定，即 拱形底板的稳定条件 已不是单块浮升失稳控制 ，而是以其拱座稳定为控制条件。因此 ，在反拱形透 水底板研究中，主要研究拱端推力与板块位移随板块开孔率的变化规律。 2 试验模型与数值模型简介 某双曲拱坝最大坝高250m，电站装机容量6~700blW，为 I等大 (1)型工程 。坝址 区为高山峡谷 地貌 ，两岸坡陡峻。坝身泄洪建筑物由3个表孔和2个深 (中)孔组成 ，分两层分别布置于坝身不同坝 收稿 日期 ：2009一o6-09 基金项 目：国家 自然科学基金50779044)；国家杰出青年基金资助项 目 作者简介 ：张少济(1983一)，男 ，博士，主要从事高坝泄流安全研究。E-mail：zhangshaoji0823@yahoo．corn．cn — -— — 666 --—— 段 ，坝后主要消能建筑物为水垫塘和二道坝 。坝址 的 地形 、地质条件决定了水垫塘适宜采用反拱形底板衬 砌形式 。反拱形水垫塘长度约为218．3m，横剖面按 圆 弧设计 ，从上游到下游等宽布置 ，沿水流方 向15m为 一 段分永久缝。底板最低点高程2215．0m，每块平均宽 15．83m。反拱形水垫塘横剖面如图1所示 ，图中高程以 m计，其它数据单位为om。 试验用模型几何 比尺为 1：100。所有板块 间和板块 与基岩间都留lmm左右的间隙，以保证动水压力传递 的相似性 。拱端推力传感器采用 自制 的测力传感器 ， 图l 水垫塘横剖面图 根据射流冲击荷载引起底板拱圈结构变形测量反拱拱 圈的推力。试验中，固定上游水位 (上游水位为2450m)， 改变下游水位和底板的开孔率k(底板上孔洞 的面积和 板块表面积 比