高坝下游反拱水垫塘底板动力荷载特性与破坏机理研究

摘要

在大泄量、窄河谷地区,高拱坝坝身泄洪时的下游消能防冲,是当前我国水电建设中的关键性技术难题,直接关系到整个枢纽安全,若能很好的解决,则具有重大的经济效益和社会效益。水垫塘通常是作为保护高坝下游河床及岸坡,进行消能防冲的有效措施。反拱水垫塘是一种在结构、安全和经济等方面较平底水垫塘均具有优越性的新型消能工。本文在总结前人成果的基础上,结合溪洛渡高拱坝下游反拱水垫塘,对拱圈底板块的动力荷载特性及破坏机理进行研究,这是关系到水垫塘安全稳定的重大问题,具有重要的理论意义和实用价值。主要研究内容和成果包括:
　　(1)反拱水垫塘拱圈底板块轴力产生和传递的机理是:止水破坏、锚固失效后,作用在底板块上的上举力诱导了底板块位移和锁定,锁定后的底板块产生了约束的轴力,同时轴力又反作用于相邻底板块并传递直至拱端。根据轴力沿流程分布特征,可分为冲击强振区、上游强振区和下游强振区,在冲击强振区,轴力小、变化快,底板块不易发生锁定,在上、下游强振区,则轴力大,变化慢,底板块能长时间保持锁定状态。
　　(2)在试验工况下,轴力强度最大值在不考虑断面不均匀系数的情况下,满足混凝土抗压强度的要求。因此,只要设计合理的纵缝宽度,控制底板块位移在一定的程度,控制底板块间的接触面积,底板块不发生强度破坏。轴力优势频率为小于0.2Hz的低频窄带,这与水垫塘水跃旋滚、底板块脉动压强、底板块振动及上举力的主频接近,都是由于水流的大涡运动产生的,该优势频率与底板块自振频率相差大,拱圈底板块不会发生共振。
　　(3)根据对缝隙动水压力沿流程分布规律的研究表明,在水舌冲击区,缝隙动水压力和脉动强度能够达到最大值。沿拱圈分布规律的研究表明,缝隙动水压力由拱冠向拱端有减小的趋势,沿塘内水流方向距离冲击点越远,沿拱圈方向的拱冠值与拱端值差值越小;缝隙动水压力脉动强度沿拱圈分布变化小,无明显的规律性。
　　(4)止水正常时,在作用于水垫塘底板块上表面动水压力和其下表面扬压力联合作用下,缝隙动水压力大于扬压力。止水发生破坏后,在较大的扬压力水平下,缝隙动水压力体现出“释放”效应有减小的现象;在较小的扬压力水平下,缝隙动水压力体现出“灌入”效应有增大的现象;当扬压力大小与底板块上表面动水压力大小相当时,止水发生破坏后,缝隙动水压力变化不大。缝宽大小与止水破坏程度对缝隙动水压力变化的影响是相同的。通过分析溢洪道设计规范中,计算底板块的安全系数的不妥之处,建议取缝隙动水压力代替扬压力。在实际工程中,应尽量做好排水设施,使其正常运行,减小扬压力,确保工程安全。
　　(5)对拱圈底板块振动位移沿流程分布规律进行试验研究,在冲击区试验范围内,底板块振动剧烈但位移较小,仍能保持稳定;在壁射流区,底板块振动强度小但位移大,缝宽较小时能够发生锁定状态。活动底板块的锁定高度是由其厚度及缝宽决定的,控制左右缝隙宽度对反拱水垫塘底板稳定起至关重要的作用。
　　(6)通过对反拱水垫塘底板失稳破坏机理的研究表明,作用在底板块上的上举力、活动底板块的数目、拱座约束的条件和纵缝宽度是拱圈底板块失稳的重要因素。拱圈局部失稳是由于活动底板块数目和纵缝宽度的增加,缝宽“增加与累加效应”,致使振动底板块径向位移增加,相邻底板块无法约束而最终滑出座穴;拱圈整体失稳是由于拱座的微小位移,使拱端块或拱圈底板块在较小的缝宽时都有失去轴向约束飞出座穴的可能。反拱水垫塘运用时,拱座的稳定至关重要,控制活动底板块的数目和缝宽也是保证水垫塘安全运行的重要因素。
　　(7)采用 RNG k-ε紊流数学模型和自由水面“VOF”方法处理,建立“水库-泄水表孔-射流水舌-水垫塘”三维整体数学模型,对溪洛渡高拱坝七表孔泄洪、反拱水垫塘流场进行数值模拟。结果表明,七表孔泄洪水舌在空中未发生碰撞,射流较为平稳的射入水垫塘,塘内水流表面变化不甚剧烈,但塘内底板压强出现较大的峰值。高坝下游水垫塘中不仅存在已被认识到的横向漩滚,还会在拱坝向心泄洪、水舌横向贴壁流诱导下产生纵向漩涡,向上下游螺旋发展,横向漩滚末向上翻滚的水流在回溯过程中,又形成竖向漩涡。
　　(8)对反拱水垫塘和平底水垫塘流场进行了数值模拟,对两种水垫塘的水力特性进行对比分析。研究表明,两种水垫塘在流态、近壁流速变化、底板压强和消能率方面各有利弊。在水舌入水区,平底水垫塘水流流态和底板压强分布对其安全不利。在入水区上、下游,反拱水垫塘流态、消能效果和底板压强分布的合理性逊于平底水垫塘。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 反拱水垫塘的研究进展

1.3 反拱水垫塘研究中尚未解决的问题

1.4 本文研究的主要内容

2 反拱水垫塘试验模型设计

2.1 工程概况

2.2 试验模型

2.3 试验拱圈段设计与传感器安装

3 反拱水垫塘轴力在上举力作用下的变化规律探讨

3.1 拱圈底板块轴力分布的理论分析

3.2 底板块轴力特征值

3.3 底板块轴力瞬时值

3.4 底板块轴力的频域特征

3.5 小结

4 反拱水垫塘缝隙动水压力分布规律

4.1 缝隙动水压力的产生机理与影响因素

4.2 缝隙动水压力的分布规律

4.3 扬压力作用下缝隙动水压力的试验研究

4.4 小结

5 反拱水垫塘底板失稳破坏机理研究

5.1 拱圈底板块失稳破坏机理的理论分析

5.2 底板块振动位移沿流程分布

5.3 反拱水垫塘拱圈局部破坏的试验研究

5.4 反拱水垫塘拱圈整体破坏的试验研究（工况6）

5.5 小结

6 反拱水垫塘与平底水垫塘流场数值模拟的比较

6.1 计算模型

6.2 计算模型的验证

6.3 反拱水垫塘与平底水垫塘流场比较及其分析

6.4 小结

7 结论与展望

7.1 本文的主要结论

7.2 问题与展望

参考文献

致谢

附录