高拱壩反拱水墊塘穩(wěn)定性分析

高拱壩反拱水墊塘穩(wěn)定性分析

狹窄河谷中高拱水庫下游的洪水消能效果一般采用鋼筋混凝土支撐和河床巖石加固，以保護(hù)水庫底部，防止水流。根據(jù)一定深度和一定水體，以三元水的計(jì)算，消耗水流能量，確保水流與下游之間的合理聯(lián)系。水墊塘底板(護(hù)坦板)多為矩形或梯形斷面,稱平底水墊塘。國外最早應(yīng)用了反拱底板(稱反拱水墊塘),如西班牙Susqueda拱壩等,但其泄量不大。近年來,我國一些300m級高的拱壩,壩身泄洪流量較大,如已建的二灘,在建的小灣、構(gòu)皮灘以及擬建的溪洛渡等工程。本文就兩者底板穩(wěn)定性諸方面進(jìn)行比較。1水閥底板的穩(wěn)定原理1.1裂縫型底板穩(wěn)定機(jī)理平底水墊塘是平底板塊結(jié)構(gòu),底板塊間是垂直和平行的底板縫隙,其中設(shè)止水設(shè)施。如圖1所示,底板塊受到的作用力有:(1)表面動(dòng)水壓力qu;(2)底板縫隙中的揚(yáng)壓力和滲透壓力qd。如果底板塊間的縫隙止水設(shè)施遭到破壞,底板塊表面的動(dòng)水壓強(qiáng)會(huì)貫入底板縫隙中,與揚(yáng)壓力和滲透壓力一起形成縫隙動(dòng)水壓力。如果大壩上游帷幕灌漿和水墊塘下游排水發(fā)揮作用,縫隙動(dòng)水壓力主要由底板表面動(dòng)水壓力貫入底板縫隙中產(chǎn)生;(3)底板塊間的咬合力Rτ(摩擦力),其數(shù)值較小可予忽略;(4)底板塊和基巖之間的錨固力qr;(5)底板自重G。底板塊保持穩(wěn)定平衡的條件為式中:F為底板塊上舉力;B為底板塊寬度;L為底板塊長度。從方程(1)可見,水墊塘平底板塊的穩(wěn)定是以一個(gè)獨(dú)立底板塊的升浮作為控制條件。由于各底板塊間約束作用較小,水舌作用范圍內(nèi)的所有底板塊都要滿足方程(1)方能使水墊塘底板保持穩(wěn)定。一旦水墊塘中有一底板塊掀起,則會(huì)引起周圍其他底板塊的連鎖破壞,導(dǎo)致水流沖刷河床基巖,嚴(yán)重時(shí)則可使兩岸邊坡和山體坍塌。1.2反拱圈的內(nèi)力反拱水墊塘是一個(gè)倒拱形殼體結(jié)構(gòu),如圖2所示,沿水流方向長約幾百米,用橫縫(垂直于水流方向)分成若干反拱圈;反拱圈用徑向伸縮縫(施工縫)分為若干塊,錨固在基巖上,拱端支撐在兩岸山體上,支撐端稱拱座。圖3為反拱圈荷載分布示意圖。其中,(Q,N)|i=A,B,θ為反拱截面徑向剪力和軸向壓力(壓力為正),下標(biāo)A,B,θ表示兩拱座和任意截面處。沿反拱底板橫向取一個(gè)微元弧長ds=Rdθ,R為反拱半徑;θ∈[-θc,θc]為反拱切向角;2θc為反拱中心角,則沿反拱弧長單位面積(水流方向)的動(dòng)水荷載為式中:q為徑向荷載;qp=qd-qu為徑向上舉力荷載(指向拱心為正);qu,qd分別為反拱表面和縫隙動(dòng)水壓強(qiáng);qr為徑向錨固力荷載;qFs為徑向承載力荷載;qg=γsd為豎向底板自重荷載(豎直向下為負(fù)),γs為混凝土重度,γd為反拱圈的厚度。當(dāng)上舉力荷載qp不足克服錨固力qr和自重qg時(shí),反拱圈上各板塊依靠自重、向下的上舉力、錨固力qr保持穩(wěn)定,承載力qFs和錨固力qr約束反拱圈產(chǎn)生離心趨勢。若錨固力失效,河床基巖又產(chǎn)生一定塑性變形,拱座和反拱截面可能出現(xiàn)拉力。當(dāng)上舉力荷載qp>0,并能克服錨固力qr和自重qg時(shí),反拱圈產(chǎn)生向心位移趨勢,qFs失去約束作用,反拱圈上各板塊相互擠壓,其截面產(chǎn)生軸向壓力,從拱冠通過拱作用傳至拱兩端,成為拱端推力,由拱支座和兩岸山體承擔(dān)。當(dāng)反拱底板間止水設(shè)施遭到破壞,底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)貫入底板縫隙中,錨固力失效時(shí),這種情況最為不利。因此,反拱底板利用拱作用將豎向、徑向荷載變成反拱軸向壓力,利用混凝土材料抗壓性傳遞給反拱兩端拱座,依靠山體和拱座的穩(wěn)定保持底板塊自身穩(wěn)定,將單個(gè)底板塊的穩(wěn)定變成了反拱圈整體的穩(wěn)定。2水墊塘底板高程的影響由圖2可見,平底水墊塘剖面邊坡和底板間為一銳角,其兩邊坡附近比反拱水墊塘剖面多削去了一部分基巖,這樣破壞了兩岸山體、河床基巖的完整性。水墊塘越深,其襯砌邊坡越陡,加之泄洪時(shí)水流強(qiáng)烈地紊動(dòng),不利于峽窄河谷中兩岸高邊坡山體的穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接威脅上游拱壩壩肩穩(wěn)定。相比之下,反拱水墊塘底板高程沿橫向逐漸提高,水墊深度適當(dāng)減少,符合底板荷載在溢流中心大,沿橫向逐漸衰減的規(guī)律,同時(shí)又減少了河床基巖的開挖量,對水墊塘兩岸乃至拱壩壩肩的穩(wěn)定有利。因此,反拱水墊塘剖面是一種優(yōu)化的體型。3底板上舉力以溪洛渡水墊塘底板實(shí)測上舉力以及拱端推力為例,說明水墊塘底板荷載的大小。試驗(yàn)泄洪水流條件見表1。實(shí)測底板上舉力詳見表2,其中:qp=F/ω為上舉力強(qiáng)度;qˉqˉp,σ,qp,qpmax分別為其時(shí)均值、均方根、瞬時(shí)值和時(shí)域內(nèi)的最大瞬時(shí)值。在比尺為150的整體水墊塘模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮底板縫隙止水設(shè)施破壞,底板表面動(dòng)水壓強(qiáng)貫入縫隙,不計(jì)基巖錨固力,底板塊尺寸為長×寬×厚=10m×10m×3m的條件。3.1混凝土底板失穩(wěn)破壞的抗壓性從表2可見,在所有泄洪工況下,(Fmax-G)/G最大值為3.83,表明底板塊上舉力Fmax為底板塊自重的4.84倍。在底板縫隙止水設(shè)施破壞,錨固力失效的條件下,足以使底板塊拔出座穴。這種破壞形式不是混凝土材料的強(qiáng)度或疲勞破壞,而是底板塊整體掀出,因而底板并未發(fā)揮混凝土材料優(yōu)越的抗壓性,只是起到隔離水流與河床基巖,防止其沖刷的作用。如果對底板塊上舉力大小考慮不夠,底板錨固施工不良,那么一旦底板縫隙止水設(shè)施破壞,底板塊遲早要發(fā)生失穩(wěn)破壞。此外,從圖2可見,平底水墊塘底板承載長度(其底寬)小于反拱水墊塘底板承載長度(其底板弧長),所以,前者底板承受的水動(dòng)力荷載比后者在橫向更集中。3.2拱端推力分析考慮反拱水墊塘中反拱圈上下游橫縫止水設(shè)施破壞,動(dòng)水壓強(qiáng)貫入底板縫隙,不計(jì)基巖錨固力的情況。假設(shè)模型試驗(yàn)得出的最大瞬時(shí)上舉力沿拱圈徑向均勻分布,即q=qPmax(見圖2)。為簡化起見,以3鉸拱(3個(gè)鉸位于兩拱端和拱心處)進(jìn)行分析,兩拱端水平和垂直反力計(jì)算公式為式中:VA,VB,HA,HB分別為兩拱端處垂直和水平反力;G=2γsdLRθc為反拱圈重;θc=38.88π/180;R=81.255m。兩拱端徑向和軸向反力為表3給出了各種泄洪工況下,反拱圈拱端極限推力最大值約為拱圈重的2.7倍。反拱圈的強(qiáng)度要求拱端推力強(qiáng)度小于巖體抗壓強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度。假設(shè)巖體為微風(fēng)化花崗巖,抗壓強(qiáng)度大于15MPa。混凝土抗壓強(qiáng)度按400#水泥計(jì)算約39.2MPa,取拱端斷面不均勻系數(shù)μ=2,則拱端推力強(qiáng)度可見,反拱圈截面和拱端巖體能在其壓力強(qiáng)度范圍利用混凝土和巖體材料抗壓性能抵抗徑向上舉力荷載。因此,反拱水墊塘底板能充分利用混凝土材料優(yōu)越的抗壓性。反拱圈的穩(wěn)定還要驗(yàn)證拱端整體滑動(dòng)。由于其還涉及兩岸山體巖石地質(zhì)條件等問題,不便做一般分析,但已知拱端極限推力荷載,采用混凝土預(yù)應(yīng)力等工程技術(shù),在目前可以做到拱端整體穩(wěn)定。因此,即使不考慮底板錨固條件,只要反拱水墊塘拱端保持穩(wěn)定,反拱底板就能充分利用混凝土和兩岸巖體的抗壓性,依靠拱端穩(wěn)定達(dá)到自身穩(wěn)定。4錨固強(qiáng)度計(jì)算仍以表2中的試驗(yàn)條件和荷載為準(zhǔn),通過數(shù)值計(jì)算,比較上舉力荷載對兩種水墊塘截面尺寸的影響。定義幾個(gè)參數(shù):ηδ=δi/δt為錨固強(qiáng)度比,δi為反拱圈錨固強(qiáng)度,δt為平底板錨固強(qiáng)度。其物理意義表示以平底水墊塘錨固強(qiáng)度為準(zhǔn),反拱水墊塘底板錨固強(qiáng)度的大小,ηδ<1表示反拱水墊塘底板錨固強(qiáng)度低于平底水墊塘。ηNg=Ngi/Ngt為鋼筋用量比,Ngi為反拱圈錨固的鋼筋用量(按整個(gè)反拱弧長考慮),Ngt為平底水墊塘錨固鋼筋用量(按整個(gè)底板橫向?qū)挾萣=2Rsinθc考慮)。ηN=N/Nmax為拱端推力比,N為反拱圈達(dá)一定錨固強(qiáng)度ηδ時(shí)的拱端推力,Nmax為ηδ=0時(shí)的拱端極限推力。ηd=dη/d為拱端厚度比,dη為拱端推力達(dá)N時(shí)的拱端厚度;d=3m為拱端原厚度。ε為錨固后拱端推力N與反拱圈重G之比。4.1g/mm2錨筋計(jì)算根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以直徑dg=10(面積Ag=0.25πd2gg2),抗拉強(qiáng)度為σg=441N/mm2的錨筋,計(jì)算得出δt=7.84根/m2,即1個(gè)10m×10m的底板塊受到的上舉力達(dá)底板塊自重的4.83倍時(shí),若qr=δtσgAg,即可保證底板塊在縫隙止水設(shè)施破壞時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。假定整個(gè)底板的橫向?qū)挾葹閎,則Ngt=bLδt=7992.2根。4.2拱端推力下降圖4為錨固強(qiáng)度比對拱端荷載影響的計(jì)算曲線。可見,對于不同泄洪工況,當(dāng)ηδ增加時(shí),ηN不斷減少,當(dāng)ηδ=0.965,ηNg→1,ηN→0時(shí),即反拱圈拱端最大推力為零。假使上舉力荷載大于表2中的最大值,實(shí)際拱端推力大于極限推力荷載,拱端此時(shí)才開始承受推力作用,而不發(fā)生失穩(wěn)。但對于平底板,如果上舉力荷載大于表2中的最大值,底板塊必定失穩(wěn)。5d的影響圖5給出了當(dāng)拱端推力保持在極限推力時(shí),錨固強(qiáng)度比對縮小拱端厚度的計(jì)算曲線?？梢?隨ηδ增加,ηd在減少。當(dāng)ηd=0.2時(shí),拱端厚度減少到20%。在這種條件下,拱端推力強(qiáng)度是否超過巖體和混凝土抗壓強(qiáng)度則成為主要決定因素。可見,反拱底板厚度在底板錨固時(shí)可減小許多,而平底板厚度卻不能減少。6反拱圈穩(wěn)定機(jī)理本文從理論上分析了平底水墊塘和反拱水墊塘底板穩(wěn)定性原理,得出平底水墊塘底板塊穩(wěn)定是以一個(gè)獨(dú)立底板塊的升浮作為控制條件的,而反拱水墊塘是利用拱作用將豎向、徑向荷載變成反拱軸向壓力,利用混凝土抗壓性傳遞給反拱兩端拱座,依靠山體和拱座穩(wěn)定保持底板塊自身穩(wěn)定,將單個(gè)底板塊在荷載作用下的穩(wěn)定變成了反拱圈整體的穩(wěn)定。以溪洛渡水墊塘實(shí)測底板塊上舉力的試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析和論證了:(1)反拱形狀適應(yīng)動(dòng)水荷載沿橫向變化規(guī)律,使其沿橫向更為分散;(2)在底板縫隙止水設(shè)施破壞,錨固力失效的條件下,底板塊上舉力足以使平底板塊拔出座穴,發(fā)生破壞時(shí)底板并未發(fā)揮混凝土材料的抗壓性;而反拱水墊塘即使不考慮底板錨