射流沖擊荷載作用下反拱水墊塘的上舉力

射流沖擊荷載作用下反拱水墊塘的上舉力

0高速水流沖擊下的底板荷載為了簡化交叉口配置，降低洪水設計成本，采用水庫和黑市孔聯(lián)合排水，水庫后面的適當位置修建了兩座水庫，形成了一個墊塘，以達到消能和防沖的目的。反拱形水墊塘作為防護下游河床的新型消能工,其自身在高速水流沖擊下的安全性是實現消能和防沖目的的關鍵所在。在射流沖擊荷載的作用下,水墊塘底板上下表面產生動水荷載,底板上下表面動水荷載的合力稱為上舉力。由于動水荷載的隨機性,在某一時刻,向上的上舉力大于底板本身的自重(在不考慮錨固力的情況下),板塊就會浮升失穩(wěn),并由此危及水墊塘的安全運行。我國在建壩方面所遇到的樞紐泄洪消能、防沖以及高速水流問題的技術難度,居世界第一。“七五”以來對這一課題開展研究,取得了較為豐富的研究成果。但由于水墊塘水流流態(tài)的復雜性,還沒有獲得較為系統(tǒng)的成果和統(tǒng)一的荷載分析計算模式,特別是目前尚無國內國際公認的水墊塘水力設計的控制指標。因此水墊塘水流荷載的研究對解決泄洪消能難題具有重要意義,是實際工程所面臨的亟待解決的課題。1水墊塘反拱設計某拱壩最大壩高278m,壩身泄水建筑物由7個表孔、8個深孔組成,壩身最大泄量達3.0萬m3/s,在壩后布置反拱形水墊塘。水墊塘反拱半徑81.25m,圓心角77.76°,單個板塊尺寸為:長×寬×厚=12m×12m×4m。模型試驗針對該工程3種工況(上游水位為:600m、602.34m、609.69m,相應水墊塘水位為:399.40m、409.17m、415.31m)進行了單塊體上舉力的測試。2結構模型的建立該工程采用的反拱形水墊塘,是一種優(yōu)化的水墊塘消能防沖結構形式,它根據峽谷天然河道的形狀,將水墊塘設計成中間低、兩岸高的拱形體型,不同程度地利用拱的作用來抵抗巨大的動水壓力,提高防護結構的安全性。與常規(guī)平底水墊塘相比,底板的穩(wěn)定性條件由平底水墊塘的單塊受力控制轉變?yōu)檎w受力控制,摒棄了平底板設計中的重力準則,不是以增加混凝土量或加強錨固去克服不利的荷載組合,而是通過拱結構,荷載由底板傳給拱端,繼而將荷載傳遞到兩岸山體,充分發(fā)揮了混凝土的抗壓能力及拱結構超載能力。由于反拱底板結構上的這種特征,當動水壓力產生的上舉力超過底板塊自重時,底板塊間形成拱,靠拱端產生的推力來維持其穩(wěn)定(見圖1)。但由于動水壓力大小的隨機性和時空相關的差異,各板塊產生的上舉力不可能是同步的,因此存在著某一底板塊的上舉力超過其自重,而相鄰板塊上舉力并未超過自重的情況,即整體拱作用并未形成,上舉力超過其自重的塊體就會浮升失穩(wěn),這就是反拱底板的局部穩(wěn)定問題。單一板塊的受力示意見圖2。從圖2可以看出,單一板塊也相當于一個小拱,相鄰板塊的推力也構成其抵抗上舉力的抗力的一部分,即相鄰板塊構成了它的拱座,而控制底板塊穩(wěn)定(局部穩(wěn)定性)的是動水壓力產生的上舉力。鑒于水墊塘水流流態(tài)的復雜性,難以對上舉力進行較為滿意的理論分析和計算,限于已建原型工程不多和原型觀測難度較大,對上舉力的研究目前主要依賴模型試驗。模型試驗必須滿足必要的相似條件:水動力學相似條件,要求滿足重力相似準則;結構動力學相似條件,要求滿足彈性相似準則;縫隙與原型同一數量級,縫隙流動近似達西定律。按相似條件所做的結構模型還必須經過測試,以檢驗其模擬的準確性。該工程水墊塘結構模型的測試檢驗采用了“拔拉試驗法”,“拔拉”試驗驗證了該工程模型與原型具有很好的相似性。該工程模型比尺1∶100,反拱形水墊塘襯砌塊按實際工程的分縫,用加重橡膠制作,安裝時各板塊間保留微小縫隙(1mm左右),相互間沒有力的傳遞,在易失穩(wěn)區(qū)拱圈的每個板塊上安裝1個力傳感器,傳感器在靜水情況下調零,測試裝置見圖3所示。3拱圈中間部位上舉力模型試驗測試了表深孔聯(lián)合泄洪(對水墊塘穩(wěn)定最不利的情況)3種工況下的單塊體上舉力,測試成果列于表1～3中。由表1～3中的測試數據可以明顯看出:在上下游水位保持不變的情況下,拱圈中間部位的幾個板塊(表中3、4、5、6號板塊)上舉力較大,兩側靠近岸邊的板塊上舉力較小,這說明上舉力在垂直水流方向上的分布(橫向分布)趨勢為中間大,兩岸小;在上游水位不變的情況下,對于任何一個板塊的上舉力總體變化趨勢,都呈現出隨著下游水位的降低而增大,如圖4所示。4量綱的量綱計算根據試驗成果的分析,將上舉力寫成如下的一般函數形式:F=f(q,Η,ht,D,g,ρ)(1)式中:F為上舉力;q為入水單寬流量;H為上下游水位差;ht為水墊塘水深;D為板塊厚度;g為重力加速度;ρ為水密度。采用理論分析與科學試驗相結合的手段來尋求上舉力的一般表達式,對理論分析部分采用常用的量綱分析基本定理(π定理)來進行討論。分析討論過程如下。選擇H、ρ、g三個物理量作為基本物理量,則式(1)可以用2個無量綱數組成的關系式來表達,這些無量綱數為:π=FΗxgyρz(2)π4=qΗx4gy4ρz4(3)π5=D/htΗx5gy5ρz5(4)由于選擇了H、ρ、g為基本物理量,由基本物理量組成的無量綱數均等于1,即:π1=π2=π3=1因為π4、π5均為無量綱數,(2)、(3)、(4)式的右端,分子與分母的量綱應當相同。由式(2)得:[F]=[Η]x[g]Y[ρ]z(5)將式(5)中各物理量的量綱用[L]、[T]、[F]來表示,則有:[F]=[L]x[L/Τ2]Y[FΤ2/L4]z(6)式(5)兩端相同量綱的指數應相等:對F來說1=z對L來說0=x+y-4z對T來說0=2z-2y解上面聯(lián)立方程得:x=3;y=z=1帶入式(2)得:π=FΗ3gρ由式(3),可寫出量綱式:[q]=[Η]x4[g]y4[ρ]z4[L2/Τ]=[L]x4[L/Τ2]y4[FΤ2/L4]z4}(7)式(7)兩邊相同量綱的指數應相等:對F來說0=z4對L來說2=x4+y4-4z4對T來說-1=2z4-2y4解聯(lián)立方程得:x4=3/2;y4=1/2;z4=0帶入式(3)可得:π4=qΗ1.5g0.5由式(4)可寫出量綱式:[D/ht]=[Η]x5[g]y5[ρ]z5=[L]x5[L/Τ2]y5[FΤ2/L4]z5}(8)式(8)兩邊相同量綱的指數應相等:對F來說0=z5對L來說0=x5+y5-4z5對T來說0=2z5-2y5解聯(lián)立方程得:x5=y5=z5=0帶入式(4)可得:π5=Dht根據π定理,可用π、π1、π2、π3、π4、π5組成表征F/G的無量綱數的關系式:π=f(1,1,1,π4,π5)經整理得:F/G=f(q/g0.5H1.5,D/ht)由表4中試驗數據采用最小二乘擬合確定系數a,b:F/G=aq√gΗ1.5?Dht×103+b(9)令F/G=yq√gΗ1.5?Dht×103=x則上式為:y=ax+bs(a,b)=min14∑i=1[(axi+b)-yi]2}(10)根據函數存在極值的必要條件確定a,b值:{?s?a=14∑i=12xi(axi+b-yi)=0?s?b=14∑i=12(axi+b-yi)=0解方程組得a=10.0;b=-10.24得到擬合公式如下:F/G=10.0[(q/g0.5Η1.5)?D/ht×103]-10.245水墊塘上舉力分布由于動水壓力大小的隨機性和時空相關的差異,反拱底板單塊體上舉