鄧永鋒，張海軍

(1.陜西魯源生態(tài)環(huán)境科技有限公司，陜西西安710021;2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710001)

高拱壩下游的泄洪消能防沖是一個關(guān)鍵問題。通常是在下游修建混凝土襯砌的水墊塘，靠塘內(nèi)一定深度和一定量的水體消剎水流能量，以防止壩下基巖和下游河床發(fā)生嚴(yán)重的沖刷［1－3］。但是隨著高壩，高水頭的大壩的建設(shè)，下游水墊塘底板所受的滲透水壓和揚壓力也增大。近年來，在水墊塘底板結(jié)構(gòu)形式選擇上也有研究，主要是鍵槽形式和直縫形式。但是究竟那種形式更好，現(xiàn)在也不清楚。在檢修狀態(tài)時，水墊塘底板的穩(wěn)定性問題日益嚴(yán)重，對于在此時的底板塊結(jié)構(gòu)位移狀況尚未完全掌握。為此，結(jié)合高拱壩工程，對帶鍵槽水墊塘底板和直縫水墊塘底板分別進(jìn)行了試驗研究，進(jìn)而得到在檢修時水墊塘底板塊的位移變化情況。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型設(shè)計

整體模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，比尺為100［4］。局部彈性拱圈段用加重橡膠材料制作，滿足重度比尺λγs=1要求，在拱圈五底板塊的底部都安裝了一個專門的底盒，由弧形底板(底部)、“井”字型側(cè)壁(側(cè)部)和拱圈底板塊下緣(頂部)圍成。盒子底部是底板塊下方的弧形底板;盒子側(cè)部是弧形底板上固定的側(cè)壁(上下游方向兩個、左右岸方向兩個);盒子頂部是拱圈底板塊。盒子中部設(shè)有兩層穩(wěn)水孔板。盒子和拱圈底板塊下緣之間設(shè)有折疊式止水橡皮，實現(xiàn)兩者之間的止水。

盒子底板還設(shè)計了四個揚壓力施加孔，通過四根輸水軟管(設(shè)有控制閥門)和一個專門設(shè)計的獨立揚壓力水箱相連?？刂扑涞乃弧P壓力控制閥門、以及止水閥門就可以對底板塊施加揚壓力。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗條件

試驗條件是左右與相鄰塊接觸、止水設(shè)施正常以及底板塊錨筋失效。底部板塊揚壓力施加如圖1。

圖1 塊下部大樣大樣

1.2.2 底板塊位移的量測

在每個底板塊表面，靠近左右縫隙附近，設(shè)立10個觀測點，拱端頂設(shè)2個測點，測點布置如圖2所示。

圖2 底板塊位移分解示意圖

圖3 兩種接觸方案試驗比較圖

測量方法是，沿拱圈方向設(shè)有一個水平測針架，用水準(zhǔn)儀測平后安裝，在沿測針走向的板塊測點附近固定10個有機玻璃薄片，在上面準(zhǔn)確標(biāo)出十字標(biāo)記作為測點標(biāo)記，測針可以在架子上來回移動測量十個觀測點的鉛垂位移。在兩拱端上分別設(shè)一監(jiān)測點，在施加揚壓力時實時監(jiān)測。水平測針架兩邊各粘有一個固定的鋼板尺，可測量板塊的水平位移。

1.2.3 底板塊位移的分解

圖4給出了底板塊的位移分解示意。設(shè)底板塊的鉛垂位移為Δz，向上為正;沿拱圈橫向位移為Δy，向右為正;則可以計算出合位移 Δs;再合位移Δs沿徑向和切向分解為Δr和Δτ，徑向位移Δr指向拱心為負(fù);切向位移Δτ為逆時針方向為正［5－6］。

式中α為底板塊變化后的徑向角。

1.2.4 揚壓力加載方式

加載方式見表1。

表1 加載方式和揚壓力水平

2 試驗結(jié)果分析

圖3給出了兩種底板接觸方案的試驗比較。從圖3中可以看出，在各種加載方式以及各級揚壓力水平作用下，拱圈底板兩種接觸方案的底板位移變化規(guī)律幾乎完全是相同的，在數(shù)量級上兩者也是一致的，但位移量稍有差別，而這種差別沒有明顯的規(guī)律性。當(dāng)揚壓力水平小于56.2 m水柱時，兩種方案的底板位移都很小，且兩者差別不大。因此，主要分析揚壓力水平在56.2 m水柱～140.2 m水柱作用下的底板塊位移。

當(dāng)拱圈底板塊③，④和⑤同時施加揚壓力時，從圖3(a)可見，在揚壓力水平為56.2 m時，直縫底板塊的位移要大于帶鍵槽底板塊的，最大約0.07 m;當(dāng)揚壓力不斷升高至86.2 m水柱～140.2 m水柱時，兩者位移基本一致，幾乎沒有明顯差別;當(dāng)拱圈底板塊④和⑤施加揚壓力時，從圖3(b)可見，在揚壓力水平為56.2m時，兩者的位移基本一致;當(dāng)隨揚壓力不斷升高時，達(dá)到86.2 m水柱～140.2 m水柱時，帶鍵槽底板塊的位移大于直縫底板塊，最大約0.11 m;當(dāng)拱圈⑤底板塊施加揚壓力時，從圖3(c)可見，在各揚壓力水平左右下，兩者的位移基本一致，沒有明顯差別;當(dāng)拱圈底板塊①和②、④和⑤施加揚壓力時，從圖3(d)可見，在各揚壓力作用下，直縫底板塊位移均略大于帶鍵槽底板塊，最大約0.08 m;

3 結(jié)語

通過兩種底板接觸方案下底板塊的結(jié)構(gòu)試驗研究得出:

(1)兩種接觸方案下，拱圈底板塊位移變化總趨勢是，承受揚壓力的底板塊必然上升，帶動相鄰的底板塊上升，這種聯(lián)動作用隨底板塊位移增大而增大，又不斷沿橫向傳遞，拱圈形成局部拱或全拱。拱圈底板塊位移最大處的縫隙為張，其它縫隙則有張有合。各種加載方式下和各級揚壓力水平下，拱圈底板塊是局部拱或全拱，底板塊未飛出座穴發(fā)生失穩(wěn)，拱結(jié)構(gòu)仍是一個完整的承載體系。

(2)拱圈承受揚壓力的底板塊位移比未受揚壓力的要大;在承受揚壓力的底板塊中，揚壓力大的底板塊位移最大或次之;任一底板塊在揚壓力作用下的傾斜方向取決于相鄰底板塊是否有揚壓力作用。如果相鄰底板塊之一有揚壓力作用，那么任一底板塊在與之相連處的那一端位移要大。

(3)拱圈底板塊位移隨揚壓力的增大而增大。

(4)加載方式4、加載方式5、加載方式6均是對稱加載，拱圈底板塊變位基本對稱。

(5)各種加載方式下，拱圈底板塊是局部拱或全拱，兩種接觸方案，拱圈底板塊未飛出座穴發(fā)生失穩(wěn)，拱結(jié)構(gòu)仍是一個完整的承載體系，但各底板塊之間縫隙則有張有合。

［1］崔廣濤，彭新民等.反拱型水墊塘—窄河谷大流量高壩泄洪消能工的合理選擇.水利水電技術(shù)，2001，32(12):1－3.

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［4］張志恒.黃河拉西瓦水電站〈2004〉方案發(fā)包設(shè)計階段水工整體模型試驗報告［R］.水利部西北水利科學(xué)研究所試驗中心，2005，5.

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