高拱坝水垫塘反拱底板衬砌结构的非线性静力分析水

合集下载

反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝工程中的应用及研究成果综述

ｎｓ，ｓａｉｔｃａｉｍ，ａｌｒｃａｉｍ，ｂａｉｇｃｐｃｔ，ａｃｏｍｉｇｃｎｉｏｓｕｌｅｓｒｃｕｅａｄｆｒａｉｎｈｓａｐｉｉｍｔｌｍｅｈｎｓｆｉｅｍｅｈｎｓｂｉｙｕｅｒａａｉｎｙｒｈｆｒｎｏｄｔｎ，ｏｔｎｔｔｒｎｍｔ．Ｔｕｐｌｉｉｕｏｏ－
是没有同类工程应用先例；是对这种消能水垫塘二
应用中诸如适应条件、拱条件、来，别是近几年来，着中国西部地区特随特高拱坝的兴建，科研单位和高等院校对反拱水众垫塘开展了大量的试验分析研究工作，得了较丰取富的成果，反拱水垫塘在实际工程中的应用仅有但
西北水电・０１２０年・第１期
文章编号：０６６０２１）１０２＿０１０１２１（０００ — ｏ３．５
２３
反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝枢纽中
的应用及研究成果综述
姚栓喜，亚杜生宗，友科王娥，张
ｖｒｐｕｇｏｌａｅｎｏｅａｉｇｎｒｌｈｏｇｏｔａｆｅｒｃｎｉｕｕｐｒｔｎａｄｓｔｆｄｔｅｄｓｇｅｕｒｍｅｔ．ｅｌｎｅｐｏｓｂｅｐｒｔｏｍａｌｔｒｕｈｕｌａｏｔｏｓｏｅａｉｎａｉｉｈｅｉｎｒｑｉｅｎｓｔｈｎｙｈｙｎｏｓｅ

谈水坝水垫塘底板块稳定性的设计与施工

作还是有所欠性设计和施工原理就具有一定的实际意义。
举力，而不停地扩展和分离，在水射流的冲击和上举力的双重作用下最终会导致板块和基岩分割开来，造成难以想象的后果；第三，由于地理环境的不同，水坝与基岩脱离的板块，在水流脉动
【收稿日期】２０ｏ — ７０９一４２
此外，板块的起动过程特征与板块所受的脉动上举力特征息息相关，同时板块相对于塘内淹
没冲击射流冲击点的位置具有重要联系。通常，板块的起动过程主要由高频小振幅的振动和低频
大振幅的振动组成。例如，崔广涛、毛野、崔莉、高季章等学者对水垫塘底板块起动过程的相关实验结果表明，水垫塘的底板块起动失稳过程主要包括了三个相互关联的阶段，即为轻微振
定施工等方面的研究工作还是有所欠缺。那么究控制水垫塘底板块的稳定性设计和施工原理就具有一定的理论意义和研
实际意义。
（关键词】底板块；水坝水垫塘；稳定性；泄洪［中图分类号】．６３ Ⅳ ５［文献标识码】８
水坝水垫塘底板块的稳定性能够保证高拱坝下的稳定，对泄洪消能方面的选择和布置提供了
方便。回顾水坝水垫塘底板块稳定性设计的主要
的脉动压力稳定，直接促使板块底面缝隙层中所
引起的板块脉动力有达标的上举力。水坝水垫塘
底板块的稳定性维持需要注意以下几个方面：

水垫塘底板稳定分析

成若干个反拱圈；直于水流方向，圈用径向垂反拱
两岸山体、超载能力强等优点，是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。但关键问题是这种新型消能结构在动水荷载作用下的稳定性。反拱水垫塘底板
块上举力荷载与其稳定性密切相关。因此，一这研究对于反拱水垫塘的设计和应用具有理论和实
试验结果可知：在相同条件下，反拱水垫塘的稳定性优于平底水垫塘，但反拱水垫塘底板的稳定性最终归结为拱座的稳
定性，一旦拱座失稳，将会导致整个拱圈失事。【关键词】水垫塘底板稳定分析
随着对超高坝泄洪消能关键技术的深入研究，逐渐揭示出反拱水垫塘具有开挖量小、易稳定
际意义。
伸缩缝（工缝）施分为若干块，固在基岩上，锚拱端支撑在两岸山体上，支撑端称为拱座。反拱水
垫塘底板的工作原理，以通过反拱圈底板块在可
力荷载作用下的变位趋势加以分析。作用在反拱圈上的力荷载有：底板与河床基岩的锚固力，底板
２０．．０７Ｎｏ６
透压力一起形成缝隙动水压。如果水垫塘下游抽排、上游帷幕灌浆发挥作用，隙动水压力主要缝由底板表面贯人的动水压力形成，数量级和底其板表面动水压力相当。当两者瞬时相位相反时，缝隙中的动水压力会大于底板表面的动水压力，
１
原填筑区后滑出１１０．２坝下滑出

基于非线性有限元法的锦屏一级高拱坝整体稳定分析的开题报告

基于非线性有限元法的锦屏一级高拱坝整体稳定分析的开题报告一、选题背景及研究意义高拱坝作为一种高效节能的水利水电工程结构，已经广泛应用于国内外的水利水电工程中。

然而，由于拱坝结构本身具有非线性、非均匀性和复杂性等特点，对其进行合理的力学分析和结构设计是一项十分复杂的任务。

其中，整体稳定性是高拱坝结构工作安全的关键问题之一，因为它与拱坝的压力分配、变形分布、翻滚等问题密切相关。

因此，研究高拱坝的整体稳定性问题具有重要的理论与应用意义。

非线性有限元法是目前国际上研究高拱坝稳定性问题的一种主流方法，它通过对高拱坝结构的离散化和力学计算，可以预测高拱坝结构的受力、变形和稳定性等性能，为高拱坝结构的设计和施工提供重要的理论依据。

然而，在实际应用中，不同的非线性有限元模型会对高拱坝结构稳定性分析产生不同的影响，因此，对不同非线性有限元模型的优缺点进行比较和分析，是进一步完善高拱坝结构分析理论和提高其工程应用水平的必要步骤。

二、研究内容及解决问题的思路本文的研究内容主要是基于非线性有限元法对锦屏一级高拱坝的整体稳定性进行数值模拟分析，比较不同非线性有限元模型对高拱坝结构稳定性计算结果的影响，并结合实际工程中的案例，探讨高拱坝的结构稳定性分析方法和应用。

具体来说，本文的研究思路分为以下几个步骤：（1）对锦屏一级高拱坝的结构特点、工程参数进行系统性分析和描述，确定高拱坝的非线性有限元模型；（2）基于ANSYS等软件平台，建立高拱坝的三维有限元模型，并采用几何非线性、材料非线性和接触非线性等效应，对高拱坝的整体稳定性进行数值模拟计算；（3）比较不同非线性有限元模型对高拱坝结构稳定性计算结果的影响，分析其优缺点和适用范围；（4）结合实际工程中的案例，探讨高拱坝的结构稳定性分析方法和应用，并提出完善高拱坝结构设计和施工的建议和措施。

三、拟用方法和技术路线本文的研究采用基于非线性有限元法的数值模拟方法，结合ANSYS等软件平台，对锦屏一级高拱坝的整体稳定性进行数值模拟计算。

东庄反拱水垫塘防护结构优化与安全性分析

东庄反拱水垫塘防护结构优化与安全性分析针对“高水头、窄河谷、大泄量”的泄洪消能特点,反拱形衬砌式水垫塘利用天然河床基岩形状,将引起水垫塘破坏的水力荷载(主要是上举力与扬压力)传递到两岸山体或拱座,充分发挥出拱结构的超载能力和材料的抗压特性,提高了防护结构的安全性。

实践表明,反拱形水垫塘是解决高拱坝泄洪消能问题的有效措施。

近年来,国内外许多学者基于理论分析与模型试验,对反拱水垫塘内水动力荷载、衬砌结构的稳定性开展了大量的研究,但是关于反拱水垫塘防护结构优化与安全性研究却涉及不多。

本文以泾河东庄水利枢纽坝后水垫塘为研究背景,从工程实际出发,对初拟反拱水垫塘防护结构方案进行多因素的静力非线性优化分析,并将力学模型与数值模型相结合,对反拱水垫塘防护结构进行安全性与稳定性研究,主要成果如下:(1)对反拱防护结构数值分析中的模拟方法进行改进,主要包括材料非线性损伤本构、计入抗剪效应的锚杆单元选取和考虑分缝的流固耦合处理手段等,以使数值模拟研究更为接近实际。

(2)在设计扬压力条件下,以稳定性与整体性为主要权衡指标,对反拱水垫塘底板防护结构进行优化研究,确定了反拱半径32m、板块厚度3m、非均匀柔性锚固(边缘板块自由段2.5m,中间板块自由段3m)的方案,达到锚固钢筋与拱座联合承载的目的,承载力较刚性均匀锚固提高30%;粘结滑移效应对常规2m~5m自由段锚固方式的稳定性影响小到可以不计,同样对边坡防护结构进行了优化研究。

(3)以有初始间隙的接触单元来模拟拱端裂缝,对反拱底板成拱条件和键槽的成拱作用进行深入研究;计入预应力锚固和不同渗压水平等因素,基于刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析,本工程反拱底板承受240kPa扬压力稳定安全有保证;以不耦合的开裂损伤评价方法,研究了不同区域锚固失效时反拱底板的破坏模式。

(4)本着“静力设计、动力调整”的原则,对模型实测动水荷载进行处理,结合最大上举力预测公式,得到反拱水垫塘底板和边坡衬砌块的上举力时程,研究优化调整后的反拱水垫塘防护结构在泄流工况下位移、应力等动力响应,并作出安全评价。

【国家自然科学基金】_反拱底板_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803

科研热词稳定性水垫塘水力学非线性键槽锚固轴力软岩破碎巷道试验研究深部开采水弹性模型水动力特性水利水电工程支护技术拱圈底板块底臌岩石力学反拱水垫塘反拱曲率反拱形底板反拱底板反拱型底板刚体极限平衡法上举力
推荐指数 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词反拱水垫塘频域静动力耦合分析键槽稳定性消力塘流场与压强场泄流工程水工模型水垫塘极限抗力时域数值分析拱圈底板底板平底水垫塘安全评价反拱底板反拱型水垫塘性能原型观测动水压强动力响应三维rng型k-ε 紊流数学模型
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2008年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
科研热词破坏机理水垫塘振动特性反拱水垫塘反拱底板运动特性试验研究底板块单底板块位移不同材料
推荐指数 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1
2009年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
2010年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
科研热词软岩破坏机理深部巷道水力学时效性支护结构拱座底板块围岩变形反拱水垫塘
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年序号 1 2 3 4 5
2011年科研热词透水底板水利水电工程板块位移拱端推力反拱水垫塘推荐指数 1 1 1 1 1
2012年序号 1 2 3 4 5 6 7 8

特高拱坝水垫塘反拱型底板开挖施工技术

特高拱坝水垫塘反拱型底板开挖施工技术白鹤滩水电站水垫塘全长约360.00m，采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。

水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，反拱底板预留保护层，保护层厚度为2～5m。

水垫塘基础为柱状节理玄武岩、角砾熔岩及隐晶质玄武岩，根据水垫塘施工条件及开挖体型特点，水垫塘高程603.00～559.00m之间边坡采用自上而下分层梯段预裂爆破开挖，高程559.00m以下水垫塘反拱底板基础采用水平预裂爆破和复合消能爆破相结合的方式开挖，既保证了建基面开挖质量，也极大的缩短了反拱底板开挖的施工工期，为实现了水垫塘混凝土如期开浇提供了保障。

标签：圆弧反拱底板；预留保护层；柱状节理玄武岩；水平预裂爆破；复合消能爆破1工程概况1.1枢纽介绍白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。

电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合效益，是西电东送骨干电源点之一。

水库总库容206.27亿m3，正常蓄水位825.00m，电站装机容量16000MW，多年平均发电量625.21亿kW？h。

本工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。

拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.00m，最大坝高289.00m，坝下设水垫塘和二道坝。

地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量为1000MW水轮发电机组。

电站建成后，将仅次于三峡水电站成为世界第二大水电站。

1.2 水垫塘体型及地质条件白鹤滩水电站大坝下游水垫塘采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。

水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆心角26.73°，弦长51.27m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，矢高3m，反拱底板预留保护层，保护层顶面高程561.00m，保护层厚度为2～5m。

反拱形水垫塘底板上举力特性的试验研究

中图分类号：Ｔ３Ｖ２文献标识码：Ａ
水垫塘是高拱坝下游新型的消能防冲结构形式，其底板承受巨大的水流冲击荷载。在水舌射入水垫塘的水体通过水流的强烈紊动进行消能的同时，水垫使
塘的底部及侧墙产生比较剧烈的紊流动水压强脉动，
荷载综合作用。存在的问题有：是脉动压力点 —— 一面转换系数多大，需专门研究；二是上举力试验模型如
何布置，还应讨论。本文阐述了板块上举力的成因，采
用自制的传感器直接测量了上举力并分析了其频谱特性，给出了上举力与水力条件的经验关系。
１板块上举力的成因
图１给出了水垫塘射流水 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及其冲击荷载在底板上下表面产生的时均压力分布。在冲击点的上下游均
有一个区域底板下表面的压力大于上表面，因而Ａ区和Ｃ区是失稳区，Ｂ区是稳定区。这是所有研究者得出的一致结论。不论是平底板还是反拱形底板，价评单个板块的稳定性，可用抗浮安全指标来计算。都
组成测力机构，图２见。在静水中将二次仪表置零，模
型中所测值即为板块所受的上举力。
称。本图实际上给出了射流冲击荷载产生上举力的范围，不在此范围的板块所受上举力可以忽略。本图大致给出了水垫塘底板的防护区域。

反拱水垫塘底板块破坏机理的试验研究

Байду номын сангаас
ＥｘｒｍｅｔｌＲｅｅｒｈｎｔｅＤｅｔｏｐｅｉｎａｓａｃｏｈｓｒｙＴｈｅｒｆＳｎｌｌｂｏｙｏｉｇｅＳａ
ｉｔｎｖｒｃｕｅＰｏｌｎｈｅＩｅｔＡｒｈＰｌｎｇｏ
西安理工大学学报Ｊｕｎｌｆｉａｎｅｓｙｏｅｈｏｇ（０８ｏ．４Ｎ．ｏｒａｏ ’ｎＵｉｒｔｆｃｎｌｙ２０）Ｖ１２ｏ４ＸｖｉＴｏ文章编号：０６４１（０８０－５－４１０－０２０）４０１０７４
４５１
Ａｂｔａｔ：ＡｎｅｐｅｍｅｔｅｅｒｈｉｄｎｔｓｒｙｔｅｒｆａｓｎｇｅｓａｎｔｅｉｖｒｒｈｃｈｓｒｃｘｒｎａｒｓａｃＳｍａｅｏｈｅｄｅｔｏｈｏｙｏｉｌｌｂｉｈｎｅｔａｃｕｓ — ｉｌｉｎｐｏｎｅｈｅｅｔｅｏｉｏｓｏｏｌｔｌａｇｄｗａｅｔｇｔｓａｎｎａｉａｅｎｈｒｒｄｏｏｌｕｄｒｔｘｒｍｅｃｎｄｔｎｆｃｍｐｅｅｙｄｍａｅｔｒｉｈｅａｄｉｖｄｔｄａｃｏｏｉｌｌａｎｄｒｔｅｉａｔｏａｇｓｈｒｅｆｏｈｇｔｒｈａｎｔｉｒｉｌ．ＴｈａｉｔｏｕｅＳｏ．ｎｄｕｅｈｍｐｃｆｌｒｅｄｉｃａｇｒｍｉｈｗａｅｅｄｉｈｓａｔｃｅｅｖｒａｉｎｒｌｓｉｂ
反拱水垫塘底板块破坏机理的试验研究

高拱坝水垫塘消能的研究进展

ｅｎｅｒｙｇｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｗａｔｅｒｐｌｕｎｇｅｐｏｏｒｗａｓｓｕｍｍａｉｒｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．Ａｎｄｈｅｔｎ，ｔｈｅ
ＰｏｏｒｉｎＨｉｇｈＡｒｃｈＤａｒｎ
ＷＡＮＧＹｉｎｇ—ｋｕｉ，ＬＩＡＯＲｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＸＵＷｅｉ—ｌｉｎ
（１．Ｃｈａｎ￣ｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｕｖｅｒｙＰｌａｎｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｗｕｈａｎ４３００１０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ
及结构特点。【关键词］高拱坝；泄洪消能；冲击射流理论；水垫塘
［中图分类号】ＴＶ２１２［文献标识码］Ａ［文章编号］１００６— ７１７５（２０１３）０７—０００１ — ０５
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＥｎｅｒｇｙＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆＰｌｕｎｇｅ
Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｃｕｉｔｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｗｅｒｅａｌｗａｙｓｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｔｈｅｈｉ．ｇｈａｒｃｈｄａｍｓ

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型马斌;练继建;杨敏;李毅佳【摘要】反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在,为了研究反拱型底板块各体型参数对其稳定性的影响,结合某高拱坝水垫塘反拱型底板稳定性的实验研究,采用有限元数学模型及局部稳定性力学模型,从反拱水垫塘底板的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析了底板稳定性与其体型的关系.结果表明,拱圈的圆心角及板块尺度不宜过大,板块厚度在满足稳定性要求的基础上可做适当调整,而锚固钢筋应尽量做到均匀布置.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2007(040)011【总页数】7页(P1284-1290)【关键词】水垫塘;反拱型底板;体型;稳定性【作者】马斌;练继建;杨敏;李毅佳【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津理工大学经济管理学院,天津,300191【正文语种】中文【中图分类】TV653我国目前在建的高坝大部分位于深山峡谷中，一般具有窄峡谷、高水头和大流量等特点，如二滩、小湾、溪洛渡和拉西瓦等，它们普遍采用表、中联合泄洪，水垫塘消能的布置形式．水垫塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是实现消能防冲的关键所在．反拱型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，提高底板的整体和局部稳定性．根据已有的研究成果，反拱型水垫塘底板结构抵抗破坏的能力强，其稳定性大大优于平底板，在相同运行工况下，反拱型底板的安全系数可达平底板的2～3倍[1—4]．国外较早地采用了反拱水垫塘[5]，如西班牙 Susqueda双曲拱坝、南非P.R.Le.Roux双曲拱坝和格鲁吉亚Inguri拱坝等．20世纪80年代初，我国学者郭怀志等结合一中型砌石坝工程，对反拱形水垫塘进行了研究[6]．随后，在构皮滩、小湾和溪洛渡等工程的试验中，均对反拱形水垫塘进行了研究．湖南长潭岗水电站首先建成了反拱形水垫塘[7]，拉西瓦水电站也拟采用反拱型水垫塘．目前，人们对反拱型水垫塘进行了大量研究，但主要集中在水垫塘内的水流流态特征、底板表面的时均及脉动压强、脉动压力沿缝隙的传播规律、水垫塘底板稳定计算模式及控制指标等，虽然也有学者对反拱型底板的体型进行了研究[8]，但仅考虑了部分参数，反拱型底板体型对稳定性的影响还有待进一步研究．笔者以拉西瓦工程为背景，利用有限元数学模型和局部稳定性力学模型，主要从反拱水垫塘的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析反拱水垫塘结构型式对稳定性的影响，为工程设计提供参考．由于射流水舌冲击压力的随机性，造成了反拱形水垫塘底板沿拱圈方向在任一时刻的荷载分布是不均匀的．同时，底板板块间缝隙的存在又使拱圈不成为一个整体弹性结构．因此，反拱形水垫塘底板在一些特定条件下有不能形成拱作用的可能性．即在某一时刻，作用于某单个板块的上举力出现大的数值，形成一种“随机拱”．此时，这个板块有失稳(出穴) 的趋势，两侧的板块可视为其拱座．如果此时该板块的上举力大于阻止其失稳的抗力，反拱底板就产生局部破坏．与此同时，作用在一个拱圈各板块上的荷载又通过拱结构传至拱端．如果拱座提供的稳固力大于拱结构传来的推力，则这个拱圈整体是稳定的．因此，反拱形水垫塘底板存在局部失稳和整体失稳两种稳定模式[9]．与整体失稳对应的是拱座的抗力，即拱座在保证安全的前提下所能承受的由板块传到拱端的最大推力．与局部失稳对应的是与平底板类似的单个板块的抗力．1.1 整体稳定性研究方法整体失稳是当反拱底板在水动力荷载或扬压力作用下形成整体上抬时，上举力或扬压力形成的拱端推力超过“拱座”的抗力产生的失稳．反拱底板的整体稳定依赖于拱座的稳定，即反拱水垫塘的稳定取决于拱圈稳定，拱圈稳定取决于拱座稳定．由于反拱底板结构的受力条件比较复杂，且各底板板块间存在缝隙，又使其不成为一个整体弹性结构，因此笔者利用ANSYS有限元通用软件，建立反拱水垫塘有限元模型[10]，对其整体稳定性进行分析．该模型采用三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋与基岩的位移协调、接触元模拟衬砌块接缝以及底板、拱座、基岩和边坡间的碰撞、滑移行为，采用附加质量考虑水体与底板之间的相互作用，能较为全面地反映水垫塘的受力特点和失稳机制．1.2 局部稳定性研究方法局部稳定性是建立在“随机拱”模型基础之上的稳定分析方法[11]．1.2.1 边缘衬砌块的稳定性分析边缘衬砌块临界破坏状态的受力情况如图1所示．图中：下标“i”表示边缘第i 块衬砌板；Ld为块体极限平衡时所需上举力；A为锚固力；N为拱的轴向推力；F 为板块间的摩擦力；τ为板块基岩间的摩擦力；f为混凝土块间的摩擦系数；fd为混凝土与基岩之间摩擦系数；α为板块中心线至水垫塘中心线的夹角；β为板块半中心角．边缘衬砌块没有承受其他块体传来的拱推力时，即拱的作用未形成时，板块受力分析是最危险的．由于水流荷载完全是随机的，运行过程中完全可能存在不形成拱作用的状态．由受力平衡可得：径向力平衡切向力平衡得边缘衬砌块（径向）稳定安全系数为式中Lmax为作用在板块上的水流最大上举力．1.2.2 中间衬砌块的稳定性分析当拱的作用形成后，即块体存在拱的轴向推动力．假定拱端提供的轴向推力为0N，切向锚固力为T，由边缘板块切向受力平衡可得由此可逆推出任意板块在临界平衡状态的轴向推力为当拱的作用形成后，根据中间板块径向受力平衡可得中间板块的安全系数为由以上分析模型可求出任一衬砌块的安全系数．拉西瓦双曲拱坝最大坝高 250 m，电站装机容量6×700 MW，为Ⅰ等大(1)型工程．坝址区为高山峡谷地貌，两岸坡陡峻，高差近700 m．坝后主要消能建筑物为水垫塘和二道坝．坝址的地形和地质条件决定了水垫塘更适宜采用反拱底板衬砌形式．反拱水垫塘长度约 218.30,m，横剖面按圆弧设计，底板最低点高程2,215.0,m，衬砌厚度 3,m，反拱中心角73.74°．每个拱圈内将底板均匀分成5块．水垫塘底板全断面布设锚筋并设有抽、排水设施，锚固水平底板，拱座为7.6 t/m2，边坡为5.0 t/m2．反拱水垫塘横断面见图2．3.1 反拱水垫塘圆心角对稳定性的影响对于弦长相同的反拱结构，其圆心角(或曲率)越大，则拱端推力的垂向分量也越大．较小的圆心角可充分利用拱座(山体)提供稳固力的水平分量，对于反拱结构的整体稳定性有利．然而，对于单个板块的局部稳定性来说，情况正好相反．因此，研究反拱结构的曲率对整体稳定性和局部稳定性的影响是有实际意义且必要的．建立拉西瓦水垫塘不同圆心角的有限元模型，计算工况为扬压力150 kPa，各圆心角下拱端推力及板块位移结果如图3和图4所示．图中板块相对位置均以α /θ 表示，α为各板块中心至水垫塘中心线夹角，θ 为水垫塘半圆心角，板块位移为底板沿径向的位移，以指向圆心方向为正．由计算结果可以看出，随着圆心角的增大，拱端推力逐渐增大，当圆心角为设计值(73.74°)时，拱端推力达到99.9×9.8 kN/m，然后开始有所减小．当圆心角小于45°时，拱端推力的水平分量逐渐增大，圆心角在45°～75°时，变化不大，圆心角大于75°后，水平分量开始减小．而拱端推力的垂直分量则随圆心角的增大，一直增大，使得拱座的竖向位移也呈现出相同的变化趋势，但是拱座的整体位移、应力值都不大．水垫塘底板块的最大位移逐渐减小，当圆心角较小时，中间板块位移较大，边缘板块位移较小，位移分布呈“Π”型，随着圆心角的增大，中间板块和第2、4块板块的位移逐渐减小，中间板块的位移减小更为显著，边缘板块的位移则逐渐增大，当圆心角达到105°时，边缘板块的位移已经超过其他板块，位移分布呈“V”型．图5为不同圆心角的反拱结构单个板块的极限平衡抗力，其中L为极限抗力，G 为各板块自重．从图5（a）中可明显看出，单个板块局部稳定极限抗力随反拱结构圆心角的增大而增大．当圆心角达到30°时，拱的作用就已经非常明显．拱形底板块的抗力比平底板增加了1倍多，第2、4板块也增加了0.7倍，而90°圆心角则分别增加了2.14倍和1.25倍．推力水平分量取得较大值，同时又使板块的极限抗力不致过低，即充分发挥拱在这两方面的作用．由图5（b）可分析各板块极限抗力的变化趋势，当圆心角大于30°时，曲线斜率降低，即抗力增量减小；但同时考虑拱端推力水平分量在45°～75°之间趋于平稳，当圆心角大于75°时，拱端推力水平分量急剧下降．综合两方面的因素，反拱结构圆心角在45°～75°之间较为适宜，应视工程具体情况而定．3.2 板块厚度对稳定性的影响当底板厚度变薄时，拱座位移和应力、板块位移、锚筋应力都呈增大趋势．扬压力主要靠板块自重、锚固钢筋力和拱座提供的推力来承担，以保持结构的稳定．由于底板厚度变薄，自重减轻，拱端推力和锚固钢筋应力势必增大，极限抗力减小，对于反拱底板的整体稳定性及局部稳定性均不利．因此，必须在拱座能维持稳定的情况下，板块的厚度才可适当减小．3.3 板块尺度对稳定性的影响在扬压力的作用下，反拱水垫塘底板分块数量对拱端推力及拱座、板块位移的影响不大．这是因为在扬压力(均布荷载)的作用下，不同数量板块构成的拱圈具有相同的拱作用．水垫塘在施工中的纵缝和横缝将底板分割成一定尺度的块体．反拱型底板块尺度对局部稳定性的影响主要体现在以下两方面：一是水流荷载(上举力)因板块尺度的不同而异；二是拱结构本身效应使其极限抗力有所不同．3.3.1 板块尺度对抗力的影响利用“随机拱”模型对板块尺度对抗力的影响进行分析，结果如图 6所示．由图可知，板块极限抗力随尺度的增大而减小，说明反拱形底板单个板块主要靠其他板块对其约束．因此，从反拱结构角度看，板块尺度越小越对局部稳定有利．但是，板块尺度小，作用其上的上举力就可能大，特别是脉动上举力会增大．3.3.2 板块尺度对上举力的影响上举力为作用在板块上下表面的动水压力之差．抗力增量系数为以单个板块(单个板块的圆心角2β与整个反拱圆心角θ的比值为0.111)的抗力为1，当板块面积增大(沿拱圈方向)后的抗力与单个板块抗力的比值．荷载增量系数与抗力增量系数类似．由文献[12]的点面脉动上举力转换系数计算出沿拱圈方向不同尺度的水流荷载，同时计算出相应的抗力，当板块尺度变化时，板块抗力增量与荷载增量的关系如图7所示．由图 7可知，当板块的尺度增大到2β/θ=0.20时，抗力增量速率降低，而荷载增量速率不变．因此，反拱形底板垂直水流方向的尺度不宜过大，否则，将不能充分利用其他板块对其产生的约束力．根据随机拱的力学模型，这种约束力主要来自其他板块的切向摩擦力和锚固力．3.4 锚固水平对稳定性的影响在扬压力的作用下，钢筋的不同锚固水平产生的拱端推力可能不同．在保证结构安全运行的前提下，应尽量减少锚固钢筋量，或是总体锚固量一定(同一拱圈)时，应通过合理布置钢筋来增强结构稳定．因此，有必要对扬压力作用下不同钢筋锚固水平下的整体稳定性进行研究．这里将钢筋的锚固水平分为两种情况考虑：①保持同一拱圈上锚固钢筋总量不变，在这里锚固总量为各个板块均匀锚固7.6 t/m2时的钢筋量，保持第2、4块的锚固水平不变，改变A1或 A5（A1=A5）与中间板块A3之间锚固水平的相对关系；② 同一拱圈均匀锚固，改变总体锚固水平．两种情况下的拱端推力计算结果如图8所示．由计算结果可知：①在扬压力(均布荷载)的作用下，当同一拱圈上的钢筋锚固量总体不变时，钢筋愈趋向于均匀布置时产生的拱端推力愈小，板块、拱座的位移和应力变化趋势与拱端推力一致，同一拱圈内的不均匀锚固可能使个别板块位移加大，从而加大拱端推力，同时也使局部区域的锚固钢筋达到屈服，所以在扬压力的作用下，应尽量均匀布置钢筋，使拱端推力较小，有利于反拱水垫塘底板的整体稳定；②同一拱圈上均匀锚固时，随锚固水平的增加，拱端推力降低趋势变缓，大约锚固5,t/m2后，再增加锚固量，拱端推力和拱座位移的变化效果不显著．拱端力系数N0/G =0.57时，两种锚固水平情况下的极限抗力计算结果如图9所示．本文在建立有限元数学模型和反拱形水垫塘底板失稳模式基础上，以拉西瓦水垫塘为例，分析了反拱水垫塘底板衬砌结构型式对稳定性的影响，进一步印证了反拱型底板的稳定性优于平底板的观点，并得到以下结论：(1) 综合圆心角对整体稳定性和局部稳定性的影响，反拱结构圆心角在45°～75°之间较为适宜．曲率过大，拱端推力的水平分量就小，不能充分利用拱座(拱端两侧山体)提供的较大水平力，或者说不能充分利用山体的横向约束；曲率过小，抗力不大，而且拱端推力水平分量也不大．(2) 对于局部稳定性来说，单个板块圆心角与整个反拱结构圆心角的比值不宜超过0.2．板块横向尺度过大，荷载增量大于抗力增量，不利于板块的稳定．(3) 底板厚度变薄将会导致拱端推力和锚固钢筋应力的增大，在保证拱座能维持稳定的情况下，板块的厚度可适当减小．(4) 钢筋锚固应尽量沿拱圈均匀分布，同一拱圈的不均匀锚固会导致个别板块位移加大，从而加大拱端推力，同时也使局部区域的锚固钢筋达到屈服，当同一拱圈上均匀锚固时，随锚固水平的增加，拱端推力降低趋势变缓，大约锚固5,t/m2后，再增加锚固量，拱端推力和拱座位移的变化效果不显著．【相关文献】［1］崔广涛，彭新民，杨敏．反拱型水垫塘——窄河谷大流量高坝泄洪消能工的合理选择［J］．水利水电技术，2001，32（12）：1-3．Cui Guangtao, Peng Xinmin, YangMin.Reasonable selection of high arch dam energy dissipator in narrow valley under large discharge— counter-arch slab plunge pool［J］.Water Resources and Hydropower Engineering, 2001, 32（12）：1-3（in Chinese）.［2］杨敏，练继建，王继敏, 等．水垫塘反拱形底板局部稳定性［J］．天津大学学报，2004, 37（7）：605-609．Yang Min，Lian Jijian，Wang Jimin，et al．Study on local stability of counter-arched slab in plunge pool［J］．Journal of Tianjin University, 2004, 37（7）：605-609（in Chinese）．［3］孙建，陈长值．反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较［J］．长江科学院院报，2003, 20（4）：3-6．Sun Jian，Chen Changzhi．Comparison of aspects on stability of inverted arch cushion pool with those of flat bottom one［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003, 20（4）：3-6 (in Chinese)．［4］彭新民，王继敏，崔广涛．拱坝水垫塘底板拱型底板受力与稳定性实验研究［J］．水力发电学报, 1999, 18（2）：52-59．Peng Xinmin，Wang Jimin，Cui Guangtao．Study on the stability of slab in plunge pool of arch dam［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，1999, 18（2）：52-59（in Chinese）．［5］艾克明．拱坝泄洪与消能的水力设计和计算［M］．北京：水利电力出版社，1987．Ai Keming．Hydraulic Design and Its Computation of Energy Dissipation and Flood Discharge for Arch Dam[M]. Beijing：China Water Resource and Electric Power Press, 1987（in Chinese）．［6］郭怀志. 溢流拱坝下反拱式消力池试验研究与工程设计［J］.,海河水利, 1980（7）：1-8. Guo Huaizhi. Experimental research and engineering design of inverted arch plunge pool under overflow arch dam［J］. Haihe Water Resources, 1980（7）：1-8（in Chinese）．［7］王继敏, 王珮璜, 杨清生. 长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用［J］. 水利水电技术，2002, 33（7）：10-12. Wang Jimin, Wang Peihuang, Yang Qingsheng. Research and application of counter-arched plunge pool of Changtangang hydropower station［J］. Water Resources and Hydropower Engineering, 2002,33（7）：10-12（in Chinese）．［8］杨敏，练继建．水垫塘反拱形底板体型研究［J］．水力发电学报，2002，21（4）：45-50． Yang Min，Lian Jijian．Study on type of the counterarched slab in plunge pool ［J］．Journal of Hydroelectric Engineering, 2002，21（4）：45-50（in Chinese）．［9］杨敏，彭新民，崔广涛．水垫塘底板的试验仿真模拟研究［J］. 水利水电技术，2002，33（3）：40-42. Yang Min，Peng Xinmin，Cui Guangtao．Study on experiment simulationof slabs in plunge pool［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2002，33（3）：40-42（in Chinese）．［10］马斌．高拱坝及反拱水垫塘结构泄洪安全分析与模拟［D］. 天津：天津大学建筑工程学院，2006．Ma Bin. Safety Analysis and Simulation of Flood Discharge of High Arch Dam and Counter-Arch Plunge Pool［D］. Tianjin：School of Civil Engineering, Tianjin University，2006（in Chinese）．［11］练继建，杨敏，安刚．反拱型水垫塘底板结构的稳定性研究［J］. 水利水电技术，2001，32（12）：24-26． Lian Jijian，Yang Min，An Gang．Study on stability of counter-arch slab in plunge pool［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2001，32（12）：24-26（in Chinese）．［12］林继镛，练继建．二元射流作用下点面脉动壁压幅值计算［J］. 水利学报，1988，19（12）：34-40．Lin Jiyong，Lian Jijian．Calculation of the point and area wall fluctuatingpressure amplitude for twodimensional jet［J］. Journal of Hydraulic Engineering, 1988，19（12）：34-40（in Chinese）．。

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

２ＳｈｏｏＥｏｏｃｎｎｇｍｅｔｉｊｎｖｒｔｏＴｃｎｌｙｉｎｉ３０９，Ｃｉａ）．ｃｏｌｆｃｎｍｉａｄＭａａｅｎ，ＴａｉＵｉｓｙｆｅｈｏｇ，Ｔａｊ０１１ｈｎｓｎｎｅｉｏｎ
Ａｂｓｒｃ：Ｔｈｔｂｌｙｏｏｎｅ — ｒｈｄｓａｓｔｅｋｙｔｎｒｙｄｓｉａｉｎａｄｅｏｉｎｃｎｒ１Ｔｎｅｔａｅｔｅｅｆｃｔａｔｅｓａｉｔｆｃｕｔｒａｃｅｌｂｉｅｅｅｇｉｓｔｎｒｓｏｏｔｏ．ｏｉｖｓｉｔｆｅｔｉｈｏｐｏｇｈ
中图分类号：Ｔ５Ｖ６３文献标志码：Ａ文章编号：０９ —１７（０７）１一２４０４３２３２０ｌ１８ —７
ＣｏｆｇｒｔｎｏｕｔｒＡｒｈｄＳａｌｎｅＰｏｌｎｕａｉｆＣｏｎｅ — ｃｅｌｂｉＰｕｇｏｉｏｎ
维普资讯
第４Ｏ卷第ｌ期１
２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ０７年１月１
天
津
大
学
学
报
、．ＮＯ．ｂ１４０１１ＮＯ２７Ｖ．００
Ｊｕｎｏｉｎｉｉｅｓｙｏｒ￣ｆａｊＵｎｖｒｉＴｎｔ
高拱坝水垫塘反拱型底板的体型
ａｐｙｎｅｆｉｌｍｅｔｄｌｄｔｅｍｅｈｉａｄｌｆｌｃｌｔｂｌｙｃｍｂｎｄｗｉｅｓａｉｉｘｅｍｅｔｔｄｐｌｉｇｔｎｔｅｅｎｈｉｅｍｏｅｃａｃｍｏｅａａｉｔｏｉｅｔｔｔｂｌｙｅｐｒｎａｈｎｌｏｏｓｉｈｈｔｉｎａｓｕｙｌ

反拱水垫塘拱圈底板动水压强变化规律的研究

３长沙理工大学河海工程学院，南长沙４０１；．阳农业大学水利学院，宁沈阳１０６）．湖１０５４沈辽１１１
摘要：用先进的模拟方法和量测手段，高水头和大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板动水压强采对
ｈｉｈｗａｅｅｄａｄｌｒｉｃｒｅｈａｅｎｃｒｉｄｏｕｐｅｉｅｔｌｙＡｎｉｏｃｏｕｓｍｅｓｇｔｒｈａｎａｇｅｄｓｈａｇｓｂｅａｒｅｔｅｘｒｍｎａｌ．ｓｈｒｎｏａ —
进行了详细的试验研究。实现了拱圈位于反拱水垫塘流场中任意位置时，同步量测底板表面和底板缝隙中动水压强，出拱圈底板动水压强沿流程以及沿拱圈横向的分布规律，示了底板块上举得揭
力的形成和变化机理；出把底板缝隙动水压强划分为三种形态；出底板块振动的可能方式；提提得
反拱水垫塘拱圈底板动水压强变化规律的研究
樊新建，孙建，张金明，赵燕华，张春财。，杨丽萍
（．安理工大学水利水电学院，西西安７０４；．州理工大学流体动力与控制学院，肃兰州７０５；１西陕１０８２兰甘３００
Ｃｈｉｎａ；４．ＣｏｌｇｅｏａｅｓｕｒｅｌｆＷｔｒＲｅｏｃｓ，ＳｈｅｙａｇＡｇｒｃｔａｌＵｎｖｅｓｔＳｈｙｎｇ１１Ｃｈｉａ）ｅｎｎｉｕｌｕｒｉｒｉｙ，ｅｎａ０１６１，ｎ

高拱坝水垫塘底板稳定分析研究

ＹＡｎ— ｉＵＮＷｅｊｎａ
（ｉｕｎＩｖｓｇｔｎＤｓｎ＆ＲｓａｈＩｓｔｔｏＷａｒｅｏｒｅａｄＨｄｏｏｅ，ｈｎｄ１０２Ｃｉ）ＳｃａｎｅｔａｏｅｉｈｉｉｇｅｅｒｔｕｅｆｔｓｕｃｓｎｙｒｐｗｒＣｅｇｕ６０７；ｈｎｃｎｉｅＲａ
ＡｂｔａｔＡｓｆｒｔｅａａｙｅｆｆｔｓａｎｅｅｓｔｒｃｓｉｎｐｎｓｕｄｒｈｇｒｈｄｍ，ｉｉｃｎｌｄｄｆｍｔｅｓｇａａｙｅｓｒｃ：ｏｎｌｓｓｏａｌｂａｄｒｖｒｅｗａｅｕｈｏｏｄｎｅｉｈａｃａｈｌｔｓｏｃｕｅｒｓｒｓｉｎｓｓｏｎｌａｄｍｏｅｅｔｏｓｃｎｒｔｌｃｈｔｈｔｂｌｙｏｅｉｖｒｅｕｈｏｏｄｉｕｅｉｒｔａｆａｎｎｅｅｓｍｅｃｒｕｎｄｌｓｆｉｏｃｅｅｂｏｋｔａｅｓｉｔｆｔｅｔｄｃｓｉｎｐｎｓｐｒｔｔｏｔｏｅｕｄｒｔａｌｍ— ｔｓｔｔａｉｈｎｓｏｏｈｌｆｈｃｓｎｅ，ｈｗｖｒｈｔｉｔｆｎｅｅｕｈｏｏｄｉｆａｌｉｎｔａｆｂｔｎｓｎｅｔｅａｃｂｔｎｓａｅｄｓａｉｚｄ，ｔｃｓｏｅｅ，ｔｅｓａｌｙｏｖｒｄｃｓｉｎｐｎｎｙｌｄｏｔｕｍｅｔ．Ｏｃｒｈａｕｍｅｔｒｅｔｌｅａｂｉｉｔｓｉｌａｈｏａｈｂｉｉｗｉｅｄｔｈｉｒｆｅｔｅａｃｉｇｔｌｌａｏｔｅｆｌｅｏｎｉｒｈｒ．ｌａｕｒｎＫｅｏｄ：ｉｈａｃａｙＷｒｓｈｇｒｈｄｍ；ｗａｅｕｈｏｏｄ；ｂｓｌｂ；ｓａｉｔｎｌｓｓｔｒｃｓｉｎｐｎａｅｓａｔｂｌｙａａｙｉｉ

高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计

高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计刘沛清(北京航空航天大学五系流体所)摘要本文分别对高拱坝下游平底水垫塘和反拱水垫塘底板块的稳定性问题进行了分析，并通过对板块的受力分析建立了相应的稳定性条件。

结果可供设计部门应用。

关键词水垫塘，底板块，稳定性条件。

本文于1998年11月4日收到.本文得到国家自然科学基金项目的资助(批号：59679004)1 高拱坝下游水垫塘的消能机理、体型设计与板块的防护问题挑跌水流落入下游水垫塘后，具有相当大的机械能(动能)和对河床底部的冲击力。

为了避免下泄的高速射流对河底的冲刷破坏，要求坝下游水垫塘有足够的深度和体积，以消刹下泄集中射流的能量，并通过射流在水垫塘内的充分扩散，减轻其对河床底部的冲击能力(包括压强和流速)。

射流在水垫塘内的流动结构和特征虽然较为复杂，但宏观上可看作为淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态，水垫的消能机理实质上类似于淹没射流和水跃的消能机理。

从流态结构看，进入水垫塘中的射流为淹没冲击射流[1]，即沿主流方向存在三个不同性质的子区域，自由射流区(Ⅰ)、冲击区(Ⅱ)和壁射流区(Ⅲ)。

其中，Ⅰ区内主流近似按直线规律扩散，但扩散角一般比空气中的射流大，并由于卷吸的作用，在主流区两侧各形成一旋滚区；在Ⅱ区内射流受到底板的折冲，主流转向，流速迅速减小，压强急剧增大，由该区产生的强大冲击压力是造成底板块失稳破坏的主要根源；而在Ⅲ区内，高速主流贴底射出，其沿程的扩散规律类似于壁射流，但随水垫深度的增大，主流顶部的表面旋滚区逐渐被淹没于水下，形成淹没混合流。

从消能观点看，水垫塘的消能机理实质上是主流在沿程变化的过程中所发生的能量传递、再分配和耗散的过程，主流的时均动能通过强紊动剪切和扩散作用不断地传递给紊流脉动(用以紊动生成和紊动耗散)和塘内的大尺度旋涡区(以维持这些大尺度旋滚区的转动)，同时在这种能量的传递、再分配过程中伴随因时均剪切作用引起的粘性耗散.一般而言，对于挑跌流式水垫塘消能型式，单位体积消能率η＜20kW/m 3，我国二滩等工程坝下水垫塘最大单位体积消能率η=10～15kW/m 3。

高拱坝水垫塘消能机理及水力学参数研究进展

研究，并取得了丰富的研究成果，成功修建了一批具有
世界水平的高拱坝工程，如二滩、小湾、锦屏一级、溪洛渡、构皮滩等。这些工程的泄洪流量及泄洪功率均较
的涡结构等紊动特性进行了研究 ¨ 。相对而言，自由紊动射流的研究已经有较为系统的理论成果
者也展开了较多的实验和理论分析。
大，为保证泄洪安全，坝身孔口下游设置了全面衬砌的人工混凝土水垫塘。但是，当前高拱坝泄洪消能研究
仍处于半经验半理论的水平，很多研究成果都是在水
，而
在水利工程中，关于淹没冲击射流理论的研究，诸多学
直线规律，该结论已经得到实验成果的证实。对小冲击高度射流，其横向扩散符合直线规律，流速扩散则
动压强及紊动强度等水力学参数的研究进展情况，并
对下一步研究方向进行了展望。
１理论基础
断面所产生的自由剪切层中涡结构的发展和演变过程密切相关，Ｇ．Ｈ．Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ早在１９５３年就对紊动射流
安全可靠的消能方式。自２０世纪７０、８０年代开始修
建高拱坝以来，我国在其泄洪消能问题上展开了深入
水垫塘消能方式应用比较广泛，同时也被证实是一种

反拱水垫塘底缝隙中的动力水压强特性的试验研究

等设施，最后灌浆封填为一连续拱圈结构，在动水荷载作用下，圈向拱心位移，拱拱圈下表
面与基岩间会形成一个贯通底缝面。因此，试验模型可简化为一个由反拱圈、圈上下游横拱缝和贯通底缝面组成的拱圈系统。
试验在溪落渡整体水垫塘模型中进行，型按重力相似准则设计，模比尺１０５。拱圈和脉
二、隙中动水压强影响因素分析缝
设动水压强Ｐ为平稳随机过程，大瞬时值Ｐ平均值和脉动压强均方根口称（）其最、，
为幅值特性；自相关函数（）互相关函数（）时空相关函数（）称为时域特性；其ｒ、ｒ、，，
自谱密度ｓ）互谱密度ｓ）称为频域特性。设Ｐ为其幅值、（，（，时域和频域特性集合，则
槽并镶人。考虑两种缝隙边界条件：一是拱圈上、下游侧均为敞开缝隙，与底板和基岩间底缝贯通，称通缝边界条件；二是下游缝隙堵塞，隙有上游人口而无缝隙出口，缝称盲缝边界条
目家九五重点科技攻关取日：－１５２２９２．．．和国家自然科学基金资助项目：９９１６２０００５７０９０
＊本文为第一作者在博士论文期间完成的部分内容．在西安理工大学水电学院工作。现
车文于２ｏ年７月２０１６１３收到。
维普资讯
孙
建等：拱水垫塘底板缝隙中动木压强特性的试验研究反
Ｐ＝［，口Ｒ（）（）（）ｓ）ｓ（ …］ＰＰ，，ｒ，ｒ，ｒ，（，）（）１根据缝隙中动水压强传播机理的分析，为Ｐ的主要影响因素为：认水流参数如人水流速、人水角等；以下游水面高程表示的水垫深度五；拱体型参数如反拱形式、反反拱半径、反拱中心角等；测点在缝隙中的相对位置，括测点桩号、包沿径向横向弧坐标ｓ和高程。当

平底板[水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析(马斌练继建杨敏)]

平底板[水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析（马斌练继建杨敏）]摘要：反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，其受力过程表现为一种高度的非线性．为此，采用AN-SYS程序中三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋的黏结滑移，接触单元模拟水垫塘底板结构之间的接缝以及底板、拱座与基岩之间的接触面，建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘的工程实例说明了该模拟方法的合理性，并应用该方法对拟建的拉西瓦反拱型水垫塘进行稳定性分析，结果表明，反拱型底板具有较好的受力条件，其稳定性能够得到保证．关键词：水垫塘；反拱型底板；三维非线性弹簧单元；接触单元；稳定性分析目前我国在建和拟建的高拱坝大部分位于深山峡谷中，一般具有窄峡谷、高水头、大流量的特点，其泄洪消能问题是大坝枢纽设计中关键技术问题之一．水垫塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是实现消能和防冲的关键所在．笔者通过在ANSYS中用COMBIN39三维非线性弹簧单元来模拟锚固钢筋和混凝土、基岩之间的黏结滑移，利用接触单元模拟接触行为，建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘实际观测结果与计算值的比较说明了该模拟方法的可行性，并应用该模拟方法进一步分析了拉西瓦水垫塘反拱型底板的稳定性，为工程设计提供参考．1黏结滑移在ANSYS中的模拟目前钢筋混凝土结构的有限元模型主要有分离式、组合式和整体式3种形式[7]J．在本文中，采用分离式模型中锚筋和混凝土、基岩之间插入联结单元模拟锚筋与混凝土、基岩之间的黏结滑移．在ANSYS有限元分析中，混凝土单元、基岩单元可以使用SOLID65或SOLID45单元，锚筋单元可以使用LINK8单元或者PIPE20单元，混凝土、基岩单元和锚筋单元节点连接则采用的是三维非线性弹簧单元(COMBIN39)，在平行于锚筋方向和垂直于锚筋方向布置，锚筋单元节点和混凝土、基岩单元节点重合，如图1所示．1．1黏结应力-滑移本构关系本文中采用模式规范CEB-FIPMC90中建议的4段式模型[8]，如图2所示，图中τu为极限强度，τr为残余强度．各特征值取值见表1．τ-曲线反映了平均的黏结应力-滑移关系，实际上在锚固深度某不同处这种关系是变化的，可以用位置函数ψ(某)[9]来描述，即黏结锚固本构模式描述锚固长度内每一“点”的局部黏结应力-滑移关系，其可为τ-关系式ψ()和位置函数ψ(某)的乘积，即1．2三维非线性弹簧元的力学模型有限元分析中，为模拟黏结滑移现象，常采用双弹簧联结单元，它是一组相互垂直的弹簧，可以分别传递两点之间的法向力和剪力．这种联结单元具有非线性刚度，但是没有实际几何尺寸．用来模拟黏结力的联结单元的弹簧刚度为式中：Kh为平行于钢筋长度方向的弹簧刚度；Kv为垂直于钢筋长度方向的弹簧刚度；E为混凝土受拉弹性模量；bn为梁在钢筋高度处的净宽；b为梁宽；l为联结单元沿锚筋纵向的间距；A为钢筋单元与混凝土(基岩)单元的交界面面积，A=πdl；d为一根钢筋的直径。

拉西瓦水电站工程反拱水垫塘优化设计

拉西瓦水电站工程反拱水垫塘优化设计杨存龙;任宗社;孙玉军;王世锟;张友科;周述椿;王常让【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2007(033)011【摘要】在大型高水头水电站中,拉西瓦水电站是我国第一座采用反拱形水垫塘作为特高拱坝坝后消能建筑物的工程,也是我国现有特高拱坝水垫塘中长度最短、宽度最小的工程,其单位水体消能率接近国际经验控制的最高标准.在无规范明确规定和缺少工程资料的情况下,经一系列科研试验和数值计算,优化了反拱水垫塘结构和排水、抽水系统设计等.其经验丰富了我国坝后消能建筑物的设计内容,对我国规范中反拱水垫塘设计规定以及对其他大型高水头水电站坝后消能防冲建筑物的设计具有重要参考价值.【总页数】4页(P7-10)【作者】杨存龙;任宗社;孙玉军;王世锟;张友科;周述椿;王常让【作者单位】黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建设分公司,青海,贵德,811700;黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建设分公司,青海,贵德,811700;黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建设分公司,青海,贵德,811700;青海禹天监理公司,青海,西宁,810008;中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,陕西,西安,710065;黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建设分公司,青海,贵德,811700;黄河上游水电开发有限责任公司拉西瓦建设分公司,青海,贵德,811700【正文语种】中文【中图分类】TV653.9(244)【相关文献】1.溪洛渡高拱坝反拱水垫塘与平底水垫塘流场的三维数值模拟比较 [J], 孙建;张春财;丰小玲;郝秀玲;张发茂2.反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较 [J], 孙建;陈长植3.反拱形水垫塘结构在拉西瓦水电站上的研究与应用 [J], 陈亮;卢亮;张莹4.反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性的比较 [J], 孙建;陈长植5.平底型与反拱型水垫塘动水荷载对比试验研究 [J], 徐建荣;彭育;辜晋德;王宇;章道生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

上拱坝火垫塘反拱底板衬砌构造的非线性动力剖析(精)

上拱坝火垫塘反拱底板衬砌构造的非线性动力剖析摘要：本文当用ansys程序闭于上拱坝火垫塘衬砌构造入行了齐入程盘算。

反在行火构造未立好当前，衬砌块构造可以望做非做用反在弹性地基上的板，当用里线交触单元模拟火垫塘衬砌块构造之间的交缝以及衬砌取基岩的交触，并闭于衬砌块取拱端收座的衔交形式入行了研讨；反在行火构造立好后，衬砌块构造上部蒙到方背背上的脉动压力和时均压力，拱的做用外示出来，并且衬砌块取基岩之间的锚固钢筋开初做用，那时的构造可望做非一类“反吊拱”。

本文当用弹簧单元模拟衬砌块取基岩之间的钢筋入行盘算，得到一些用于指里火垫塘设计的解果。

闭键词：火垫塘衬砌交触元弹簧元弹性地基梁(板) 峡谷地段建建的上拱坝，其鼓洪长能安排去去要设放火垫塘，火垫塘衬砌的底板无平底板和反拱底板两类，平底板的稳固题纲，现反在未研讨得比拟浑楚，反拱底板反在远几暮年得到普遍当用，从要非果为底板拱构造抵御立好的才能强，稳固性要劣于平底板。

但非果为反拱底板里积比拟大，反在施工入程中要设放温度缝和施工缝，果彼反拱底板被开败一解列互相独立又互相联解的板块，其蒙力入程外示为一类上度的非线性，特殊非反在行火立好后，各板块互相碰打、滑动外示为典型的交触行为，盘算相称庞纯。

崔狭涛等自实际剖析和模型试验两方里论证了反拱型底板的蒙力后降好，其稳固性劣于平底板；刘沛浑等也闭于反拱型底板的稳固性入行了研讨，并降出了相当的稳固盘算模式。

但非他们只非把衬砌块做为刚刚体，把块间衔交望做“铰”(其实非一类机构)，或许者把齐部火垫塘构造望做一个三铰拱或许无铰拱，和实际的块间构造无很大的好别，本文当用交触单元来模拟相邻板块间的交触，交触单元可以模拟块间的交触、咬开、冲突、开合、碰打等出无同状况，特殊非反在行火构造立好后，衬砌块构造上部蒙到方背背上的脉动压力和时均压力，拱的做用外示出来，并且衬砌块取基岩之间的锚固钢筋开初做用，那时的反拱底板零体可以望做非一个“反吊拱”。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

高拱坝水垫塘反拱底板衬砌结构的非线性静力分析摘要：本文利用Ansys程序对高拱坝水垫塘衬砌结构进行了全过程计算。

在止水结构未破坏以前，衬砌块结构可以看作是作用在弹性地基上的板，利用点线接触单元模拟水垫塘衬砌块结构之间的接缝以及衬砌与基岩的接触，并对衬砌块与拱端支座的连接形式进行了研究；在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的结构可看作是一种“反吊拱”。

本文利用弹簧单元模拟衬砌块与基岩之间的钢筋进行计算，得到一些用于指导水垫塘设计的结果。

关键词：水垫塘衬砌接触元弹簧元弹性地基梁(板）峡谷地段修建的高拱坝，其泄洪消能布置往往要设置水垫塘，水垫塘衬砌的底板有平底板和反拱底板两种，平底板的稳定问题，现在已研究得比较清楚，反拱底板在近几年得到广泛应用，主要是因为底板拱结构抵抗破坏的能力强，稳定性要优于平底板。

但是由于反拱底板面积比较大，在施工过程中要设置温度缝和施工缝，因此反拱底板被分成一系列相互独立又相互联系的板块，其受力过程表现为一种高度的非线性，特别是在止水破坏后，各板块相互撞击、滑动表现为典型的接触行为，计算相当复杂。

崔广涛等从理论分析和模型实验两方面论证了反拱型底板的受力条件好，其稳定性优于平底板；刘沛清等也对反拱型底板的稳定性进行了研究，并提出了相应的稳定计算模式。

但是他们只是把衬砌块作为刚体，把块间连接看作“铰”（其实是一种机构），或者把整个水垫塘结构看作一个三铰拱或无铰拱，和实际的块间结构有很大的区别，本文利用接触单元来模拟相邻板块间的接触，接触单元可以模拟块间的接触、咬合、摩擦、分离、撞击等不同状况，特别是在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的反拱底板整体可以看作是一个“反吊拱”。

利用弹簧单元来模拟锚固到基岩中的钢筋，进行有限元计算，得到比较理想的结果。

1有限元单元形式的选择以及非线性接触理论接触是一种高度的非线性行为，由于考虑摩擦使问题变得困难起来。

接触单元是覆盖在模型接触面上的一层单元，有限元模型通过指定接触单元来识别可能的接触匹对，本文所使用的接触单元为三节点单元，如图1所示。

这种单元形式不受接触形状的限制，使用范围广，这种单元实际上是一种点对线接触，k点为接触点，ij为目标线。

不过可以用它来模拟线对线的接触，因为可以把线指定为一组节点。

对于水垫塘衬砌块，由于其相邻块之间地位相同，可以用对称接触来模拟，即先选择a线作为目标线，b线上的点作为接触点，形成接触对，然后再反过来利用b线作为目标线，a线上的点作为接触点，形成另一组接触对。

m 1接触中元示意_ 2平元坐标单元坐标如图2所示，单元法向量和单元切向量分别为：{n} = {v}X{s}(1){s} = ({xj}-{xi})/l(2) 式中：{v} :ij与整体坐标x-y平面的方向角；{xi}、{xj} ：i、j点的位置向量; 1:目标单元的长度。

接触点与目标面的距离为：g=({xk}-{xi})T{n}(3)s*=-l+2[({xk}-{xi})T{s}]/I(4)式中：{xk} :k点的位置向量。

当两板块接触时k点沿n方向运动，受到目标面法向应力的限制，沿s方向的运动受到目标面摩擦力的限制，本文中的摩擦类型选为库仑摩擦类型，程序中提供了一个不管接触压力的值，而人为提供等效剪应力的选项，如果剪应力达到之，滑动发生。

在求摩擦力之前，需要求出接触点相对于目标面的切向位移us=l/2(s*_s0*)1(5)式中：sO*上步求解过程中的接触位置。

其实这个位移是由粘性位移和滑动位移两部分组成，即为粘性位移，为滑动位移。

摩擦力为：在粘性阶段：fs=kt〈Ffs 在滑动阶段：fs=fs式中：kt:粘结刚度，fs库仑摩擦类型的静态摩擦限值(f' s=-|J fn), M为摩擦系数，F为静态到动态转化摩擦因子。

向力可以通过罚函数法或罚函数和拉格朗日联合法来实现，这时力将加到节点上，直接触点穿透进入目标面。

如图3所示。

罚函数法：(7)⑶式中：kn为法向接触刚度。

罚函数和拉格朗日联合法：fn=min(0，kng+A i+1)⑶式中：入i+1为节点在i+1处的拉格朗日增值因子，当l g l<s时，入i+l=入ii+a kng；当丨g I >£时，A i+l=A i。

s为容限因子，a为材料因子(a <0)。

为方便求单元的刚度矩阵和荷载向量，引入两个向量(10)(11)由图3在法向上列平衡方程是：fn,k=fn, i+fn, j=fn同理，由切向得：fs, k=fs, i+fs, j=fs写成向量的形式为：(14) 单元的刚度矩阵为：在粘性阶段：[Ke]=Kn{Nn}{Nn}T+Ks{Ns}{Ns}T(15)在滑动阶段：[Ke]=Kn{Nn}{Nn}T(16)在未接触阶段：[Ke]=0(17) 式中：Ks为切向接触刚度。

弹簧单元能在轴向上承受拉压力和扭矩，本文所用的是二维弹簧元，每个单元由两个节点构成，每个节点有两个自由度。

2计算实例本文结合溪洛渡水垫塘进行计算，工程概况为：水库的正常蓄水位600. 00m,相应库容为115. 7亿m3，最大坝高278m，装机容量初步拟定12600MW。

拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278m;泄水建筑物有坝身7个表孔(12.5X 11m)和八个深孔(6X6. 7m)，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点，最大泄洪功率高达100 000MW, 60%的洪水通过坝身渲泄，坝身泄量达30000m3/s，坝身的表孔和深孔的最大单宽流量超过200m3/s。

水垫塘衬砌每块园心角8. 64，半径81. 25m，分为9块，厚度为4m。

在止水结构未破坏以前，衬砌块承受向下的水荷载作用，其实可看作是作用在弹性地基上的梁(或板)，利用接触单元模拟板块之间的连接，用四边形单元模拟板块，得到有限元模型如图4，当止水结构破坏后，水垫塘底板受到向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，利用四边形单元模拟板块，接触单元模拟板块之间的连接，弹簧单元模拟锚固锚筋，得到有限元模型如图5。

计算结果如表1、2、3、4和图6所示。

阁3接触中.元受力分析m4止水破坏前有限元阁5止水破坏后有限元阁6止水破坏后反吊拱在40米水压力下的变位表1拱端设缝情况下的拱端位移(止水破坏前）表2拱端未设缝情况下的拱端推力(止水破坏前）工况位移/mm温升(-5〜40) 0. 86温降(40〜-5) -0. 86静水压-0. 85静水压+10m冲击水压-0. 96工况推力/ (T/m)温升(-5〜40) -70. 2180 温降(40〜-5) 70.2176静水压71. 3792静水压+10m冲击水压85. 164640m脉动压力-284. 7316表3止水破坏前拱端设缝与未设缝情况下的主应力大小位置比较设缝未设缝计算工况第一主应力第三主应力第一主应力第三主应力大小/ (MPa)大小/ (MPa)位置大小/ (MPa)位置大小/ (MPa)位置温升(-5〜40) 0. 012-0. 43450. 3001-0. 2705 温降(40〜-5) 0. 012-0. 43450. 3001-0. 2705 静水压 0. 016-0. 43550. 3491-0. 2805 静水压+10m 冲击水压 0. 031-0. 43850. 5511-0. 3795注：表中位置数是指距拱端第几块表4反吊拱衬砌块需要提供的锚固力块数12345锚固力/(T/m)301. 54343. 53336. 74322. 22319. 98 锚筋剪力/ (N/m) 773424. 13117. 4932. 770 板块位移/mml. 8785. 0854. 8254. 6924. 644 平底板锚固力/T407. 92407. 93407. 93407. 93407. 93注：表中块数是指距拱端所说，锚筋(p28@10003结论与讨论通过本文的计算可以得到如下结论：（1)由表3知，对于底板混凝土强度是没有问题的。

（2)由表2知，在温升和止水结构破坏后，拱端承受的推力是相当大的，这和试验数据项一致[2]。

因此应该在拱端块和拱端支座之间设缝，这将使拱端力减小，但是缝宽不能太大，太大反拱起作用太慢，并且由表1得，缝宽在lcm即可。

（3)由图6可知，对于止水完全破坏的反吊拱，最大位移出现在距坝端的第二块。

这已由模型实验所验证[2]。

所以这两块应是设计中锚固的重点。

（4)反拱底板的锚固力比平底板要少20%以上，反拱底板是一种安全经济合理的结构形式。

（5)用接触元模拟水垫塘衬砌块之间的接缝是可行的。

参考文献：[1] 朱伯芳.有限元原理与应用(第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，1998，10.[2] 练继建，杨令强，等.溪洛渡水垫塘水弹性模型实验(中间报告）[R].天津：天津大学，2000， 12.[3] 刘沛清.泄水建筑物消能防冲论文选集[M].北京：中国科学技术出版社，2000.[4] Johnson K L. Contact Mechanics[M]. Cambridge University Press, 1985.[5] Kohnke Peter. Ansys T heory Ref erence Release5，6[R]. 1999.。