水垫塘反拱底板静动力耦合分析及安全评价

　　1 引言

　　我国水电站多建于高山峡谷地区, 在泄洪消能方面的特点是“高水头、大流量、窄河谷”, 其单宽河床的泄洪功率往往达到国外同类工程的几倍至十几倍. 泄洪消能安全问题十分突出, 工程技术难度居世界之最. 为了保护高坝下游河床不受泄洪高速水流的严重冲刷, 危及大坝安全, 需修建各类水垫塘防护结构. 由于高速水流及其与结构相互作用的复杂性,国内外曾发生多起水垫塘防护结构严重破坏的实例,如前苏联的 Sayano-Shushenskaya、美国的 Libby、印度的 Bhakra、墨西哥的 Malpaso 及我国的五强溪、安康、鱼塘等水电站泄水建筑水垫塘底板都被严重破坏[1~5], 如图1 所示. 高坝水垫塘防护结构的安全问题是水电工程的关键技术难题和前沿课题之一.

　　水垫塘防护结构主要包括三种形式: 平底板、反拱底板和护坡不护底结构形式. 与平底板和护坡不护底结构相比, 反拱底板抵抗破坏的能力强, 稳定性可较大幅度地提高[6 ]. 随着反拱型底板在工程中的应用, 反拱型底板研究受到学术界和工程界的重视[7,8]. 国内外对水垫塘底板的研究主要集中在水动力荷载特性和水垫塘底板稳定性两个方面, 如: 许唯临[9]采用三元椭圆型 k-ε 紊流数学模型对反拱型水垫塘内的复杂紊流场进行了三维数值模拟; Fiorotto和Rinaldo[10]用一维瞬变流模型分析了消力池板块底面缝隙内脉动压力传播机理; Melo J F 等人[11]通过理论分析和试验模型研究了止水缝的位置及缝宽对底板上动水压力的影响; 刘沛清[12]、杨敏等人[13]、彭新民等人[14]、孙建等人[15,16]均通过模型试验量测了脉动荷载、上举力、拱端推力等水动力荷载, 对水垫塘的消能机理进行了研究; 文献[17~20]通过理论分析、模型试验或数值模拟对反拱型底板的整体稳定和局部稳定进行了研究; 文献[21,22]结合反拱底板的稳定性对其体型进行了试验研究和数值模拟, 分析了反拱体型与反拱稳定性的关系. 上述成果虽然丰富和发展了反拱型水垫塘结构安全的理论和方法,但是仍存在以下不足: 研究问题时所考虑的因素较为单一、不够全面; 没有很好地反映反拱底板受力和破坏过程的高度非线性、耦合性特征, 未能全面回答水垫塘反拱底板工程实践中关心的重要问题.

　　本文针对水垫塘反拱形底板工程实践中所关心的主要问题, 将模型试验、理论分析和数值计算相结合, 全面分析反拱底板在复杂工作条件下的受力机理和失稳模式, 研究水垫塘内的水动力荷载特性, 充分考虑了多种非线性因素及静动力耦合效应, 全研究水动力荷载-底板-锚筋-基岩(拱座)的耦合作用和底板结构失稳的动态过程, 提出反拱底板结构体系的非线性耦合静动力分析方法, 对水垫塘底板安全性综合评价.