高水头大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板局部破坏机理的研究

论文摘要

水垫塘是高拱坝泄洪消能和防冲的主要措施之一。反拱水垫塘是一种新型的消能防冲结构形式,具有锚固量少,截面小,超载能力强和稳定性高等优点,是一种优化的水垫塘体型。反拱水垫塘拱圈底板块的稳定性是其在高水头和大流量作用下能否安全运用的关键问题,一直倍受国内外学者的关注,但对拱圈底板的破坏机理仍缺乏研究。本文在回顾总结前人研究的基础上,依据溪洛渡拱坝表孔水舌作用下的反拱水垫塘,按重力相似律和弹性相似律,设计了水垫塘水力学模型和局部拱圈水弹性模型。在高水头、大流量作用下,拱圈底板块之间的止水设施完全破坏,底板锚筋失效条件下,结合反拱水垫塘拱圈底板的局部破坏机理,从全流场范围对拱圈底板表面和缝隙动水压强的变化规律、底板块振动特性及底板块轴力传递规律进行了理论分析和试验研究,主要研究内容和成果有：（1）采用RNG k-e紊流模型对七表孔泄流的反拱和平底水垫塘流场进行三维数值模拟,经比较,两种水垫塘的流场中不仅存在已被认识到的横向漩涡,而且还有纵向漩涡,其是在入射水舌和折冲向左右岸运动的水舌诱导作用下形成,并向上下游螺旋推进；由横向漩滚末端向上翻滚的水流在回溯过程中,又形成了竖向漩涡。反拱水垫塘壁射流主流集中在溢流中心附近流动,流速沿横向向两岸减小,沿程衰减较慢；平底水垫塘壁射流流速沿横向分布均匀,沿程衰减较快。在平底水垫塘内,向左右岸折冲的高速射流冲击边墙与底板的隅角,形成明显的压强峰值,水位降低后,其仍然存在,对其底板和边墙的安全构成威胁。在水舌入水区,反拱水垫塘的流态和底板受力较好,在入水区上下游,平底水垫塘的流态和底板受力较好。（2）在整个流场范围内,对拱圈底板动水压强的时空变化规律进行了详细地试验研究,得到了底板表面和缝隙动水压强沿流程、沿拱圈的变化规律,及其时域和频域特性。从底板表面和缝隙时均压强角度,探讨了上举力的形成机理及最终导致底板失稳破坏的原因,提出了底板块起动的可能方式。针对反拱水垫塘底板的设计,对底板表面、底板缝隙瞬时最大压强和时均压强在底板块上的平均值沿流程和沿拱圈两方向进行规-化处理,提出其预测方法。（3）对拱圈单、多底板块振动进行理论分析,首次提出了拱圈底板的失稳机理及不同工况下,底板块自由振动的最大位移公式。研究结果表明,底板块的径向位移受底板缝隙宽度控制,因此,在工程上,控制缝隙宽度,特别是拱圈底板块之间的缝宽对于反拱水垫塘的局部稳定起至关重要的作用。（4）在全流场范围内,对反拱水垫塘拱圈单、多底板块振动位移特性进行了试验研究,提出了底板块振动的特性区及各自区域界定,分析了沿程各振动区底板块的振动特征。研究结果表明,在冲击强振区,振动底板块数目较少时,保持剧烈自由振动,随底板块数目增多,形成瞬时局部拱或长期局部拱；在上下游强振区内,所有底板块形成长期整体拱,其首部则形成瞬时局部拱或长期局部拱。水舌冲击区和上下游壁射流区的分界处,即冲击强振区和上下游强振区首部,-2.0=x/bm=1.5,为最危险的区域。（5）分析了拱圈底板块轴力的传递机理,建立了底板块锁定状态时力学的平衡方程,推导出底板块轴力与上举力、重力分量的关系式。通过试验研究,得到了底板块轴力沿流程和沿横向的变化规律及底板块受压强度与其位移之间的关系,验证了底板块轴力的传递规律。试验结果表明,随拱圈振动底板块数目增多,底板块径向位移增大,底板块间的接触面积减少,底板块存在发生强度破坏的可能,在反拱水垫塘设计和施工中应采取相应措施加以避免。（6）对拱圈底板表面和底板缝隙动水压强、底板块振动和底板块轴力频域特性的研究表明,底板块压强、振动及轴力脉动的主频集中在0-1Hz,属于低频窄带分布,脉动能量以低频域为主,与反拱水垫塘中射流卷吸,水跃旋滚的大涡主频甚为接近,底板块不会发生共振破坏,而且在底板块振动过程中,虽与相邻底板块不断的撞击和磨合,但不致使底板块端部混凝土材料发生疲劳破坏。（7）经过对研究成果的综合分析,揭示了拱圈底板块的局部破坏机理,提出了拱圈底板块失稳破坏的观点。研究表明,拱圈底板块锚固失效的连锁反应,导致底板块缝隙宽度的“累加效应”,使底板块飞出座穴,拱圈发生失稳破坏；由于拱圈底板块之间相互挤压,底板块侧部由于应力集中而发生强度破坏、局部裂缝或局部断裂；拱圈底板块间的轴力强度增大,传至拱端,拱座不能承受而发生强度破坏,或整体滑动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 反拱水垫塘的应用
• 1.3 反拱水垫塘的研究进展
• 1.3.1 水垫塘流态
• 1.3.2 反拱底板的动力荷载
• 1.3.3 拱圈底板的稳定性
• 1.3.4 拱圈底板的体型
• 1.4 紊流数值模拟研究
• 1.4.1 模拟方法
• 1.4.2 紊流数学模型
• 1.4.3 数值计算方法
• 1.4.4 自由表面处理
• 1.4.5 水垫塘流场数值模拟
• 1.5 存在的问题
• 1.6 本文研究内容
• 2 模型设计与布置和量测设备
• 2.1 模型设计与布置
• 2.1.1 动力系统
• 2.1.2 射流系统
• 2.1.3 反拱水垫塘
• 2.2 试验仪器与量测设备
• 2.2.1 位移传感器
• 2.2.2 压力传感器
• 2.2.3 轴力传感器
• 2.2.4 多功能监测系统
• 2.2.5 采样参数
• 2.3 研究条件以及水流工况
• 2.3.1 坐标系的设定
• 2.3.2 底板缝宽
• 2.3.3 水流工况
• 3 反拱水垫塘流场的数值模拟
• 3.1 控制方程及其离散方法
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 控制方程的离散
• 3.2 计算范围及网格处理
• 3.2.1 计算范围
• 3.2.2 计算工况
• 3.2.3 网格划分法
• 3.3 边界条件
• 3.3.1 入水条件
• 3.3.2 固壁边界
• 3.3.3 出口边界
• 3.3.4 自由水面
• 3.4 计算模型的验证
• 3.4.1 流速验证
• 3.4.2 底板压强验证
• 3.5 反拱水垫塘的水流特性
• 3.5.1 水流流态
• 3.5.2 流速分布
• 3.5.3 底板压强分布
• 3.6 平底水垫塘流场数值计算结果
• 3.6.1 水流流态
• 3.6.2 流速分布
• 3.6.3 壁面压强分布
• 3.7 反拱水垫塘与平底水垫塘计算结果的比较
• 3.7.1 近壁射流的沿程演变
• 3.7.2 水流流态
• 3.7.3 底板压强特性
• 3.8 小结
• 4 拱圈底板动水压强变化规律的研究
• 4.1 影响因素
• 4.2 动水压强幅值的空间分布
• 4.2.1 动水压强幅值沿程分布
• 4.2.2 动水压强沿缝长分布
• 4.2.3 动水压强沿拱圈分布
• 4.3 脉动压强的统计参数
• 4.4 动水压强预测
• 4.4.1 底板表面
• 4.4.2 底板缝隙
• 4.5 时域特性
• 4.5.1 自相关系数与时间紊动尺度特征
• 4.5.2 时空相关特征及泰勒假定检验
• 4.5.3 底板动水压强相位关系分析
• 4.6 频域特性
• 4.7 小结
• 5 拱圈底板局部失稳机理的研究
• 5.1 底板块振动位移的理论分析
• 5.1.1 底板失稳机理
• 5.1.2 最大振动位移
• 5.1.3 底板块振动分区
• 5.2 刚性单底板块的振动特性
• 5.2.1 位移特征值分布
• 5.2.2 位移时域特性
• 5.2.3 振动速度和加速度
• 5.2.4 位移频域特性
• 5.3 弹性单底板块的振动特性
• 5.3.1 位移特征值分布
• 5.3.2 位移时域特性
• 5.3.3 振动速度和加速度
• 5.3.4 位移的频域特征
• 5.4 刚性底板块与弹性底板块振动特性比较
• 5.4.1 位移特征值
• 5.4.2 位移时域特性
• 5.4.3 位移频域特性
• 5.5 弹性三底板块的振动特性
• 5.5.1 位移特征值沿程分布
• 5.5.2 位移特征值沿拱圈分布
• 5.6 弹性五底板块的振动特性
• 5.6.1 位移特征值沿程分布
• 5.6.2 位移特征值沿拱圈分布
• 5.7 弹性九底板块的振动特性
• 5.7.1 位移特征值沿程分布
• 5.7.2 位移特征值沿拱圈分布
• 5.7.3 时域特性
• 5.7.4 频域特性
• 5.8 多底板块的振动特性的比较
• 5.8.1 冲击强振区
• 5.8.2 上下游强振区
• 5.9 拱圈底板局部失稳的破坏机理
• 5.9.1 外部原因
• 5.9.2 单底板块锚固失效
• 5.9.3 锚固失效的连锁反应
• 5.9.4 缝宽的累加效应
• 5.10 小结
• 6 拱圈底板块轴力传递规律的试验研究
• 6.1 轴力传递的理论分析
• 6.2 单底板块轴力试验
• 6.2.1 特征值沿程分布
• 6.2.2 轴力强度
• 6.2.3 时域特性
• 6.2.4 频域特性
• 6.3 三底板块轴力试验
• 6.3.1 特征值沿程分布
• 6.3.2 特征值沿拱圈分布
• 6.3.3 轴力强度
• 6.3.4 时域特性
• 6.3.5 频域特性
• 6.3.6 轴力相关性
• 6.4 五底板块轴力试验
• 6.4.1 特征值沿程分布
• 6.4.2 特征值沿拱圈分布
• 6.4.3 轴力强度
• 6.4.4 频域特性
• 6.5 七底板块轴力试验
• 6.5.1 特征值沿程分布
• 6.5.2 特征值沿拱圈分布
• 6.5.3 轴力强度
• 6.5.4 频域特性
• 6.6 九底板块轴力试验
• 6.6.1 特征值沿程分布
• 6.6.2 特征值沿拱圈分布
• 6.6.3 轴力强度
• 6.6.4 频域特性
• 6.7 小结
• 7 结语
• 7.1 研究结论
• 7.1.1 反拱水垫塘流场数值模拟
• 7.1.2 拱圈底板动水压强
• 7.1.3 拱圈底板局部失稳机理
• 7.1.4 拱圈底板块轴力变化规律
• 7.2 存在的问题及研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录