反拱水垫塘破坏机理和工作机理的试验研究

论文摘要

反拱水垫塘是一种新型的消能防冲设施,有许多水力学问题尚待解决。本文结合某高拱坝工程,利用重力相似准则和弹性相似准则,设计并制作了反拱水垫塘的物理模型,对其拱圈的破坏机理和工作机理进行了试验研究。研究分三个部分,一是破坏机理的研究;二是底板块的动水荷载的来源及其相互作用机理的研究;三是拱结构和底板径向锚固力的联合作用机理的研究。第一部分,在拱座稳定的条件下,通过改变拱圈底板块之间的缝隙宽度、底板块间不同的接触形式,得到拱圈底板块的振动规律以及底板块的破坏过程,证实了拱圈底板块的破坏机理在于,底板块间缝隙宽度的增加和缝隙宽度累加的效应;在拱座随机振动的条件下,对拱圈的稳定进行了研究,得到拱座和拱圈底板块的振动规律及其破坏过程,证实了拱座的稳定是拱圈稳定的首要因素。第二部分,设计了一种新型的试验装置,用来模拟底板块间止水的不同破坏程度、缝隙水流和扬压力水平。利用此装置和物理模型,通过试验研究得出了底板块下表面的压强随止水破坏程度和扬压力水平的变化规律,提出了扬压力和缝隙动水压强的相互作用机理。第三部分,通过改变止水破坏程度、锚固力水平和拱端预压水平,得到了底板块上举力、拱端推力和实际锚固力的变化规律;提出了拱端推力和锚固力的联合作用机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1. 绪论
• 1.1 水垫塘消能概述
• 1.1.1 高拱坝泄洪消能的特点
• 1.1.2 水垫塘概述
• 1.2 反拱水垫塘的应用现状
• 1.3 反拱水垫塘的研究综述
• 1.3.1 反拱底板的稳定性
• 1.3.2 底板块上的动力荷载
• 1.3.3 底板上举力
• 1.3.4 拱端推力
• 1.3.5 数值模拟研究
• 1.4 存在的问题
• 1.5 研究目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2. 试验模型设计与制作
• 2.1 试验模型布置
• 2.1.1 溢流表孔的水力设计
• 2.1.2 反拱水垫塘的设计
• 2.2 活动拱圈段的设计与量测系统的布置
• 2.2.1 活动拱圈一
• 2.2.2 活动拱圈二
• 2.2.3 活动拱圈三
• 2.2.4 活动拱圈中心桩号的确定
• 2.2.5 采样参数的确定
• 2.3 试验水流条件
• 2.3.1 表孔泄流能力
• 2.3.2 水垫塘内水位
• 2.3.3 试验组次
• 2.3.4 底板压力
• 2.3.5 缝宽条件
• 3. 反拱水垫塘破坏过程及破坏机理
• 3.1 拱圈底板破坏机理的理论分析
• 3.1.1 单底板块破坏机理的理论分析
• 3.1.2 多底板块破坏机理的理论分析
• 3.2 单底板块的试验成果
• 3.2.1 水舌冲击区
• 3.2.2 冲击区下游
• 3.3 拱圈五底板块的试验成果
• 3.3.1 五底板块互不约束的情况
• 3.3.2 五底板块串在一起的情况
• 3.4 整体拱的试验成果
• 3.4.1 五底板块互不约束的情况
• 3.4.2 五底板块串在一起的情况
• 3.5 拱圈破坏时的缝隙动水压强和拱端推力
• 3.5.1 缝隙动水压强
• 3.5.2 拱端推力
• 3.5.3 拱圈失稳时底板块上下表面的压强及其上举力特征值
• 3.6 小结
• 4. 反拱水垫塘底板动水荷载的来源及其相互作用机理
• 4.1 拱圈动水荷载的产生机理和相互作用机理分析
• 4.1.1 底板脉动压强的产生机理
• 4.1.2 拱圈底板块表面和缝隙中动水压强的影响因素
• 4.1.3 拱圈动水荷载的来源及其相互作用机理的理论分析
• 4.2 拱圈动水荷载的来源及其相互作用机理的试验研究
• 4.2.1 扬压力较大时的试验结果
• 4.2.2 扬压力与缝隙动水压强相当的试验结果
• 4.2.3 扬压力较小时的试验结果
• 4.2.4 止水瞬时发生50%破坏的情况
• 4.3 小结
• 5. 拱结构与底板径向锚固力联合作用机理
• 5.1 拱结构与底板径向锚固力的联合作用的理论分析
• 5.1.1 底板块上举力
• 5.1.2 拱结构与底板锚固力的联合作用机理
• 5.2 拱结构与底板径向锚固力的联合作用的试验研究
• 5.2.1 底板块上举力的变化规律
• 5.2.2 拱端推力的变化规律
• 5.3 底板块锚筋桩受力的变化规律
• 5.4 小结
• 6. 研究总结与展望
• 6.1 研究结论
• 6.1.1 反拱水垫塘破坏机理
• 6.1.2 反拱水垫塘底板动水荷载相互作用机理
• 6.1.3 拱结构与底板径向锚固力联合作用机理
• 6.1.4 研究成果的联系
• 6.2 创新点
• 6.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录