反拱水垫塘底板检修时板块位移的试验研究

邓永锋，张海军

(1.陕西鲁源生态环境科技有限公司，陕西西安710021;2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安710001)

高拱坝下游的泄洪消能防冲是一个关键问题。通常是在下游修建混凝土衬砌的水垫塘，靠塘内一定深度和一定量的水体消刹水流能量，以防止坝下基岩和下游河床发生严重的冲刷［1－3］。但是随着高坝，高水头的大坝的建设，下游水垫塘底板所受的渗透水压和扬压力也增大。近年来，在水垫塘底板结构形式选择上也有研究，主要是键槽形式和直缝形式。但是究竟那种形式更好，现在也不清楚。在检修状态时，水垫塘底板的稳定性问题日益严重，对于在此时的底板块结构位移状况尚未完全掌握。为此，结合高拱坝工程，对带键槽水垫塘底板和直缝水垫塘底板分别进行了试验研究，进而得到在检修时水垫塘底板块的位移变化情况。

1 试验模型

1.1 模型设计

整体模型按重力相似准则进行设计，比尺为100［4］。局部弹性拱圈段用加重橡胶材料制作，满足重度比尺λγs=1要求，在拱圈五底板块的底部都安装了一个专门的底盒，由弧形底板(底部)、“井”字型侧壁(侧部)和拱圈底板块下缘(顶部)围成。盒子底部是底板块下方的弧形底板;盒子侧部是弧形底板上固定的侧壁(上下游方向两个、左右岸方向两个);盒子顶部是拱圈底板块。盒子中部设有两层稳水孔板。盒子和拱圈底板块下缘之间设有折叠式止水橡皮，实现两者之间的止水。

盒子底板还设计了四个扬压力施加孔，通过四根输水软管(设有控制阀门)和一个专门设计的独立扬压力水箱相连。控制水箱的水位、扬压力控制阀门、以及止水阀门就可以对底板块施加扬压力。

1.2 试验方法

1.2.1 试验条件

试验条件是左右与相邻块接触、止水设施正常以及底板块锚筋失效。底部板块扬压力施加如图1。

图1 块下部大样大样

1.2.2 底板块位移的量测

在每个底板块表面，靠近左右缝隙附近，设立10个观测点，拱端顶设2个测点，测点布置如图2所示。

图2 底板块位移分解示意图

图3 两种接触方案试验比较图

测量方法是，沿拱圈方向设有一个水平测针架，用水准仪测平后安装，在沿测针走向的板块测点附近固定10个有机玻璃薄片，在上面准确标出十字标记作为测点标记，测针可以在架子上来回移动测量十个观测点的铅垂位移。在两拱端上分别设一监测点，在施加扬压力时实时监测。水平测针架两边各粘有一个固定的钢板尺，可测量板块的水平位移。

1.2.3 底板块位移的分解

图4给出了底板块的位移分解示意。设底板块的铅垂位移为Δz，向上为正;沿拱圈横向位移为Δy，向右为正;则可以计算出合位移 Δs;再合位移Δs沿径向和切向分解为Δr和Δτ，径向位移Δr指向拱心为负;切向位移Δτ为逆时针方向为正［5－6］。

式中α为底板块变化后的径向角。

1.2.4 扬压力加载方式

加载方式见表1。

表1 加载方式和扬压力水平

2 试验结果分析

图3给出了两种底板接触方案的试验比较。从图3中可以看出，在各种加载方式以及各级扬压力水平作用下，拱圈底板两种接触方案的底板位移变化规律几乎完全是相同的，在数量级上两者也是一致的，但位移量稍有差别，而这种差别没有明显的规律性。当扬压力水平小于56.2 m水柱时，两种方案的底板位移都很小，且两者差别不大。因此，主要分析扬压力水平在56.2 m水柱～140.2 m水柱作用下的底板块位移。

当拱圈底板块③，④和⑤同时施加扬压力时，从图3(a)可见，在扬压力水平为56.2 m时，直缝底板块的位移要大于带键槽底板块的，最大约0.07 m;当扬压力不断升高至86.2 m水柱～140.2 m水柱时，两者位移基本一致，几乎没有明显差别;当拱圈底板块④和⑤施加扬压力时，从图3(b)可见，在扬压力水平为56.2m时，两者的位移基本一致;当随扬压力不断升高时，达到86.2 m水柱～140.2 m水柱时，带键槽底板块的位移大于直缝底板块，最大约0.11 m;当拱圈⑤底板块施加扬压力时，从图3(c)可见，在各扬压力水平左右下，两者的位移基本一致，没有明显差别;当拱圈底板块①和②、④和⑤施加扬压力时，从图3(d)可见，在各扬压力作用下，直缝底板块位移均略大于带键槽底板块，最大约0.08 m;

3 结语

通过两种底板接触方案下底板块的结构试验研究得出:

(1)两种接触方案下，拱圈底板块位移变化总趋势是，承受扬压力的底板块必然上升，带动相邻的底板块上升，这种联动作用随底板块位移增大而增大，又不断沿横向传递，拱圈形成局部拱或全拱。拱圈底板块位移最大处的缝隙为张，其它缝隙则有张有合。各种加载方式下和各级扬压力水平下，拱圈底板块是局部拱或全拱，底板块未飞出座穴发生失稳，拱结构仍是一个完整的承载体系。

(2)拱圈承受扬压力的底板块位移比未受扬压力的要大;在承受扬压力的底板块中，扬压力大的底板块位移最大或次之;任一底板块在扬压力作用下的倾斜方向取决于相邻底板块是否有扬压力作用。如果相邻底板块之一有扬压力作用，那么任一底板块在与之相连处的那一端位移要大。

(3)拱圈底板块位移随扬压力的增大而增大。

(4)加载方式4、加载方式5、加载方式6均是对称加载，拱圈底板块变位基本对称。

(5)各种加载方式下，拱圈底板块是局部拱或全拱，两种接触方案，拱圈底板块未飞出座穴发生失稳，拱结构仍是一个完整的承载体系，但各底板块之间缝隙则有张有合。

［1］崔广涛，彭新民等.反拱型水垫塘—窄河谷大流量高坝泄洪消能工的合理选择.水利水电技术，2001，32(12):1－3.

［2］孙建，陈长植.反拱水垫塘与平底水垫塘稳定性诸方面之比较［J］.长江科学院院报，2003，20(4):3 －6.

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［4］张志恒.黄河拉西瓦水电站〈2004〉方案发包设计阶段水工整体模型试验报告［R］.水利部西北水利科学研究所试验中心，2005，5.

［5］郝秀玲，反拱水垫塘破坏机理和工作机理的试验研究［D］.西安:西安理工大学硕士论文，2008，3.

［6］杨丽萍，孙建.反拱水垫塘单底板块位移的试验研究［J］.水动力学研究与进展A辑，2006，21(4):451－457.