拉西瓦水電站反拱形水墊塘底板動力分析

摘 要：本文針對拉西瓦水電站通過自行設計的反拱水墊塘底板，通過對該水電站工程的研究及底板的動力分析來探討拉西瓦水電站中反拱水墊塘地板的穩(wěn)定性。

關鍵詞：水墊塘底板；動力分析；穩(wěn)定性

水電站是我國利用水能資源的有效形式，在所有的水電站中，拉西瓦水電站是它們當中比較特殊化的一座水電站，它憑借著獨自的天然優(yōu)勢將反拱水墊塘技術引入到工程建設中，但是很多學者和專家對它的底板穩(wěn)定性能表示擔憂，下面我們就通過水墊塘底板動力分析深入探討反拱水墊塘在水電站中的穩(wěn)定性。

1 拉西瓦水電站的工程與研究

在我國的青海省，有世界上最著名的水電站——拉西瓦水電站。拉西瓦水電站的拱壩高250m以上，在我國的水電站中，反拱水墊塘以獨特的形式首次成功應用到拉西瓦的水電站建設中。在我國眾多的水電站中，如小灣、錦屏、構皮灘，均是我國的一級大型水電站，反拱水墊塘也試圖應用到它們當中去，但由于它們的天然條件的限制未能得到成功地應用。在這些水電站中工程中，他們的地形地質復雜，究竟能否應用反拱水墊塘形式來集中消能，目前仍處于探討階段。下游水深淺、水墊塘短、單位水體的效能率較大是拉西瓦水電站的主要特點。拉西瓦水電站通過自行設計得水墊塘模型，在水墊塘上安裝傳感器的方法產(chǎn)生不同程度的脈動壓強和流速。通過對不同情況下反拱水墊塘的動力載荷分析，為水電站順利的完成施工做了強有力的理論支持。

我國將近用了十年的時間研究了水墊塘在水電站中的應用，目前仍在研究中。一些專業(yè)人士通過艱辛的努力為水墊塘的研究應用做出了貢獻。鄭春城通過對消能優(yōu)化和模型的研究，確定了多級消力坎消能優(yōu)化方案。王繼敏對長潭崗水電站做了長久的觀測，通過對反拱水墊塘的底板揚壓力、動力載荷、拱端推力等因素的探究，發(fā)現(xiàn)反拱型水墊塘能夠對結構、地形、和水流做更好地協(xié)調，能夠使得水流更加順暢。馬斌的研究也表明，反拱水墊塘底板具有良好的穩(wěn)定性。孫健認為，對于反拱水墊塘底板，它的抗變性能力很強，即使超載也不會影響它的穩(wěn)定性。呂陽泉在比例尺為1：380的精細模型上用熱膜流速儀測量了拱壩內(nèi)水流的變化，研究分析表明，要想提高水墊塘的消能效率，就必須使得紊動剪切層區(qū)的范圍增大。以上人員的研究，都使得反拱水墊塘的技術日益完善，推進了反拱水墊塘在水電站中的應用。

2 反拱水墊塘的動力分析

2.1 正反向載荷作用下的拱端裂縫推算

巖石在經(jīng)過數(shù)百年的沉積，它的變形能力幾乎已經(jīng)完全失去，我們在研究它的同時，對于它的自重是完全可以忽略的。而針對底板、拱座的研究則不能忽略它的自重。去對于溫度載荷而言，一般也不予考慮。反向載荷又稱靜水壓力。通過計算結果表明，拱端裂縫的含義就是拱座與拱端在切向方向的位移，對于拱端錯位就是指它在徑向方向的位移。通過計算證實在不同水位下拱端裂縫和錯位的情情況各不相同，水位一定時，拱端的位移與基巖彈模的壓力有關。揚壓力和重力的載荷組合對無靜水壓力產(chǎn)生了不利的因素。板塊下的揚壓力包括滲透壓力和浮托力。其中滲透壓力是由水墊塘底板塊下的滲流計算獲得。

反拱水墊塘底板的穩(wěn)定性與很多因素有關。其中錨固鋼筋就是眾多因素中的一個。錨固鋼筋在抗剪性能上有一定的優(yōu)越性，當處于反向載荷作用的時候，錨固鋼筋能夠迅速抗剪，能夠及時的減小拱端裂縫。錨固鋼筋減小拱端裂縫的最適水位為2246.2m錨固鋼筋經(jīng)過揚壓力的影響，能夠對于拱端推力的減小有顯著地效果。當錨固鋼筋數(shù)量固定不變時，經(jīng)過反向載荷的影響，這時拱端裂縫出現(xiàn)最小值的水位為2227.0m。當水位的高度超過拱座的上表面時，也就是當水位到達2235.0時，拱端間隙最大。拱端推力和揚壓力在正相載荷的條件下，即當錨固鋼筋的數(shù)量不變時，它們成正比例關系，適當?shù)臏p小揚壓力對于拱端裂縫的減小有很大的幫助。反向載荷下的拱端裂縫、錯位以及正向載荷下的拱端推力均受反拱水墊塘底板分塊數(shù)量的影響。因為，在反向載荷作用下，板塊間是沒有太大縫隙的，在正向載荷作用下，板塊早已具有了“拱”的效果，所以，板塊底板的動力穩(wěn)定性與板塊分布數(shù)量沒有必然的聯(lián)系?；鶐r彈性模的數(shù)量與底板的穩(wěn)定性密切相關。當處于反向載荷條件下，拱端錯位和裂縫的程度與基巖彈性模的數(shù)量有直接的關系。拱端推力在正向載荷作用下，和基巖彈性模的數(shù)量無關。

2.2 水墊塘地板失穩(wěn)原理

動水壓強由沖擊壓強和脈動壓強組成，經(jīng)過射流沖擊載荷的影響，往往會出現(xiàn)在底板的上表面，但是動水壓強具有較大的流動性，它會沿著縫隙慢慢的到達底板的下表面。（如下圖所示，水墊塘底板下滲透壓力的分布圖）舉力的定義就是動水載荷在底板上下表面的合力。動水載荷往往不固定，從而導致在某一時刻底板本身的抗力小于向上的舉力。通過分析巖塊運動的加速度，我們提出了巖塊的啟動條件為巖塊上下的載荷大于1.5G。對于護坦板的失穩(wěn)，與它的動力和加速度有直接的關系，經(jīng)過測量和研究，張廷芳認為動力失穩(wěn)的前提應滿足巖塊上下表面的載荷之差大于等于1.3G。郭航忠通過研究板塊穩(wěn)定的安全水墊深度時發(fā)現(xiàn)，要想使得巖石具有穩(wěn)定性，應滿足向上的最大舉力小于2.5倍的抗力。

在動力載荷作用下，反拱水墊塘底板會出現(xiàn)拱圈。拱圈對于提高底板的穩(wěn)定性能有很大的作用。從整體上看，拱座的抗力小于舉力產(chǎn)生的拱端推力時時，產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為整體失穩(wěn)。經(jīng)過水動力載荷的作用，反拱底板會出現(xiàn)整體上抬。這時我們通常認為拱圈上每一塊都受向上的舉力，其實不然，水動力載荷的作用下，有的塊還受向下的力，所以，單塊板塊并沒有失穩(wěn)。雖然拱端產(chǎn)生的推力不足以使拱座受到強大的沖擊力。但也稱為整體失穩(wěn)。

水動力載荷具有隨機性的特點，反拱形底板受它的影響，會使一些塊體上下抬起。在下壓的過程中，經(jīng)過塊與塊之間的相互作用，形成了許多大的塊體，從而稱為了上抬塊體的拱座。當板塊在舉力的作用下，超過自身的重力到達一定數(shù)值時，會出現(xiàn)相鄰的板塊相互碰撞從表面向兩側滑動，這是板塊就自然地形成了局部失穩(wěn)。反拱底板受隨機載荷的影響，在相互碰撞中會出現(xiàn)互為拱座的局面。板塊體的錨固力、浮重、及相鄰板塊的摩擦力是影響板塊穩(wěn)定性的重要因素，對于板塊的穩(wěn)定性起了決定性作用。在每一個板塊中，從平底板的角度分析，錨固力只能對板塊的上抬產(chǎn)生阻力。而對于反拱形底板，就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢，它不但具有平地板的作用效果，還能在抗剪作用下，增加相鄰板塊的抗力。

2.3 底板的穩(wěn)定性控制因素

中川薄次分析，高速的水流沿著巖石縫隙經(jīng)過長時間的沖刷，造成了巖石底部和表面很大的壓力差，其表面壓力較小，底部壓力較大，即差生了較大的壓力差，從而產(chǎn)生舉力，使得巖石離開底部，經(jīng)過不斷地上浮而產(chǎn)生破，所以我國對動水壓強和分布系數(shù)有嚴格的規(guī)定。在日本的凌北，一共存在著5座拱壩溢流工程，這些工程的時均壓強都不得超過3000kPa，分布系數(shù)不得超過1.0。這樣的規(guī)定符合這些工程的建設，是經(jīng)過科學認證的。目前，我國在水電站建設中，抗浮底板的沖擊壓強一般都不超過150kPa。在小灣、構皮灘這些水電站工程工程的建設中，明確規(guī)定了其水墊塘底板不得超過150kPa，甚至有的達不到1000kPa。拉西瓦水電站建設中，水水墊塘底板設計要求比較嚴格，均采用以上的設計標準。經(jīng)過多年的研究和探討，許多專家和學者表示反拱水墊塘底板究竟能否擁有足夠的穩(wěn)定性去應用到水電站建設中，任有眾多的疑慮。

楊敏通經(jīng)過多年的探討，認為上舉力、時均壓強、和脈動壓強存在著相互作用、相互制約的關系。當動水沖擊壓強為150kPa，那么脈動壓強的數(shù)值為67.5kPa。郭航忠通過大量模型試驗和數(shù)據(jù)分析，要使得水墊塘底板足夠的穩(wěn)定，就必須滿足安全水墊深度公式。符曉經(jīng)過大量的數(shù)值計算得知，要保證底板的穩(wěn)定性，就必須滿足它的動位移均方根為50μm。

3 結 語

我們對反拱水墊塘底板的動力分析得知，反拱水墊塘底板的穩(wěn)定性除了與自身的結構有關，還與錨固鋼筋量、基巖性質、板上下表面的水壓力、動水壓強、承受載荷等因素有關。通過對拉西瓦反拱水墊塘底板的動力分析，能夠更好地提高底板的穩(wěn)定性能，使反拱水墊塘的技術日益完善。

參考文獻

[1]馬斌，練繼建，楊敏.水墊塘反拱型底板襯砌結構的非線性分析[J].天津大學學報，2007（05）.

[2]楊存龍，任宗社，孫玉軍，王世錕，張友科，周述椿，王常讓.拉西瓦水電站工程反拱水墊塘優(yōu)化設計[J].水力發(fā)電，2007（11）.

[3]練繼建，劉喜珠，馬斌.水墊塘反拱底板靜動力耦合分析及安全評價[J].中國科學（E輯：技術科學），2009（04）.

[4]孫建，陳長植.反拱水墊塘與平底水墊塘底板穩(wěn)定性諸方面之比較[J].長江科學院院報，2003（04）.

作者簡介：張小芳，女，本科，工程師，現(xiàn)從事工程管理工作。