鄧永鋒，張海軍

(1.陜西魯源生態(tài)環(huán)境科技有限公司，陜西西安710021;2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710001)

高拱壩下游的泄洪消能防沖是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通常是在下游修建混凝土襯砌的水墊塘，靠塘內(nèi)一定深度和一定量的水體消剎水流能量，以防止壩下基巖和下游河床發(fā)生嚴(yán)重的沖刷［1－3］。但是隨著高壩，高水頭的大壩的建設(shè)，下游水墊塘底板所受的滲透水壓和揚(yáng)壓力也增大。近年來(lái)，在水墊塘底板結(jié)構(gòu)形式選擇上也有研究，主要是鍵槽形式和直縫形式。但是究竟那種形式更好，現(xiàn)在也不清楚。在檢修狀態(tài)時(shí)，水墊塘底板的穩(wěn)定性問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)于在此時(shí)的底板塊結(jié)構(gòu)位移狀況尚未完全掌握。為此，結(jié)合高拱壩工程，對(duì)帶鍵槽水墊塘底板和直縫水墊塘底板分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究，進(jìn)而得到在檢修時(shí)水墊塘底板塊的位移變化情況。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型設(shè)計(jì)

整體模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，比尺為100［4］。局部彈性拱圈段用加重橡膠材料制作，滿足重度比尺λγs=1要求，在拱圈五底板塊的底部都安裝了一個(gè)專門(mén)的底盒，由弧形底板(底部)、“井”字型側(cè)壁(側(cè)部)和拱圈底板塊下緣(頂部)圍成。盒子底部是底板塊下方的弧形底板;盒子側(cè)部是弧形底板上固定的側(cè)壁(上下游方向兩個(gè)、左右岸方向兩個(gè));盒子頂部是拱圈底板塊。盒子中部設(shè)有兩層穩(wěn)水孔板。盒子和拱圈底板塊下緣之間設(shè)有折疊式止水橡皮，實(shí)現(xiàn)兩者之間的止水。

盒子底板還設(shè)計(jì)了四個(gè)揚(yáng)壓力施加孔，通過(guò)四根輸水軟管(設(shè)有控制閥門(mén))和一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的獨(dú)立揚(yáng)壓力水箱相連。控制水箱的水位、揚(yáng)壓力控制閥門(mén)、以及止水閥門(mén)就可以對(duì)底板塊施加揚(yáng)壓力。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件是左右與相鄰塊接觸、止水設(shè)施正常以及底板塊錨筋失效。底部板塊揚(yáng)壓力施加如圖1。

圖1 塊下部大樣大樣

1.2.2 底板塊位移的量測(cè)

在每個(gè)底板塊表面，靠近左右縫隙附近，設(shè)立10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，拱端頂設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 底板塊位移分解示意圖

圖3 兩種接觸方案試驗(yàn)比較圖

測(cè)量方法是，沿拱圈方向設(shè)有一個(gè)水平測(cè)針架，用水準(zhǔn)儀測(cè)平后安裝，在沿測(cè)針走向的板塊測(cè)點(diǎn)附近固定10個(gè)有機(jī)玻璃薄片，在上面準(zhǔn)確標(biāo)出十字標(biāo)記作為測(cè)點(diǎn)標(biāo)記，測(cè)針可以在架子上來(lái)回移動(dòng)測(cè)量十個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的鉛垂位移。在兩拱端上分別設(shè)一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在施加揚(yáng)壓力時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水平測(cè)針架兩邊各粘有一個(gè)固定的鋼板尺，可測(cè)量板塊的水平位移。

1.2.3 底板塊位移的分解

圖4給出了底板塊的位移分解示意。設(shè)底板塊的鉛垂位移為Δz，向上為正;沿拱圈橫向位移為Δy，向右為正;則可以計(jì)算出合位移 Δs;再合位移Δs沿徑向和切向分解為Δr和Δτ，徑向位移Δr指向拱心為負(fù);切向位移Δτ為逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?－6］。

式中α為底板塊變化后的徑向角。

1.2.4 揚(yáng)壓力加載方式

加載方式見(jiàn)表1。

表1 加載方式和揚(yáng)壓力水平

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3給出了兩種底板接觸方案的試驗(yàn)比較。從圖3中可以看出，在各種加載方式以及各級(jí)揚(yáng)壓力水平作用下，拱圈底板兩種接觸方案的底板位移變化規(guī)律幾乎完全是相同的，在數(shù)量級(jí)上兩者也是一致的，但位移量稍有差別，而這種差別沒(méi)有明顯的規(guī)律性。當(dāng)揚(yáng)壓力水平小于56.2 m水柱時(shí)，兩種方案的底板位移都很小，且兩者差別不大。因此，主要分析揚(yáng)壓力水平在56.2 m水柱～140.2 m水柱作用下的底板塊位移。

當(dāng)拱圈底板塊③，④和⑤同時(shí)施加揚(yáng)壓力時(shí)，從圖3(a)可見(jiàn)，在揚(yáng)壓力水平為56.2 m時(shí)，直縫底板塊的位移要大于帶鍵槽底板塊的，最大約0.07 m;當(dāng)揚(yáng)壓力不斷升高至86.2 m水柱～140.2 m水柱時(shí)，兩者位移基本一致，幾乎沒(méi)有明顯差別;當(dāng)拱圈底板塊④和⑤施加揚(yáng)壓力時(shí)，從圖3(b)可見(jiàn)，在揚(yáng)壓力水平為56.2m時(shí)，兩者的位移基本一致;當(dāng)隨揚(yáng)壓力不斷升高時(shí)，達(dá)到86.2 m水柱～140.2 m水柱時(shí)，帶鍵槽底板塊的位移大于直縫底板塊，最大約0.11 m;當(dāng)拱圈⑤底板塊施加揚(yáng)壓力時(shí)，從圖3(c)可見(jiàn)，在各揚(yáng)壓力水平左右下，兩者的位移基本一致，沒(méi)有明顯差別;當(dāng)拱圈底板塊①和②、④和⑤施加揚(yáng)壓力時(shí)，從圖3(d)可見(jiàn)，在各揚(yáng)壓力作用下，直縫底板塊位移均略大于帶鍵槽底板塊，最大約0.08 m;

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)兩種底板接觸方案下底板塊的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究得出:

(1)兩種接觸方案下，拱圈底板塊位移變化總趨勢(shì)是，承受揚(yáng)壓力的底板塊必然上升，帶動(dòng)相鄰的底板塊上升，這種聯(lián)動(dòng)作用隨底板塊位移增大而增大，又不斷沿橫向傳遞，拱圈形成局部拱或全拱。拱圈底板塊位移最大處的縫隙為張，其它縫隙則有張有合。各種加載方式下和各級(jí)揚(yáng)壓力水平下，拱圈底板塊是局部拱或全拱，底板塊未飛出座穴發(fā)生失穩(wěn)，拱結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)完整的承載體系。

(2)拱圈承受揚(yáng)壓力的底板塊位移比未受揚(yáng)壓力的要大;在承受揚(yáng)壓力的底板塊中，揚(yáng)壓力大的底板塊位移最大或次之;任一底板塊在揚(yáng)壓力作用下的傾斜方向取決于相鄰底板塊是否有揚(yáng)壓力作用。如果相鄰底板塊之一有揚(yáng)壓力作用，那么任一底板塊在與之相連處的那一端位移要大。

(3)拱圈底板塊位移隨揚(yáng)壓力的增大而增大。

(4)加載方式4、加載方式5、加載方式6均是對(duì)稱加載，拱圈底板塊變位基本對(duì)稱。

(5)各種加載方式下，拱圈底板塊是局部拱或全拱，兩種接觸方案，拱圈底板塊未飛出座穴發(fā)生失穩(wěn)，拱結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)完整的承載體系，但各底板塊之間縫隙則有張有合。

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