摘 要：本文針對(duì)拉西瓦水電站通過(guò)自行設(shè)計(jì)的反拱水墊塘底板，通過(guò)對(duì)該水電站工程的研究及底板的動(dòng)力分析來(lái)探討拉西瓦水電站中反拱水墊塘地板的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：水墊塘底板；動(dòng)力分析；穩(wěn)定性

水電站是我國(guó)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(dāng)中比較特殊化的一座水電站，它憑借著獨(dú)自的天然優(yōu)勢(shì)將反拱水墊塘技術(shù)引入到工程建設(shè)中，但是很多學(xué)者和專家對(duì)它的底板穩(wěn)定性能表示擔(dān)憂，下面我們就通過(guò)水墊塘底板動(dòng)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(guó)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(guó)的水電站中，反拱水墊塘以獨(dú)特的形式首次成功應(yīng)用到拉西瓦的水電站建設(shè)中。在我國(guó)眾多的水電站中，如小灣、錦屏、構(gòu)皮灘，均是我國(guó)的一級(jí)大型水電站，反拱水墊塘也試圖應(yīng)用到它們當(dāng)中去，但由于它們的天然條件的限制未能得到成功地應(yīng)用。在這些水電站中工程中，他們的地形地質(zhì)復(fù)雜，究竟能否應(yīng)用反拱水墊塘形式來(lái)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(diǎn)。拉西瓦水電站通過(guò)自行設(shè)計(jì)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(dòng)壓強(qiáng)和流速。通過(guò)對(duì)不同情況下反拱水墊塘的動(dòng)力載荷分析，為水電站順利的完成施工做了強(qiáng)有力的理論支持。

我國(guó)將近用了十年的時(shí)間研究了水墊塘在水電站中的應(yīng)用，目前仍在研究中。一些專業(yè)人士通過(guò)艱辛的努力為水墊塘的研究應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。鄭春城通過(guò)對(duì)消能優(yōu)化和模型的研究，確定了多級(jí)消力坎消能優(yōu)化方案。王繼敏對(duì)長(zhǎng)潭崗水電站做了長(zhǎng)久的觀測(cè)，通過(guò)對(duì)反拱水墊塘的底板揚(yáng)壓力、動(dòng)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?qū)Y(jié)構(gòu)、地形、和水流做更好地協(xié)調(diào)，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(rèn)為，對(duì)于反拱水墊塘底板，它的抗變性能力很強(qiáng)，即使超載也不會(huì)影響它的穩(wěn)定性。呂陽(yáng)泉在比例尺為1：380的精細(xì)模型上用熱膜流速儀測(cè)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(dòng)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(shù)日益完善，推進(jìn)了反拱水墊塘在水電站中的應(yīng)用。

2 反拱水墊塘的動(dòng)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(guò)數(shù)百年的沉積，它的變形能力幾乎已經(jīng)完全失去，我們?cè)谘芯克耐瑫r(shí)，對(duì)于它的自重是完全可以忽略的。而針對(duì)底板、拱座的研究則不能忽略它的自重。去對(duì)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(guò)計(jì)算結(jié)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(duì)于拱端錯(cuò)位就是指它在徑向方向的位移。通過(guò)計(jì)算證實(shí)在不同水位下拱端裂縫和錯(cuò)位的情情況各不相同，水位一定時(shí)，拱端的位移與基巖彈模的壓力有關(guān)。揚(yáng)壓力和重力的載荷組合對(duì)無(wú)靜水壓力產(chǎn)生了不利的因素。板塊下的揚(yáng)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(jì)算獲得。

反拱水墊塘底板的穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)。其中錨固鋼筋就是眾多因素中的一個(gè)。錨固鋼筋在抗剪性能上有一定的優(yōu)越性，當(dāng)處于反向載荷作用的時(shí)候，錨固鋼筋能夠迅速抗剪，能夠及時(shí)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(guò)揚(yáng)壓力的影響，能夠?qū)τ诠岸送屏Φ臏p小有顯著地效果。當(dāng)錨固鋼筋數(shù)量固定不變時(shí)，經(jīng)過(guò)反向載荷的影響，這時(shí)拱端裂縫出現(xiàn)最小值的水位為2227.0m。當(dāng)水位的高度超過(guò)拱座的上表面時(shí)，也就是當(dāng)水位到達(dá)2235.0時(shí)，拱端間隙最大。拱端推力和揚(yáng)壓力在正相載荷的條件下，即當(dāng)錨固鋼筋的數(shù)量不變時(shí)，它們成正比例關(guān)系，適當(dāng)?shù)臏p小揚(yáng)壓力對(duì)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(cuò)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?yàn)?，在反向載荷作用下，板塊間是沒(méi)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(dòng)力穩(wěn)定性與板塊分布數(shù)量沒(méi)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(guān)。當(dāng)處于反向載荷條件下，拱端錯(cuò)位和裂縫的程度與基巖彈性模的數(shù)量有直接的關(guān)系。拱端推力在正向載荷作用下，和基巖彈性模的數(shù)量無(wú)關(guān)。

2.2 水墊塘地板失穩(wěn)原理

動(dòng)水壓強(qiáng)由沖擊壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)組成，經(jīng)過(guò)射流沖擊載荷的影響，往往會(huì)出現(xiàn)在底板的上表面，但是動(dòng)水壓強(qiáng)具有較大的流動(dòng)性，它會(huì)沿著縫隙慢慢的到達(dá)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(dòng)水載荷在底板上下表面的合力。動(dòng)水載荷往往不固定，從而導(dǎo)致在某一時(shí)刻底板本身的抗力小于向上的舉力。通過(guò)分析巖塊運(yùn)動(dòng)的加速度，我們提出了巖塊的啟動(dòng)條件為巖塊上下的載荷大于1.5G。對(duì)于護(hù)坦板的失穩(wěn)，與它的動(dòng)力和加速度有直接的關(guān)系，經(jīng)過(guò)測(cè)量和研究，張廷芳認(rèn)為動(dòng)力失穩(wěn)的前提應(yīng)滿足巖塊上下表面的載荷之差大于等于1.3G。郭航忠通過(guò)研究板塊穩(wěn)定的安全水墊深度時(shí)發(fā)現(xiàn)，要想使得巖石具有穩(wěn)定性，應(yīng)滿足向上的最大舉力小于2.5倍的抗力。

在動(dòng)力載荷作用下，反拱水墊塘底板會(huì)出現(xiàn)拱圈。拱圈對(duì)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(shí)時(shí)，產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為整體失穩(wěn)。經(jīng)過(guò)水動(dòng)力載荷的作用，反拱底板會(huì)出現(xiàn)整體上抬。這時(shí)我們通常認(rèn)為拱圈上每一塊都受向上的舉力，其實(shí)不然，水動(dòng)力載荷的作用下，有的塊還受向下的力，所以，單塊板塊并沒(méi)有失穩(wěn)。雖然拱端產(chǎn)生的推力不足以使拱座受到強(qiáng)大的沖擊力。但也稱為整體失穩(wěn)。

水動(dòng)力載荷具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，反拱形底板受它的影響，會(huì)使一些塊體上下抬起。在下壓的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)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(dāng)板塊在舉力的作用下，超過(guò)自身的重力到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相鄰的板塊相互碰撞從表面向兩側(cè)滑動(dòng)，這是板塊就自然地形成了局部失穩(wěn)。反拱底板受隨機(jī)載荷的影響，在相互碰撞中會(huì)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(duì)于板塊的穩(wěn)定性起了決定性作用。在每一個(gè)板塊中，從平底板的角度分析，錨固力只能對(duì)板塊的上抬產(chǎn)生阻力。而對(duì)于反拱形底板，就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢(shì)，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(guò)長(zhǎng)時(shí)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(guò)不斷地上浮而產(chǎn)生破，所以我國(guó)對(duì)動(dòng)水壓強(qiáng)和分布系數(shù)有嚴(yán)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(shí)均壓強(qiáng)都不得超過(guò)3000kPa，分布系數(shù)不得超過(guò)1.0。這樣的規(guī)定符合這些工程的建設(shè)，是經(jīng)過(guò)科學(xué)認(rèn)證的。目前，我國(guó)在水電站建設(shè)中，抗浮底板的沖擊壓強(qiáng)一般都不超過(guò)150kPa。在小灣、構(gòu)皮灘這些水電站工程工程的建設(shè)中，明確規(guī)定了其水墊塘底板不得超過(guò)150kPa，甚至有的達(dá)不到1000kPa。拉西瓦水電站建設(shè)中，水水墊塘底板設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，均采用以上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多年的研究和探討，許多專家和學(xué)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(yīng)用到水電站建設(shè)中，任有眾多的疑慮。

楊敏通經(jīng)過(guò)多年的探討，認(rèn)為上舉力、時(shí)均壓強(qiáng)、和脈動(dòng)壓強(qiáng)存在著相互作用、相互制約的關(guān)系。當(dāng)動(dòng)水沖擊壓強(qiáng)為150kPa，那么脈動(dòng)壓強(qiáng)的數(shù)值為67.5kPa。郭航忠通過(guò)大量模型試驗(yàn)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(guò)大量的數(shù)值計(jì)算得知，要保證底板的穩(wěn)定性，就必須滿足它的動(dòng)位移均方根為50μm。

3 結(jié) 語(yǔ)

我們對(duì)反拱水墊塘底板的動(dòng)力分析得知，反拱水墊塘底板的穩(wěn)定性除了與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與錨固鋼筋量、基巖性質(zhì)、板上下表面的水壓力、動(dòng)水壓強(qiáng)、承受載荷等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)拉西瓦反拱水墊塘底板的動(dòng)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(shù)日益完善。

參考文獻(xiàn)

[1]馬斌，練繼建，楊敏.水墊塘反拱型底板襯砌結(jié)構(gòu)的非線性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)[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(dòng)力耦合分析及安全評(píng)價(jià)[J].中國(guó)科學(xué)（E輯：技術(shù)科學(xué)），2009（04）.

[4]孫建，陳長(zhǎng)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(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003（04）.

作者簡(jiǎn)介：張小芳，女，本科，工程師，現(xiàn)從事工程管理工作。