拉西瓦水电站反拱形水垫塘底板动力分析

摘 要：本文针对拉西瓦水电站通过自行设计的反拱水垫塘底板，通过对该水电站工程的研究及底板的动力分析来探讨拉西瓦水电站中反拱水垫塘地板的稳定性。

关键词：水垫塘底板；动力分析；稳定性

水电站是我国利用水能资源的有效形式，在所有的水电站中，拉西瓦水电站是它们当中比较特殊化的一座水电站，它凭借着独自的天然优势将反拱水垫塘技术引入到工程建设中，但是很多学者和专家对它的底板稳定性能表示担忧，下面我们就通过水垫塘底板动力分析深入探讨反拱水垫塘在水电站中的稳定性。

1 拉西瓦水电站的工程与研究

在我国的青海省，有世界上最著名的水电站——拉西瓦水电站。拉西瓦水电站的拱坝高250m以上，在我国的水电站中，反拱水垫塘以独特的形式首次成功应用到拉西瓦的水电站建设中。在我国众多的水电站中，如小湾、锦屏、构皮滩，均是我国的一级大型水电站，反拱水垫塘也试图应用到它们当中去，但由于它们的天然条件的限制未能得到成功地应用。在这些水电站中工程中，他们的地形地质复杂，究竟能否应用反拱水垫塘形式来集中消能，目前仍处于探讨阶段。下游水深浅、水垫塘短、单位水体的效能率较大是拉西瓦水电站的主要特点。拉西瓦水电站通过自行设计得水垫塘模型，在水垫塘上安装传感器的方法产生不同程度的脉动压强和流速。通过对不同情况下反拱水垫塘的动力载荷分析，为水电站顺利的完成施工做了强有力的理论支持。

我国将近用了十年的时间研究了水垫塘在水电站中的应用，目前仍在研究中。一些专业人士通过艰辛的努力为水垫塘的研究应用做出了贡献。郑春城通过对消能优化和模型的研究，确定了多级消力坎消能优化方案。王继敏对长潭岗水电站做了长久的观测，通过对反拱水垫塘的底板扬压力、动力载荷、拱端推力等因素的探究，发现反拱型水垫塘能够对结构、地形、和水流做更好地协调，能够使得水流更加顺畅。马斌的研究也表明，反拱水垫塘底板具有良好的稳定性。孙健认为，对于反拱水垫塘底板，它的抗变性能力很强，即使超载也不会影响它的稳定性。吕阳泉在比例尺为1：380的精细模型上用热膜流速仪测量了拱坝内水流的变化，研究分析表明，要想提高水垫塘的消能效率，就必须使得紊动剪切层区的范围增大。以上人员的研究，都使得反拱水垫塘的技术日益完善，推进了反拱水垫塘在水电站中的应用。

2 反拱水垫塘的动力分析

2.1 正反向载荷作用下的拱端裂缝推算

岩石在经过数百年的沉积，它的变形能力几乎已经完全失去，我们在研究它的同时，对于它的自重是完全可以忽略的。而针对底板、拱座的研究则不能忽略它的自重。去对于温度载荷而言，一般也不予考虑。反向载荷又称静水压力。通过计算结果表明，拱端裂缝的含义就是拱座与拱端在切向方向的位移，对于拱端错位就是指它在径向方向的位移。通过计算证实在不同水位下拱端裂缝和错位的情情况各不相同，水位一定时，拱端的位移与基岩弹模的压力有关。扬压力和重力的载荷组合对无静水压力产生了不利的因素。板块下的扬压力包括渗透压力和浮托力。其中渗透压力是由水垫塘底板块下的渗流计算获得。

反拱水垫塘底板的稳定性与很多因素有关。其中锚固钢筋就是众多因素中的一个。锚固钢筋在抗剪性能上有一定的优越性，当处于反向载荷作用的时候，锚固钢筋能够迅速抗剪，能够及时的减小拱端裂缝。锚固钢筋减小拱端裂缝的最适水位为2246.2m锚固钢筋经过扬压力的影响，能够对于拱端推力的减小有显著地效果。当锚固钢筋数量固定不变时，经过反向载荷的影响，这时拱端裂缝出现最小值的水位为2227.0m。当水位的高度超过拱座的上表面时，也就是当水位到达2235.0时，拱端间隙最大。拱端推力和扬压力在正相载荷的条件下，即当锚固钢筋的数量不变时，它们成正比例关系，适当的减小扬压力对于拱端裂缝的减小有很大的帮助。反向载荷下的拱端裂缝、错位以及正向载荷下的拱端推力均受反拱水垫塘底板分块数量的影响。因为，在反向载荷作用下，板块间是没有太大缝隙的，在正向载荷作用下，板块早已具有了“拱”的效果，所以，板块底板的动力稳定性与板块分布数量没有必然的联系。基岩弹性模的数量与底板的稳定性密切相关。当处于反向载荷条件下，拱端错位和裂缝的程度与基岩弹性模的数量有直接的关系。拱端推力在正向载荷作用下，和基岩弹性模的数量无关。

2.2 水垫塘地板失稳原理

动水压强由冲击压强和脉动压强组成，经过射流冲击载荷的影响，往往会出现在底板的上表面，但是动水压强具有较大的流动性，它会沿着缝隙慢慢的到达底板的下表面。（如下图所示，水垫塘底板下渗透压力的分布图）举力的定义就是动水载荷在底板上下表面的合力。动水载荷往往不固定，从而导致在某一时刻底板本身的抗力小于向上的举力。通过分析岩块运动的加速度，我们提出了岩块的启动条件为岩块上下的载荷大于1.5G。对于护坦板的失稳，与它的动力和加速度有直接的关系，经过测量和研究，张廷芳认为动力失稳的前提应满足岩块上下表面的载荷之差大于等于1.3G。郭航忠通过研究板块稳定的安全水垫深度时发现，要想使得岩石具有稳定性，应满足向上的最大举力小于2.5倍的抗力。

在动力载荷作用下，反拱水垫塘底板会出现拱圈。拱圈对于提高底板的稳定性能有很大的作用。从整体上看，拱座的抗力小于举力产生的拱端推力时时，产生的失稳称为整体失稳。经过水动力载荷的作用，反拱底板会出现整体上抬。这时我们通常认为拱圈上每一块都受向上的举力，其实不然，水动力载荷的作用下，有的块还受向下的力，所以，单块板块并没有失稳。虽然拱端产生的推力不足以使拱座受到强大的冲击力。但也称为整体失稳。

水动力载荷具有随机性的特点，反拱形底板受它的影响，会使一些块体上下抬起。在下压的过程中，经过块与块之间的相互作用，形成了许多大的块体，从而称为了上抬块体的拱座。当板块在举力的作用下，超过自身的重力到达一定数值时，会出现相邻的板块相互碰撞从表面向两侧滑动，这是板块就自然地形成了局部失稳。反拱底板受随机载荷的影响，在相互碰撞中会出现互为拱座的局面。板块体的锚固力、浮重、及相邻板块的摩擦力是影响板块稳定性的重要因素，对于板块的稳定性起了决定性作用。在每一个板块中，从平底板的角度分析，锚固力只能对板块的上抬产生阻力。而对于反拱形底板，就体现出了它的优势，它不但具有平地板的作用效果，还能在抗剪作用下，增加相邻板块的抗力。

2.3 底板的稳定性控制因素

中川薄次分析，高速的水流沿着岩石缝隙经过长时间的冲刷，造成了岩石底部和表面很大的压力差，其表面压力较小，底部压力较大，即差生了较大的压力差，从而产生举力，使得岩石离开底部，经过不断地上浮而产生破，所以我国对动水压强和分布系数有严格的规定。在日本的凌北，一共存在着5座拱坝溢流工程，这些工程的时均压强都不得超过3000kPa，分布系数不得超过1.0。这样的规定符合这些工程的建设，是经过科学认证的。目前，我国在水电站建设中，抗浮底板的冲击压强一般都不超过150kPa。在小湾、构皮滩这些水电站工程工程的建设中，明确规定了其水垫塘底板不得超过150kPa，甚至有的达不到1000kPa。拉西瓦水电站建设中，水水垫塘底板设计要求比较严格，均采用以上的设计标准。经过多年的研究和探讨，许多专家和学者表示反拱水垫塘底板究竟能否拥有足够的稳定性去应用到水电站建设中，任有众多的疑虑。

杨敏通经过多年的探讨，认为上举力、时均压强、和脉动压强存在着相互作用、相互制约的关系。当动水冲击压强为150kPa，那么脉动压强的数值为67.5kPa。郭航忠通过大量模型试验和数据分析，要使得水垫塘底板足够的稳定，就必须满足安全水垫深度公式。符晓经过大量的数值计算得知，要保证底板的稳定性，就必须满足它的动位移均方根为50μm。

3 结 语

我们对反拱水垫塘底板的动力分析得知，反拱水垫塘底板的稳定性除了与自身的结构有关，还与锚固钢筋量、基岩性质、板上下表面的水压力、动水压强、承受载荷等因素有关。通过对拉西瓦反拱水垫塘底板的动力分析，能够更好地提高底板的稳定性能，使反拱水垫塘的技术日益完善。

参考文献

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[3]练继建，刘喜珠，马斌.水垫塘反拱底板静动力耦合分析及安全评价[J].中国科学（E辑：技术科学），2009（04）.

[4]孙建，陈长植.反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较[J].长江科学院院报，2003（04）.

作者简介：张小芳，女，本科，工程师，现从事工程管理工作。