葛洲壩護(hù)坦新舊混凝土粘結(jié)面水壓力分布規(guī)律研究

杜利民

(中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002)

葛洲壩護(hù)坦新舊混凝土粘結(jié)面水壓力分布規(guī)律研究

杜利民

(中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002)

葛洲壩護(hù)坦底板修補(bǔ)材料極易被高速水流沖蝕破壞,影響大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)護(hù)坦底板新澆筑材料與舊混凝土粘結(jié)面縫隙脈動水壓力的分布規(guī)律,建立了接觸面縫隙脈動壓力傳播的兩個階段即滲流和瞬變流階段的數(shù)學(xué)模型,并對實(shí)際工況進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明,閘室底板粘結(jié)面水壓力在滲流條件下,沿程各點(diǎn)脈動水壓力頻率與尾部的原生脈動壓力頻率保持一致,沿程各點(diǎn)脈動水壓力振幅與x/L成正比;在瞬變流條件下,粘結(jié)面中部點(diǎn)的脈動水壓力由與尾部點(diǎn)原生脈動壓力相似的低頻脈動和間雜在整個過程中的高頻脈動組成;沿程阻力系數(shù)對縫隙水壓力的影響主要體現(xiàn)在對高頻脈動的削弱;滲流條件下其振幅沿程增大,在瞬變流條件下,各點(diǎn)脈動壓力振幅沿程分布變化不明顯。修補(bǔ)材料粘結(jié)面的疲勞破壞屬于應(yīng)力疲勞,修補(bǔ)材料整體揭底沖毀為其中的破壞形式之一,整體揭底破壞與新舊材料之間粘結(jié)面疲勞損傷關(guān)系密切。

護(hù)坦底板;粘結(jié)面;滲流;瞬變流;特征線法;脈動壓力

葛洲壩泄水閘閘室底板由于開啟頻繁,運(yùn)行時間長,使得閘室底板受到長期的沖蝕,破壞嚴(yán)重。根據(jù)檢修規(guī)程,每間隔一定時期即對底板進(jìn)行檢查修補(bǔ)。底板在經(jīng)過修補(bǔ)后,變得凹凸不平,水力條件變差,這又進(jìn)一步加劇了沖蝕破壞程度。修補(bǔ)材料的破壞形式一般可分為三種。第一種為空化,空蝕;第二種為高速含沙水流的磨蝕作用;第三種為整體揭底破壞。整體揭底破壞與修補(bǔ)材料粘結(jié)面在脈動壓力作用下?lián)p傷疲勞有關(guān)。要解決這種疲勞破壞問題,必須先了解粘結(jié)面縫隙脈動水壓力分布規(guī)律,以往各種文獻(xiàn)中都集中于對巖體縫隙中的脈動壓力傳播機(jī)理進(jìn)行探討。Fiorotto和Rinaldo[1～3]提出用瞬變流模型探討縫隙內(nèi)脈動壓力波的傳播特征;張建明,楊永全等[4,5]研究認(rèn)為縫隙磨阻對脈動壓力影響很大,特別是高頻脈動壓力;李愛華,劉沛清等[6～9]利用瞬變流模型探討了巖縫中脈動壓力傳播機(jī)理。而本文研究的實(shí)際工程情況則為新澆注混凝土與舊混凝土粘結(jié)面縫隙的水壓力分布規(guī)律,其特點(diǎn)為縫隙直徑小,縫隙內(nèi)水體運(yùn)動規(guī)律隨著運(yùn)行時間的增長而發(fā)生變化,以時間段劃分大致可分為滲流階段和瞬變流階段。在這種小直徑下,縫隙脈動壓力分布呈現(xiàn)新的特點(diǎn)。

1 閘室修補(bǔ)后底板情況

修補(bǔ)后閘室底板如圖1所示。封邊材料為環(huán)氧樹脂,封堵縫隙,使修補(bǔ)粘結(jié)面與外界隔絕。修補(bǔ)材料與閘底粘結(jié)面由于新舊混凝土性能差異,溫度,以及施工工藝等因素影響存在縫隙。破壞,新舊材料之間縫隙與外部連通,從而使得修補(bǔ)粘結(jié)面縫隙受到B處紊流脈動壓力影響。修補(bǔ)材料粘結(jié)面脈動壓力發(fā)展經(jīng)過兩個階段。

圖1 修補(bǔ)后閘室底板示意圖

第一階段,初期由于縫隙較小,縫隙表面粗糙,阻塞嚴(yán)重,此時縫隙水流狀態(tài)為滲流,B處脈動壓力以滲流形式傳入縫隙。

第二階段,隨時間推移,在水體反復(fù)作用下縫隙開度增加,粗糙度減小,滲透性增加,水體流動不符合滲流特征,縫隙內(nèi)水體在受B處脈動壓力影響,而成為瞬變流。

最后,由于材料接觸面不斷受到脈動壓力影響,使得接觸面粘結(jié)材料發(fā)生疲勞,導(dǎo)致發(fā)生修補(bǔ)材料整體揭底破壞。

本文將集中研究第一、第二階段時,縫隙水壓力的分布特征。

2 接觸面縫隙脈動壓力傳播模型

如圖1所示,B點(diǎn)的脈動壓力可以表示為:

式中:p0為實(shí)測的時均值,實(shí)際運(yùn)用中,可取靜水壓力,即p0=γH0,H0為自由水面至護(hù)坦底板高度;p′為隨著時間變化的壓力分布。因?qū)嶋H運(yùn)行時對B點(diǎn)脈動壓力無法進(jìn)行實(shí)測,采用簡化處理,假設(shè)p′=Asin(2πft)。

第一階段,縫隙水體運(yùn)動為滲流,服從 Darcy定理,此時脈動壓力以滲流速度傳播,有控制方程:

式中:γ為水體容重;k為縫隙滲透系數(shù);p為縫隙內(nèi)水壓力。

將式(2)代入式(1)可得:

將式(4)代入式(3),可得:

對式(5)進(jìn)行積分,可得:

式中:C1,C2為積分常數(shù)。

在A點(diǎn)處,縫隙內(nèi)水流通過環(huán)氧封邊材料與平整護(hù)坦底板以及修補(bǔ)材料之間的縫隙,同上游水流連通,可認(rèn)為當(dāng)x=0,p=PA=p0=γH0。在B點(diǎn)處,即當(dāng)x=L,p=PB=γH0+Asin(2πft)。

代入邊界條件解式(6)得:

兩邊同時除以 γ,可得:

式(8)揭示了脈動壓力在滲流模型下沿程分布的情況。

第二階段,隨著縫隙長期不斷淘洗,使得縫隙增大,縫隙內(nèi)水體流動呈現(xiàn)瞬變流特征。建立了一維瞬變流模型,如下:

式中:g為重力加速度;C為壓力波傳播速度;f為阻力系數(shù);D為縫隙直徑。

式(10),(11)為一組擬線形雙曲型偏微分方程,難以直接求出解析解?？衫锰卣骶€法計(jì)算其近似解。

利用特征線法處理式(12),(13),可得:

對其積分并采用一階近似積分代替,可得:

簡化式(14),(15),可得:

利用式(16),加上粘結(jié)面初始條件與邊界條件便可利用計(jì)算機(jī)解出縫隙脈動水壓力的分布特征。

3 實(shí)際工況模擬計(jì)算

3.1 模擬工況說明

3.2 第一階段計(jì)算結(jié)果

在第一階段(滲流階段),利用公式(9),繪出x/L=0,x/L=1/4,x/L=1/2,x/L=3/4,x/L=1點(diǎn)水頭分布規(guī)律,如圖2所示。

3.3 第二階段計(jì)算結(jié)果

第二階段下利用公式(16)計(jì)算縫隙脈動水壓力分布情況。由于水流是從滲流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗沧兞鳡顟B(tài),而滲流狀態(tài)時流速很小,可認(rèn)為初始流速為0,同時選取滲流時平均水頭3 m為初始水頭,取波速C=1 000 m/s。

選取空間步長 Δx=0.1,則時間步長 為 Δt= Δx/C=0.1/1000=0.0001利用該初始條件計(jì)算修補(bǔ)材料中各點(diǎn)水壓力在不同阻力系數(shù)下的分布情況,計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 第一階段水頭分布規(guī)律圖

圖3 第二階段各點(diǎn)水壓力分布情況(f=0)

圖4 第二階段各點(diǎn)水壓力分布情況(f=1)

3.4 圖形比較分析

對以上圖形分析可得出以下幾點(diǎn):

(1)從圖2中可以看出,閘室底板粘結(jié)面水壓力在滲流模型條件下,其分布規(guī)律為:沿程各點(diǎn)脈動水壓力其頻率不受其它因素影響,與B點(diǎn)的原生脈動壓力頻率保持一致;沿程各點(diǎn)脈動水壓力振幅隨著越往下游走越大,其增加幅度與x/L成正比。

圖5 第二階段各點(diǎn)水壓力分布情況(f=40,局部)

圖6 第二階段各點(diǎn)水壓力分布情況(f=40,整體)

(2)從圖3中可知,隨著運(yùn)行時間增加,閘室底板粘結(jié)面水壓力在瞬變流條件下,當(dāng)沿程阻力系數(shù)為0時,修補(bǔ)材料粘結(jié)面x/L=1/2點(diǎn)的脈動水壓力分布規(guī)律為:其脈動水壓力分為兩部份,一部分是與B點(diǎn)原生脈動壓力相似的低頻脈動,其頻率與B點(diǎn)一致,而另一部分則為間雜在整個過程中的高頻脈動,其頻率約為低頻脈動的14倍;脈動壓力的振幅是隨著時間的增加而增大,從理論上說可隨時間增加得到無限大。由于粘結(jié)面縫隙是小縫隙,在實(shí)際運(yùn)行中,阻力系數(shù)是肯定存在,這種沿程阻力系數(shù)為0在實(shí)際運(yùn)行情況中不可能出現(xiàn)。

(3)通過對圖4與圖3比較,可發(fā)現(xiàn)在沿程阻力系數(shù)對縫隙水壓力的影響主要體現(xiàn)在對高頻脈動的削弱,高頻脈動對沿程阻力系數(shù)很敏感(圖4的沿程阻力系數(shù)僅為1)。從圖4中可以看出在經(jīng)過一個低頻脈動周期后,高頻脈動已經(jīng)被削弱殆盡,隨后縫隙水壓力進(jìn)入與滲流模型(圖2中x/L=1/2曲線)類似的正弦波分布狀態(tài),但均值、振幅與滲流條件下不同。

(4)從圖5與圖6中可看出,在選取縫隙沿程阻力系數(shù)較大時(f=40,此情況更加貼近實(shí)際運(yùn)行狀況),縫隙脈動水壓力分布在初始階段(約為 0～8 ms內(nèi))會有跳動,但隨后由于沿程各點(diǎn)脈動壓力分布在頻率和振幅上都趨于一致。將圖6與滲流條件下(圖2)相比較,其頻率一致。在瞬變流條件下,各點(diǎn)脈動壓力振幅沿程分布不發(fā)生明顯變化,各個點(diǎn)脈動壓力其分布情況一致,而滲流條件下其振幅沿程增大。

4 結(jié) 論

修補(bǔ)材料粘結(jié)面的疲勞破壞應(yīng)屬于應(yīng)力疲勞。在應(yīng)力疲勞分析中,荷載的頻率及振幅確定甚為關(guān)鍵。通過本文的研究可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論:

(1)在對修補(bǔ)材料粘結(jié)面疲勞分析時,其荷載的頻率可選取與B點(diǎn)原生脈動壓力相同的頻率作為粘結(jié)面各點(diǎn)的脈動頻率,頻率的選取與縫隙內(nèi)的水體流動狀態(tài)無關(guān)。這點(diǎn)與文獻(xiàn)[6～9]研究成果不同,主要原因在于文獻(xiàn)主要研究巖石縫隙中脈動水壓力傳播機(jī)理,而本文新舊混凝土粘結(jié)面縫隙直徑數(shù)量級與文獻(xiàn)所處情況不同以及本文研究了縫隙發(fā)展過程對水體影響所導(dǎo)致。由于縫隙直徑過小(本文為1 mm)以及沿程阻力系數(shù)存在,使得縫隙內(nèi)水體運(yùn)動無論在滲流狀態(tài)還是瞬變流狀態(tài),其脈動頻率與B點(diǎn)原生脈動頻率相比,不產(chǎn)生變化。

(2)對粘結(jié)面各點(diǎn)脈動壓力振幅則需要分別考慮水體滲透狀態(tài)與瞬變流狀態(tài)兩種情況,在滲流條件下粘結(jié)面各點(diǎn)脈動壓力振幅沿程增加,在瞬變流條件下各點(diǎn)沿程不變。

[1]Fiorotto,V,Rinaldo A.Fluctuating uplift and lining design in spillway stilling basins[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,1992,118(4):578-596.

[2]Fiorotto V,Rinaldo A.Turbulent pressure fluctuations under hydraulic jumps[J].Journal of Hydraulic Engineering,IAHR1992,30(4):35-45.

[3]Beliin A,Fiorotto V.Direct dynamic force measurement on slabs in spillway stilling basins[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,1995,121(10):645-656.

[4]張建民,楊永全,戴光清,等.水墊塘底板縫隙中脈動水壓力傳播規(guī)律特性[J].四川大學(xué)學(xué)報,2000,32(3):5-8.

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[6]李愛華,劉沛清.脈動壓力在板塊縫隙中傳播衰變機(jī)理研究[J].水利水電技術(shù),2006,37(9):33-37.

[7]李愛華,劉沛清.巖石河床在沖擊水流脈動壓力作用下的解體破壞機(jī)理[J].水利學(xué)報,2007,38(11):1324-1328.

[8]李愛華,劉沛清.脈動壓力在消力池底板傳播的瞬變流模型和滲流模型統(tǒng)一性探討[J].水利學(xué)報,2005,36(10):1236-1240.

[9]劉沛清,鄧學(xué)鎣.多級板塊縫隙中脈動壓力傳播過程的數(shù)值研究[J].力學(xué)學(xué)報,1998,30(6):662-670.

Research on Hydraulic Fluctuating Pressure Distribution Between New and Old Concrete Binding Surfaces on Gezhouba Dam's Apron

DU Li-min
(China Yangtze River Electric Power Co.,Ltd.,Yichang,Hubei443002,China)

The repair material on Gezhouba dam's apron slab is easy to be damaged by the high speed flow from the spillway,which would impact on the normal operation of the dam.Here,based on the hydraulic fluctuating pressure distribution between the new and old materials,the mathematical models in two stages for pressure transmission are set up,such as the seepage flow stage and the transient flow stage,at the same time,themodelling and computation are made for the actual conditions.The results show that the fatigue damage between the binding surfaces belongs to the stress fatigue,and the monolithicwashing damage is in close relationship with the fatigue damage between the binding surfaces.

apron slab;binding surface;seepage;transient flow;characteristics method;fluctuating pressure

TV431

A

1672—1144(2010)02—0147—04

2009-12-25

2010-01-04

杜利民(1986—),男(漢族),四川人,助理工程師,主要從事水工建筑物維護(hù)管理。