4消力池底板塊的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)4.1消力池底板塊穩(wěn)定性分析消力池底板塊破壞在工程上時(shí)有發(fā)生，是一種嚴(yán)重的事故.因?yàn)榈装宓钠茐某Ｐ纬纱蟮臎_刷坑，從而可能危及壩體和泄水建筑物的安全.此外，消力池一旦破壞，修復(fù)起來非常困難（一般只能在枯水期進(jìn)行）。因此，對(duì)于消力池的防護(hù)近年愈來愈引起人們的高度重視.根據(jù)“溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范”SDJ341-89,消力池底板的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)可由最不利運(yùn)行工況下板塊的受力分析給出。一般底板的設(shè)計(jì)至少應(yīng)考慮兩種不利工況：（1）消力池正常運(yùn)行工況；（2）消力池檢修放空工況。（1）消力池正常運(yùn)行工況在這種運(yùn)行工況下，通常假定消力池底板止水未破壞，但排水失效.因此，在板塊的受力分析時(shí)，須考慮的力有：板塊的重力，板塊和基巖的錨筋力，板塊下的揚(yáng)壓力，底板上由大尺度紊流壓力脈動(dòng)引起的脈動(dòng)荷載.由板塊受力可得，板塊的穩(wěn)定性條件為TOC\o"1-5"\h\z（P-P， ）+G+Fr-FN0 （16）式中，P和P，分別為板塊頂面上的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力，P-P，為板塊頂面上的瞬時(shí)壓力;maG為板塊的重力；Fr為板塊和基巖的錨筋力；Fu為板塊下的揚(yáng)壓力.將式（16）寫成規(guī)范形式為 R "K=（G+P+F）/（F+P， ） （17）f R u max其中，安全系數(shù)K，對(duì)于設(shè)計(jì)工況取1.2,校核工況到1.0.如板塊的底面積為A，板塊厚度為d，^f^土板塊的容重為Yc，則有G=yAd;P=D.A式中，Dmin為板塊上所受的最小時(shí)均壓力，一般位于射流沖擊區(qū)的下游.對(duì)于板塊上的脈動(dòng)壓力，一般假定脈動(dòng)壓力符合正態(tài)概率分布，并考慮到面脈動(dòng)壓力的均化作用，按下式計(jì)算［1HP'max=3河pA其中，O為脈動(dòng)壓力均方根值，可由模型試驗(yàn)或有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式給出估算；&為點(diǎn)而脈動(dòng)壓力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)（V1.0），由試驗(yàn)確定，一般位于0.3?0.7之間。對(duì)于板塊下的揚(yáng)壓力Fu,包括滲透壓力Fs和浮托力Fb,即Fu=Fs+Fb.浮托力Fb,可按下游尾水深度h計(jì)算，即tFb=y(h+d)A式中，Y為水體容重.滲透壓力F，由消力池底板塊下的滲流計(jì)算獲得.初估時(shí)，也可用下列公式給出估算. SF=aHyA其中，H為上下游水位差；滲流折減系數(shù)a與消力池底板塊下基巖的地質(zhì)條件、帷幕和排水的布置形式有關(guān).為了減小壩底揚(yáng)壓力，一般在壩體的上游而設(shè)置防滲帷幕和排水孔幕，在此處滲流折減系數(shù)a位于0.2?0.3之間，對(duì)于僅設(shè)防滲帷幕的情況，a位于0.5?0.7之間[⑵.在消力池底板下，如取防滲帷幕后滲透壓力的平均值(平均折減一半)，則在消力池底板下，可近似取a=0.1?0.15之間。設(shè)單塊板塊下布置錨筋根數(shù)為n，單根錨筋的抗拉強(qiáng)度為T，則板塊所受的錨筋拉力為Fr=nT現(xiàn)將以上諸式代入式(17)中，可得TOC\o"1-5"\h\zn=[K(yh+yd+YaH+3go)-(yd+D)]A/T (18)f t p c min對(duì)于消力池內(nèi)為穩(wěn)定、淹沒度不大的水躍，消能效果好，池內(nèi)水流較為平穩(wěn)，此時(shí)如近似取Yh^Dmin，則式(18)可簡(jiǎn)化為n=[%(丫aH+yd+3gop)-Yd]A/T (18a)消力池檢修放空工況對(duì)于消力池檢修工況，可認(rèn)為消力池底板止水未破壞，但排水失效。因此，板塊的受力有：板塊的重力G，板塊與基巖之間的錨筋力Fr，板塊底面上的揚(yáng)壓力Kf=(G+FR)/Fu (19)代入有關(guān)計(jì)算式后，可得n=Kf(yht+Yd+YaH)-yd]A/T (20)應(yīng)指出的是，在消力池檢修工況下，下游尾水位須小于等于消力池下游最低尾水位。由于近年來，消力池板塊失事屢見不鮮，且多數(shù)板塊失事均是由于板塊間止水破壞，脈動(dòng)壓力通過接縫處進(jìn)入板塊底面縫隙層中迅速傳播開來，引起板塊上作用著強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉力，導(dǎo)致板塊揭底破壞.故上述規(guī)范要求的兩種計(jì)算工況是不夠的，必須考慮板塊止水破壞后，消力池的運(yùn)行工況(作為校核)。板塊止水破壞消力池運(yùn)行工況對(duì)于這種工況，可假定消力池在板塊止水破壞、排水失效下運(yùn)行.此時(shí)，板塊的受力主要有：板塊的重力G，板塊下錨筋的拉力F，板塊下的滲透壓力F(由于止水破壞，無浮托力，但考慮到止水的破壞對(duì)滲滿壓力起減小的作用，滲流折減系數(shù)a要小于計(jì)算工況(1)的取值)，由板塊頂、底面上時(shí)均壓力引起的壓差近似用靜水浮力F(=yAd)表示，由脈動(dòng)壓力在板塊底面縫隙層中傳播引起的可能最大脈動(dòng)上舉力為『蜒。根據(jù)板塊的受力分析，板塊的穩(wěn)定性條件為G+F-F-F-F'N0Rssbmax引入安全系數(shù)Kf(可取1.0)，上式可寫為TOC\o"1-5"\h\zK=(G+F)/(F+F+F') (21)f R ssbmax對(duì)于板塊下的脈動(dòng)上舉力成因，作者在文獻(xiàn)[8—10]中進(jìn)行了分析，并獲得一個(gè)板塊所受的可能最大脈動(dòng)上舉力的預(yù)報(bào)公式為F'max=3opA?SQRT(1+a2L2九)] (22)其中，ap為脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)；L為脈動(dòng)壓強(qiáng)積分尺度；L為板塊特征尺度；其余符號(hào)同前.對(duì)于消力池底板塊，S一般Ls<<L，則式(22)可簡(jiǎn)化為F'max=3opA (23)現(xiàn)將有關(guān)各式代入式(21)中，可得n=[Kf(yd+YaH+3op)-yd]A/T (24)實(shí)際計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)以上三種工況的式(18a)、式(20)和式(24)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。4.2五強(qiáng)溪水電站右消力池底板塊穩(wěn)定性驗(yàn)算五強(qiáng)溪水電站右消力池底板塊厚d=4m，板塊底面積A=16.124X16m2，板塊混凝土容重Y取24kN/m3，蕾伯克低尾坎高度4m，下游最低通航水位49.1m(相當(dāng)于檢修工況的尾水位，尾水深度7.1m)，板塊下的錨筋間距1?5m，每個(gè)板塊下共布設(shè)121根錨筋，在消力池底板破壞處，錨筋直徑36mm，錨入基巖深度6.3m,每根錨筋的抗拉強(qiáng)度T=180kN.由大量的試驗(yàn)和原型觀測(cè)表明，在堰頂閘門均勻、對(duì)稱、同步開啟的正常運(yùn)行工況下，消力池內(nèi)為穩(wěn)定的水躍，摻氣充分，消能效率高，水流平穩(wěn)，底板上的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值Jp位于29.4-39.2kN/m2.現(xiàn)利用式(18a)、式(20)和式(24)，對(duì)前述4種正常運(yùn)行工況下的板塊穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果由表4給出.由該表可見，在正常運(yùn)行工況下，每塊底板所需的錨筋根數(shù)均小于設(shè)計(jì)根數(shù)121,說明板塊是穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)合理。對(duì)于1996年7月19日的特大洪水，右消力池在閘門非均勻開啟的情況下運(yùn)行，庫(kù)水位113.26m,下游水位67.5m(下游水深為25.5m)，池內(nèi)水流為極不穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)式和波狀水躍，流態(tài)極其惡劣，水流沖擊紊亂劇烈，消力池底板上的脈動(dòng)壓力明顯增大，原型觀測(cè)表明，在水舌沖擊區(qū)底板上的最大脈動(dòng)壓力均方根值可達(dá)158.42kPa.如平均取。p=58.8kN/m2進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于止水未破壞情況(式(18a))，每個(gè)板塊下所需的錨筋根數(shù)為159，對(duì)于止水破壞情況(式(24)),所需的錨筋根數(shù)為204,這些均大于設(shè)計(jì)的錨筋數(shù)121根，因此板塊的破壞是必然的。表4五強(qiáng)溪水電站在正常泄流工況下寬尾墩消力池板塊穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果泄流工況序號(hào)上游水位z"m消力池底板上脈動(dòng)壓力均方根值op/kN/m下游水深ht/m錨筋根數(shù)n式(18a)Kf=1.2錨筋根數(shù)n式(20)Kf=1.0錨筋根數(shù)n式(24)Kf=1.01108.2539.230.89911011122111.6639.234.18911061123113.2639.235.88911081124114.6639.237.1091110112注：(1)在式(18a)中，取滲流折減系數(shù)a=0.10，面脈動(dòng)壓力系數(shù)&=0.5.對(duì)消力池檢修工況式(20)，取a=0.10，下游尾水深度取7.1m.對(duì)于止水破壞工況式(24)，取a=0.05.消力池底高程42.0m.5結(jié)束語(yǔ)通過對(duì)五強(qiáng)溪水電站右消力池底板塊失事分析，可初步得出：對(duì)于板塊的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮板塊止水破壞情況下的最不利運(yùn)行工況；對(duì)于不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求保持閘門均勻、對(duì)稱、同步開啟的非常運(yùn)行工況，要慎重對(duì)待，否則可能會(huì)造成消力池內(nèi)出現(xiàn)極不穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，高速水流沖擊、紊動(dòng)劇烈，底板上紊動(dòng)脈動(dòng)壓力加劇，特別是針對(duì)五強(qiáng)溪水電站右消力池尚未完建，泄流時(shí)在溢流壩反弧段施工臺(tái)階處主流脫離邊界，出現(xiàn)負(fù)壓，造成空蝕；對(duì)于消力池所有底板塊間接縫止水和接縫臺(tái)階須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，對(duì)混凝土底板塊澆筑時(shí)的層間冷縫要妥善處理，以防消力池在極其惡劣的水流條件下運(yùn)行時(shí)，造成底板塊間接縫止水破壞，使脈動(dòng)壓力傳入板塊下的縫隙層中，從而引起板塊揭底破壞或從澆筑時(shí)留下的層間冷縫處揭層破壞。為了防止由于大尺度紊流壓力脈動(dòng)所造成的瞬時(shí)上舉力的破壞作用，文獻(xiàn)［⑶建議采取以下技術(shù)措施：底板所有施工縫加設(shè)止水，防止動(dòng)水壓力進(jìn)入底板下面；條件許可時(shí)，在底板下設(shè)置排水，在不可能自然排走時(shí)，可用抽排，但投資增加；盡量加大每塊混凝土底板的面積；(4)籍助錨筋、鍵槽把底板連接起來，施工縫之間以插筋相連接；盡量