消力池底板塊的失穩(wěn)破壞機(jī)理及其防護(hù)措施

消力池底板塊的失穩(wěn)破壞機(jī)理及其防護(hù)措施劉沛清1,劉心愛2,李福田3（1.北京航空航天大學(xué)流體所2.水利部3.中國水利水電科學(xué)研究院摘要：本文根據(jù)國內(nèi)外一些高壩消力池和水墊塘失事破壞的調(diào)查資料，說明了脈動(dòng)壓力在引起破壞中的作用。從理論上分析了脈動(dòng)壓力的基本特征及其分布規(guī)板塊上脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生機(jī)理論證了脈動(dòng)上舉力是導(dǎo)致消力池底板揭底破壞的主要原因論述了合理設(shè)置止水設(shè)施排水設(shè)施以及錨固措施等對(duì)防止破壞的效果淪了計(jì)入脈動(dòng)荷載的底板塊穩(wěn)定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提供了消力池底板塊的設(shè)計(jì)和防護(hù)參數(shù)。關(guān)鍵詞：消力池，底板塊，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則收稿日期：2000-08-07作者簡(jiǎn)介：劉沛清I960-）,男，山西人，從事流體力學(xué)研究。溢洪道陡槽、消力池和水墊塘底板的破壞事故時(shí)有報(bào)道，些工程甚至常修常壞雖然各工程的破壞原因、范圍和影響程度不盡相同但由一些失事工程的調(diào)查資料表明絕大多數(shù)工程的底板失事屬于板塊揭底破壞，只有少數(shù)工程屬于空蝕破壞見于消力池趾墩和消能墩背后區(qū)域或水流中夾帶雜物沖刷、磨損、撞擊破壞的。與空蝕和沖磨撞擊破壞相比，消力池底板揭底破壞的歷時(shí)短范圍大，常伴隨有整塊底板被水流沖到下游對(duì)這種破壞方式的原因與防護(hù)問題，近年來引起人們的高度重視板塊的揭底破壞機(jī)理復(fù)雜影響因素眾多。諸如，（1）板塊的厚度或其下部錨筋設(shè)置不足，將難以維持板塊自身的穩(wěn)定性而引起臾事板塊底部排水不暢、失效或無排水，則易造成板塊受揚(yáng)壓卷透壓辦浮托力）過大而將其掀起；（3）板塊間接縫方式、止水不良、失效或無止水，將會(huì)使脈動(dòng)壓力自接縫鉆入板塊底部縫隙層中，引起板塊上作用很大的脈動(dòng)上舉力從而將板塊拔起般而言，由滲透壓力或揚(yáng)壓力過大導(dǎo)致板塊失事的情況甚少因?yàn)橐?guī)范的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于揚(yáng)壓力給出的那么，是什么原因能使重達(dá)數(shù)百噸的板塊被水流掀起看來底板上脈動(dòng)壓力的作用是不能忽視的。事實(shí)上，由一些失事工程調(diào)查結(jié)果和大量的模型實(shí)驗(yàn)研究表明，板上的脈動(dòng)壓力是造成板塊破壞的重要原刖在板塊的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中不考慮脈動(dòng)壓力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是不合適的。特別是對(duì)于高水頭泄水建筑物，板塊的防護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮脈動(dòng)壓力的作用。本文主要通過對(duì)一些失事工程的分析和基于模型試驗(yàn)成果點(diǎn)闡明消力池中脈動(dòng)壓力的分布特征、脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生機(jī)理如何導(dǎo)致板塊的揭底破壞以及怎樣進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)等目前的一些熱點(diǎn)問題，以企為板塊的防護(hù)與設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。1國內(nèi)外一些工程溢洪道陡槽或消力池底板塊失事分析1.1卡娜拂俐工程溢洪道karnafuliProject）孟加拉國的Karnafuli工程u,2］是一座土壩，壩高41.2m,1961年建成其溢洪道寬227m,進(jìn)口為寬頂堰下接1：2.5的陡槽，并與長(zhǎng)61.7n、寬227m和深3m的消力池相銜接，設(shè)計(jì)洪水流量8000m/s，陡槽板塊和消力池混凝土底板塊厚0.46^1.5m,并用鋼筋與板塊下的砂巖錨定，板塊下排水管道的出口布置于陡槽末端分流齒處。該溢洪道L961年7月開始運(yùn)行，最大泄流量達(dá)480n3/s（約設(shè)計(jì)流量的20%），同年8月13日在泄流中發(fā)現(xiàn)破壞跡象8月20日關(guān)閘停水，檢查發(fā)現(xiàn)，陡槽末端破壞區(qū)域Wm寬、23m長(zhǎng)。模型試驗(yàn)表明，板塊的失事并非由滲透壓力和揚(yáng)壓力引起，也非由水流中雜物沖擊所全，而是由于水躍中大尺度紊流脈動(dòng)壓力引僦流脈動(dòng)壓力通過排水口進(jìn)入板塊下表面縫隙層中，使作用于板塊上下表面瞬時(shí)壓力差可達(dá)到很大的值，足以將板塊拔起。1.2馬爾巴索工程溢洪道MalpasoProject）墨西哥的馬爾巴索壩渲泄正常洪水的溢洪道⑶，其進(jìn)口為寬頂堰下接陡槽并與長(zhǎng)L00m、寬50m和深26m的消力池相銜接最大水頭118m,設(shè)計(jì)洪水流量3500m/s，校核洪水流量5000m3/s如有必要并在安全條件下最大泄量可達(dá)11000m/s.消力池混凝土底板塊長(zhǎng)2m、寬12m、厚2m，并以12根32mm的鋼筋錨定，各塊之間的伸縮縫用瀝青仔細(xì)充填，陡槽末端布置有排水孔。該溢洪道卸年開始運(yùn)行，至1969年泄量從未超過2500m/s.根據(jù)潛水員檢查，發(fā)現(xiàn)有幾處充填的瀝青被沖走，少數(shù)底板有些輕微剝蝕。1970年曾連續(xù)兩周渲泄流量000m/s，事后檢查發(fā)現(xiàn)消力池底板有較大破壞，破壞范圍達(dá)46%，在陡槽的尾部中央，一些板塊被完全沖走，錨筋被剪斷或被拉斷，重地的整個(gè)底板塊被沖到消力池出口下游是什么使整塊底板被水流拔出并沖到下游？經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和模型試驗(yàn)，排除了由上下游差產(chǎn)生的浮力受水流強(qiáng)烈沖擊以及施工不良等項(xiàng)的可能t最后認(rèn)為板塊失事的主要原因是由水躍中大尺度紊流脈動(dòng)引起由作用于板塊表底面上脈動(dòng)壓力差產(chǎn)生的上舉力造成。1.3劉家峽水電站溢洪道劉家峽溢洪道3],采用陡槽加挑流鼻坎消能，水平長(zhǎng)度2皿挑流鼻坎半徑50m,鼻坎挑角20°。1969年10月泄洪42天，左、中孔全開，泄量240m/s(為設(shè)計(jì)流量的58.4%)，底板發(fā)生突然沖毀事故。事后發(fā)現(xiàn)，在樁號(hào)0m^590m一端范圍內(nèi)有三處底板被水流掀起沖走，板下基巖變質(zhì)巖與紅砂巖交替帶被沖成深坑，最深處達(dá)13m,中間一塊底板被整塊掀起，翻轉(zhuǎn)80。后反壓在下游底板上。事后分析表明，底板塊破壞的主要原因是底板塊橫向接縫處下游面板有一升坎錯(cuò)臺(tái)或板塊間接縫止水板塊底部排水、基礎(chǔ)處理不良，導(dǎo)致脈動(dòng)壓力鉆入板塊底面縫隙層中，造成板塊失穩(wěn)。1.4五強(qiáng)溪水電站右消力池]五強(qiáng)溪水電站位于湖南省沅水上，系沅水十流和湖南省最大的一座水電站，具有發(fā)電、防洪和航運(yùn)等效益整個(gè)樞紐建筑物由河床左側(cè)溢流壩右岸壩后式廠房和左岸三級(jí)船閘組成，壩頂長(zhǎng)7度9.7m最大壩高85.83m壩頂高程117.5m正常蓄水位108.0m設(shè)計(jì)水位(P=0.1%)111.62mT泄總流量約44000m/s，校核水位(P=0.01%)114.7m下泄總流量約54000m/s.電站裝機(jī)容量120萬kW(5臺(tái)機(jī)組).由于沅水峰高量大，且五強(qiáng)溪水庫對(duì)洪水的調(diào)蓄能力有限下泄流量大，泄洪時(shí)上下游水位差約0m,水流Froude數(shù)為3?4，采用“寬尾墩消力池”和“寬尾墩底孔挑流■消力池”新型聯(lián)合泄洪消能方案。壩下消力池被中孔泄槽分隔為左、右消力池，池底高程.0m池尾設(shè)雷伯克坎，高、低坎頂高程分別為51.0m.46.0m尾坎平均高度3.5m,坎后接坡度1/10、長(zhǎng)50m并傾向上游的混凝土海漫。對(duì)于右消力池，池寬72.0m,底板厚度4m,板塊的橫向?qū)挾?6m,縱向長(zhǎng)度不等=15.13?18.6m),平均長(zhǎng)度為16.124m.消力池底板下的基巖由前震旦紀(jì)板溪群砂巖、石英巖、板巖和千枚狀板巖組成，底板下錨筋直徑6mm,錨入基巖深度5.3m,每根錨筋的抗拉強(qiáng)度=180kN錨筋間距1.5m,每個(gè)板塊下共布設(shè)21根錨筋。該工程屬一等工程,1983年初設(shè)報(bào)告審查通過，1991年11月一期工程截流，1994年11月5日下閘蓄水，泄洪底孔向下游供水至發(fā)電996年6月4臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，1996年底第5臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)完建。1996年7月沅水發(fā)生了歷史上特大洪水洪水過程為復(fù)峰，五強(qiáng)溪壩址出現(xiàn)了2次4000n3/s的洪峰，3次超過30000m/s的洪峰。工程在尚未完建的情況下，經(jīng)受了巨大的考驗(yàn)，發(fā)揮了巨大的作用在這次抗洪搶險(xiǎn)中，為了保護(hù)下游桃源、常德及洞庭湖等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)格控制下泄流量不超過00m/s，使庫水位被迫抬高113.26m超出正常蓄水位5.26m接近5000年一遇洪水庫水位，壩下游水位7.5m（5000年一遇下游水位77.88m），再加上工程尚未完建，泄洪設(shè)施不能全部投入正常運(yùn)行，閘門調(diào)度受到種種條件的限制，無法按照設(shè)計(jì)提出的要求做到均勻、同步、對(duì)稱開啟運(yùn)行，致使消力池較長(zhǎng)時(shí)間處于一種十分惡劣的水流運(yùn)行狀態(tài)。洪水過后，經(jīng)查明右消力渥塊消力湎，部分底板塊被水流掀起沖走，基巖沖坑深度超過，威脅大壩的安全，必須進(jìn)行處理。事故分析表明，板塊失事的主要原因是在閘孔非常開啟運(yùn)行翼成消力池內(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，底板上紊流脈動(dòng)壓力加劇使脈動(dòng)壓力傳入板塊下的縫隙層中，在板塊上形成強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉力，從而引起板塊揭底破壞。脈動(dòng)壓力在板塊下縫隙層中傳播可導(dǎo)致板塊揭底破壞同樣，脈動(dòng)壓力在沖坑基巖縫隙中傳播，將會(huì)使基巖沿裂隙或節(jié)理面發(fā)生水力斷5引起基巖解體，形成大的沖坑水墊5】。如，贊比亞的Kariba拱壩⑹下游水墊塘沖坑深度達(dá)5m,10年內(nèi)被沖走的基巖體積達(dá)X105m；巴基斯坦的Tarbela工程，主溢洪道為陡槽挑流鼻坎坎消能，下游沖坑區(qū)最大沖深超過0m,而且尚未達(dá)到極限沖刷深度。2消力池中脈動(dòng)壓力基本特征2.1水躍區(qū)低頻大振幅脈動(dòng)壓力分量的起源眾所周知，水流中不同尺度的紊動(dòng)渦體是脈動(dòng)壓力的產(chǎn)生者。為了說明這一點(diǎn)，作者區(qū)由不可壓縮NS方程得到的脈動(dòng)壓Poisson方程出發(fā)，通過引入紊動(dòng)渦柬=眼礦，將式:1改寫成為:(2)其中，p/為脈動(dòng)壓強(qiáng)；uj為脈動(dòng)速度；七為坐標(biāo)；j為時(shí)均速度；v為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);￡,和￡分別為紊動(dòng)耗散率。即血;板;_du-du-在式(2)中，等號(hào)右邊第一項(xiàng)反映了時(shí)均速度與脈動(dòng)速度之間的相互作用，時(shí)均速度場(chǎng)的變形首先通過這一項(xiàng)使脈動(dòng)壓力發(fā)生了變僻為快速反應(yīng)項(xiàng)，因時(shí)均速度梯度反映了時(shí)均切應(yīng)力項(xiàng)，故也被稱為紊動(dòng)剪切項(xiàng)第二項(xiàng)是由紊動(dòng)渦體引起的此項(xiàng)的主要貢獻(xiàn)者是那些渦量較為集中的低頻大尺度紊動(dòng)渦體，與載能渦的特征密切相關(guān)，是脈動(dòng)壓力低頻分量的主要貢獻(xiàn)者;第三項(xiàng)是由耗散尺度渦引起的，是脈動(dòng)壓力高頻分量的主要貢獻(xiàn)者。如果僅考慮那些對(duì)底板塊失穩(wěn)破壞起主要作用的低頻振幅脈動(dòng)壓力分量則可寫成為:由此說明，脈動(dòng)壓力低頻、大振幅分量的主要貢獻(xiàn)者是由時(shí)均速度場(chǎng)畸變引起的快速反應(yīng)項(xiàng)和由大尺度紊動(dòng)渦體引起的脈動(dòng)速度場(chǎng)自身作用的非線性項(xiàng)。2.2水躍區(qū)脈動(dòng)壓力的分布特征定義水躍區(qū)壁面脈動(dòng)壓力系數(shù)為:

式中，V1為躍首斷面處的平均流速。對(duì)于自由水躍kbari回等給出的Cp沿程分布如圖1所示。顯然，對(duì)于給定的躍首斷面處邊界層發(fā)展p=f(x/hi,Fri)，其中x是由水躍首部起算的距離，hi為躍首斷面處的平均水深，F(xiàn)r1為水躍起始Froude數(shù),.在來流Froude數(shù)為5.2?11.47之間，最大的C值位于躍首1/3水躍長(zhǎng)p度區(qū)，這與Rouse等［10］給出的最大強(qiáng)度區(qū)是吻合的且匕欣值為0.03?0.055；當(dāng)存在尾檻和消力墩時(shí)，匕欲值有所增大，可達(dá)到.083-0.085.對(duì)于淹沒水躍，文獻(xiàn)〔1，12］等給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，顯然淹沒水躍的七欲值一般比自由水躍的四欲值小，但其Cp均水深，F(xiàn)r1為水躍起始Froude數(shù),圖1自由水躍壁面脈動(dòng)壓力系數(shù)分布圖2淹沒水躍壁面脈動(dòng)壓力系數(shù)分布3脈動(dòng)壓力波在縫隙層的傳播、脈動(dòng)上舉力的成因及其對(duì)板塊失穩(wěn)的作用TOC\o"1-5"\h\z3.1脈動(dòng)壓力波在縫隙層中傳播特征脈動(dòng)壓力通過板塊接縫處進(jìn)入板塊底面縫隙％”―八_層中迅速并傳播開來是產(chǎn)生脈動(dòng)上舉力和造成板塊揭底破壞的重要這一事實(shí)匚歹,,二7—丁彥一7早被人們所認(rèn)識(shí)。然而，對(duì)于諸如脈動(dòng)壓力波在板塊底面縫隙中是如何傳播的，必?:一一一己//樣才能在板塊上產(chǎn)生脈動(dòng)上舉枷何預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的最大上舉等等，這些問題///是在近幾年才獲得較有說服力的答案。早期一些學(xué)者認(rèn)為上舉力的產(chǎn)生是由板塊￡gH——f早表、底面上的壓力波相位不同引起的；另一些認(rèn)為是由板塊表、底面流速不同、脈—一■;―f動(dòng)壓力波幅值和相位不同引起的；^arung：i3］等認(rèn)為脈動(dòng)壓力波在縫隙中的傳播類似于水壓機(jī)原理等近年來，F(xiàn)iorotto和Rinaldo"］根據(jù)縫隙中脈動(dòng)壓力變化劇圖3二維瞬變流模型烈和瞬變的特征，把縫內(nèi)脈動(dòng)壓力過程看作為壓力波動(dòng)過程或水力瞬變過程，用一維瞬變流模型定性分析了板塊上脈動(dòng)上舉力的特作者等〔15?18］進(jìn)一步基于一維和二維瞬變流模型，詳細(xì)地分析了單個(gè)板塊縫隙層中脈動(dòng)壓力的傳播機(jī)理，揭示了板塊上脈

動(dòng)上舉力的成因，并導(dǎo)出了可能最大脈動(dòng)上舉力的預(yù)報(bào)公式。特別是基于瞬變流理論，作者提出板塊上脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生，決非是個(gè)相位差的問題，也非水壓機(jī)原理，而是由于板塊表、底兩側(cè)脈動(dòng)壓力波傳播速度不同造成的，現(xiàn)說明如下。圖1自由水躍壁面脈動(dòng)壓力系數(shù)分布圖2淹沒水躍壁面脈動(dòng)壓力系數(shù)分布將實(shí)際板塊下的縫隙視為一縫面層，作者等利用二維瞬變流模型，理論分析和數(shù)值模擬了脈動(dòng)壓力在縫面層中的傳播特仁如圖3所示，設(shè)板塊在x和y方向的尺度為L(zhǎng)x和Ly，在任一瞬時(shí)縫面層內(nèi)脈動(dòng)壓力水頭為（二p'/Y），沿x和y方向的流速分別為加和七則二維瞬變流模型為：(6)(5)⑺根據(jù)縫面層內(nèi)脈動(dòng)壓力的瞬變特征，方程卜7）可簡(jiǎn)化為下列典型的波動(dòng)方程。即(8)如取L=14mL=10mf=5Hza=1000m/s利用顯式有限差分格式分別對(duì)兩種定解問題數(shù)值模擬了板塊底部中點(diǎn)和脈動(dòng)壓）如過程，如圖4所示。圖中p，s表示入口端脈動(dòng)壓力p，e表示出口端脈動(dòng)壓力。由該圖可見，板塊底部中點(diǎn)脈動(dòng)壓力變化過程是一個(gè)劇烈的波動(dòng)過程，在本例中底部脈動(dòng)壓力的主頻率為）^a/（2Lx）=35.7Hz圖中的小峰是由橫向壓力波的傳播引起的入口端脈動(dòng)壓力的頻率4,/相比，底部脈動(dòng)壓力的頻率約為入口端脈動(dòng)壓力頻率(6)(5)⑺根據(jù)縫面層內(nèi)脈動(dòng)壓力的瞬變特征，方程卜7）可簡(jiǎn)化為下列典型的波動(dòng)方程。即(8)如取L=14mL=10mf=5Hza=1000m/s利用顯式有限差分格式分別對(duì)兩種定解問題數(shù)值模擬了板塊底部中點(diǎn)和脈動(dòng)壓）如過程，如圖4所示。圖中p，s表示入口端脈動(dòng)壓力p，e表示出口端脈動(dòng)壓力。由該圖可見，板塊底部中點(diǎn)脈動(dòng)壓力變化過程是一個(gè)劇烈的波動(dòng)過程，在本例中底部脈動(dòng)壓力的主頻率為）^a/（2Lx）=35.7Hz圖中的小峰是由橫向壓力波的傳播引起的入口端脈動(dòng)壓力的頻率4,/相比，底部脈動(dòng)壓力的頻率約為入口端脈動(dòng)壓力頻率（=5Hz的7倍。說明板塊下縫隙中脈動(dòng)壓力的變化是相當(dāng)劇烈的與入口端脈T動(dòng)壓力的關(guān)系既不是簡(jiǎn)單的相位差問題，也非類似水壓機(jī)的傳播特。.仲0.1C.L5{'.3性，而是一個(gè)復(fù)雜的、劇烈變化的壓力波動(dòng)過程。圖4單一板塊底部中點(diǎn)脈動(dòng)壓力變化過程(Vc<10m/s),其數(shù)值上比縫隙內(nèi)脈動(dòng)壓力波傳播速度至少小一個(gè)量級(jí)以上。這樣，因板塊表、底面上的脈動(dòng)壓力波傳播速度不同，在傳播過程中就會(huì)存在時(shí)間滯后效應(yīng)。所以在某一瞬時(shí)，板塊表、底面上的脈動(dòng)壓力波完全有可能是兩個(gè)幾乎互不相獨(dú)立的波形，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大一個(gè)最小的壓力波這就會(huì)在板塊上形成強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉加此提出的可能最大脈動(dòng)上舉力的預(yù)報(bào)公式16］為：其中，Amax為作用于底板塊單位面積的最大脈動(dòng)上舉力，具有壓強(qiáng)的量綱)。p為板塊接縫入口處脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根值LS為臨底渦體的積分尺度L為板塊的尺度;ap為脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明p^l.08.當(dāng)LS>>L時(shí)，式(9)可簡(jiǎn)化為：A尸3op(10)式⑼和(10)已得到試驗(yàn)資料的證實(shí)對(duì)于水墊塘中的淹沒沖擊射流作者給出七一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式［16］為：』=也2#+&85)云耘毛亨(11)其中，u為射流速系數(shù)，u20.75?0.95；H為上下游水位差;q為射流入水單寬流量;g為重力加速度;H1為下游水墊深度。3.3不同頻率分量的脈動(dòng)上舉力對(duì)板塊失穩(wěn)的作用業(yè)已知道，消力池中板塊的失穩(wěn)破壞過程主要經(jīng)歷三個(gè)階段6］。即(1)板塊間的伸縮接縫部分或全部止水破壞。造成的主要原因有：水流的沖擊與來流挾帶砂石顆粒和雜物的磨損碰撞作脈動(dòng)壓力長(zhǎng)期、反復(fù)地對(duì)止水片的交變作用等。(2)高脈動(dòng)壓力波通過板塊止水破壞的接縫處鉆入板塊底面接縫層中，并沿縫隙層迅速傳播開來，導(dǎo)致板塊上不斷地受到劇烈強(qiáng)大的脈動(dòng)上舉力作用在長(zhǎng)期作用下，板塊底面縫隙層不斷地被擴(kuò)張和貫通，最終導(dǎo)致板塊和基巖分割開來，錨筋與基巖松動(dòng)失去傾；與基巖脫離的板塊在水流脈動(dòng)上舉力作用下其失穩(wěn)出穴過程是一個(gè)變幅變頻的隨機(jī)振動(dòng)過程，一般板塊在座穴在振動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，而真正拔出的時(shí)間較短，度所示為作者U8］給出的某一板塊的典型起運(yùn)過程試驗(yàn)表明，板塊的起動(dòng)過程特征與板塊所受的脈動(dòng)上舉力特征密切相關(guān)，一般板塊的起動(dòng)過程主要由高頻小振幅的振動(dòng)和低頻大振幅的振動(dòng)組成。文獻(xiàn):20］利用隨機(jī)振動(dòng)理論系統(tǒng)地研究了板塊的起動(dòng)過程塊的出穴方式主要有垂直拔出和翻轉(zhuǎn)出穴兩種。圖5底板塊失穩(wěn)破壞過程圖6板塊的受力分析為了說明不同頻率分量的脈動(dòng)上舉力在板塊起動(dòng)過程中的作用，作］導(dǎo)出的板塊在座穴內(nèi)振動(dòng)過程的控制方程為如圖6所示)&奈李+.—應(yīng)4.)(12)%.dxi2其中，x(t)為板塊在t時(shí)刻的上拔位移;a為板塊振動(dòng)的阻尼系數(shù)M(t)為單位質(zhì)量板塊上的脈動(dòng)上舉力:已扣除重力.考慮到脈動(dòng)上舉龍(t)的隨機(jī)性，該式實(shí)際上是一個(gè)二階線性常系數(shù)隨機(jī)微分方程現(xiàn)假設(shè)a是常數(shù)，在0-4t時(shí)段對(duì)式(12)積分兩次，得板塊的位移為：xg=FK物寸的F標(biāo)孕(13)上式說明，板塊能否被拔出座穴，不僅僅決定于脈動(dòng)上舉力的振際上基于脈動(dòng)上舉力振幅的靜力平衡條件只是板塊出穴的必要條件，而非充分曜決定于脈動(dòng)上舉力分量在板塊上持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短顯然，對(duì)同一振幅的脈動(dòng)上舉力分量在板塊上持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的對(duì)板塊上拔位移的貢獻(xiàn)大，板塊被拔出的可能性就大；反之，持續(xù)時(shí)間短的對(duì)板塊位移的貢獻(xiàn)也小，板塊被拔出的可能性也小由此說明，促使板塊出穴的主要?jiǎng)恿κ敲}動(dòng)上舉力或脈動(dòng)壓力的低頻、大振幅分量。而那些作用時(shí)間短的高頻大振幅的脈沖荷載對(duì)板塊間止水的破壞破塊與座穴的分割、錨筋的松動(dòng)等起控制作用。4底板塊的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及其防護(hù)措施4.1計(jì)入脈動(dòng)荷載的底板塊穩(wěn)定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則消力池底板塊的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，要是確定底板塊的穩(wěn)定性厚度和板塊與基巖之間的錨筋配置以往的設(shè)計(jì)方法不考慮板塊上的脈動(dòng)荷載而是參照已建類似工程和基巖的地質(zhì)條件確定出底板塊的厚度0(一般不超過3.0?5.0m,但不小于1.0m)，然后由滲透壓力或揚(yáng)壓力配置板塊下的錨筋。顯然，這種不考慮脈動(dòng)荷載的設(shè)計(jì)方法，只適用脈動(dòng)荷載小的小型工程而對(duì)于中、高水頭工程，在底板塊上脈動(dòng)荷載作用較強(qiáng)或起主控作用時(shí)，這種設(shè)計(jì)方法是不合適的，在設(shè)計(jì)中必須計(jì)入脈動(dòng)荷載。根據(jù)“溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范W341-89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)考慮兩種不利工況消力池正常運(yùn)行工況和消力池檢修放空工況。以下說明在正常運(yùn)行工況下，計(jì)入脈動(dòng)荷載的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。(1)板塊接縫止水完好的情況止水作為計(jì)算條件：在消力池正常運(yùn)行工況下，假定消力池底板止水未破壞，但排水失效。此時(shí)，在板塊上的作用力有：板塊的自重，板塊和基巖的錨筋力，板塊下的揚(yáng)壓力，底板上表面的動(dòng)水荷載包括時(shí)均+脈動(dòng)).由板塊受力分析可得板塊的穩(wěn)定性條件為：TOC\o"1-5"\h\z(P-P，)+G+FR-F^0(14)式中，P和P,max分別為板塊上表面的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓^P-PZmax為板塊上表面的瞬時(shí)壓力；G為板塊的重力;F為板塊和基巖的錨筋力；F為板塊下的揚(yáng)壓力二F+F).將式(14)寫成RuSb規(guī)范形式為：K=G+P+F/Fu+P,=G+P+F/F+F+P,(15)fRmaxRSbmax式中：安全系數(shù)f,對(duì)于設(shè)計(jì)工況取1.2，校核工況取1.0.R為滲透壓力，F(xiàn)b為浮托力。對(duì)于塊上的脈動(dòng)壓力一般假定脈動(dòng)壓力符合正態(tài)概率分枷考慮到面脈動(dòng)壓力的均化作用，按下式計(jì)算21］。P，吟=3&OpA(16)式中：。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)面脈動(dòng)壓力p之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)＜1.0)，由試驗(yàn)確定，一般位于.3?0.7之間；A為板塊的底面積。在基巖上利用錨筋加固板塊，目的是防止板塊上拔要求抗拉，不需要承壓，毋需用樁加固)，要求基巖必須是完整、堅(jiān)硬、裂隙發(fā)育不良的。如必要時(shí)也可先對(duì)基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。對(duì)于基巖破碎、節(jié)理發(fā)育的情況，則不能采用錨筋。設(shè)錨筋的長(zhǎng)度為L(zhǎng)m，錨筋的直徑為4,錨筋的間距縱橫甸為b，每塊底板下錨筋的根數(shù)為(n=A/b)，基巖的容重為r，由不使巖石破壞而浮起的條件可得每根錨筋的抗拉強(qiáng)2度為：T=(y—)即(17)其中，Yc=24kN/m，Yr=27kN/m,匕為錨筋的計(jì)算長(zhǎng)度。錨筋實(shí)際長(zhǎng)度為：TOC\o"1-5"\h\zL=L+30d(錨入長(zhǎng)度30d)(18)mcss錨筋直徑為：小符產(chǎn)聲(19)式中：RS為錨筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度(I級(jí)鋼，2.4Xia)；Km為錨筋有效系數(shù)二1.5-2.0),考慮在鉆孔時(shí)可能發(fā)生偏心及孔內(nèi)砂漿收縮對(duì)錨固強(qiáng)度的影響等。檢驗(yàn)錨筋是否被拔出的計(jì)算公式如下。不使錨筋拔出砂漿的計(jì)算式為：T=KT/ndSL聲T(20)式中：Ts為水泥砂漿與鋼筋之間的粘著應(yīng)力一般取(6?8)X10Pa.不使錨筋孔周圍的砂漿與巖石間的接觸面破壞的計(jì)算式為：T=KT/ndCLC^TC(20a)式中：dC=2ds，為鉆孔直徑;TC為砂漿與巖石間的粘著應(yīng)力，一般取?4)X10Pa.一般采用錨筋為19?25，錨筋間暇=1?2m,長(zhǎng)度匕=2?3m.對(duì)于上拔力很大的情況，錨筋可采用30以上的，長(zhǎng)度可達(dá)L=5?6m，或更長(zhǎng)。m(2)板塊接縫止水破壞的情況止水作為安全儲(chǔ)備：由于消力池板塊的失事多數(shù)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。故止水完好作為計(jì)算條件就不合適了而是如同排水一樣作為安全儲(chǔ)備用之。在這種情況下，可假定消力池底板止水破壞，排水失效。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r,板塊下的滲透壓力;（由于止水破壞，無浮托力由板塊表、底面上時(shí)均壓力引起的壓差近似用靜水浮力（二YAd）表示，由脈動(dòng)壓力在板塊底面縫隙層中傳播引起的最大脈動(dòng)上舉力為max（=AmaxA）.根據(jù)受力分析，得板塊的穩(wěn)定性條件曰為：G+F-F-F-F，N0（21）RSSbmax引入安全系麴f（可取1.0?1.1），寫成規(guī)范形式為：K=G+F/F+F+F，=G+F/F+F+AA（22）fRSSbmaxRSSbmax4.2增強(qiáng)消力池底板塊安全穩(wěn)定的措施工程上，為了防止消力池底板揭底破壞采取“堵、錨、排”的工程措施是十分必要的以確保底板塊的安全與穩(wěn)定歸納起來，具體防護(hù)措施3，7,24,25］有：（1）板塊盡量澆筑在新鮮基巖面上以減少板塊底面與基巖之間的接觸縫隙并為適應(yīng)基巖的不均勻沉降和溫度伸縮變形，須在底板設(shè)置縱向水流方向和橫向（垂直于水流方向）伸縮縫（一般縫寬1?2cm），縫的間距常取10?15m不宜超過20m），決定了底板塊的水平尺寸。建議橫縫采用鍵槽縫防止基巖不均勻沉降，縱縫可采用平直縫底板橫縫之間不要留下高上低的錯(cuò)臺(tái)，以防止水流的沖擊。2）在板塊間的接縫處須設(shè)置水平止水，一般布置在板塊臨水面下20?30cm處，以防止高脈動(dòng)壓力的水體被擠壓入板塊底面縫隙層中。對(duì)于中、高水頭工程，常設(shè)雙層止水，一層塑料止水和一層紫銅片止具有柔性大，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，厚度一般為1.0?1.6mm寬度為45?55cm），縫內(nèi)用瀝青充填;對(duì)于小水頭工程，可設(shè)一層止水，可用塑料或橡膠止水帶，也可用瀝青加油毛氈充填。并應(yīng)徹底消除消力池中的施工遺物、碎石等，以防止沖磨、撞壞止水設(shè)施。3）為了加強(qiáng)板塊與基巖之間的整體性，須在板塊底部設(shè)置加固錨筋。錨筋在平面上多呈梅花狀布置4）在消力池底板下設(shè)置排水系統(tǒng)是十分必要的。實(shí)踐表明，排水系統(tǒng)的作用不僅可以有效地減小板塊上的滲透壓力和浮托力時(shí)可大大消弱板塊下縫隙層中脈動(dòng)壓力的傳播與幅值。防止消力池中大尺度紊流壓力脈動(dòng)通過排水孔(冒水孔)進(jìn)入板塊底縫隙層中，從而引起板塊揭底破壞，在消力池tr部池長(zhǎng)區(qū)域(脈動(dòng)壓力峰值區(qū)最好不要在底板上設(shè)置排水孔必要時(shí)可在板下設(shè)置排水管街)當(dāng)?shù)装遢^厚而必需進(jìn)行分層澆筑時(shí)，各分層必需嚴(yán)格按新老混凝土結(jié)合的工藝和工序進(jìn)行施絕對(duì)不能出現(xiàn)層間冷縫，必要時(shí)層間應(yīng)加插筋以保證底板塊的整體性6)不僅要嚴(yán)防消力池底板止水破壞，如果板塊面有裂縫，在水流長(zhǎng)期沖擊下發(fā)展至貫通同樣可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果因此，對(duì)于表面上有裂縫的底板塊也要進(jìn)行妥善處理(7)為了避免消力池內(nèi)因嚴(yán)重的折沖水流導(dǎo)致底板揭底破壞，制定合理的運(yùn)行方式是必要的。5結(jié)束語本文通過對(duì)一些工程消力池底板塊的失事分析，統(tǒng)論述了消力池中脈動(dòng)壓力的基本特征及其分布、板塊上脈動(dòng)上舉力的產(chǎn)生機(jī)理板塊揭底破壞的原因以及合理的防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)購時(shí)進(jìn)一步討論了板塊的防護(hù)措施，以企為板塊的設(shè)計(jì)和防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。參考文獻(xiàn)：BowersCE,TosoJ.KarnafuliprojectmodelstudiesofspillwaydiJigeJ.ofHydr.Engrg.,ASCE,1988,114(5):469-483.BowersCE,TosoJ.ClosuretoKarnafuliprojectmodelstudiesofspillway[^JmlageJ.ofHydr.Engrg.,ASCE,1990,116(6).水利水電泄水工程與高速水流信息網(wǎng)同北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編泄水建筑物的破壞與防[M]。成都：成都科技大學(xué)出版社，1996.劉沛清，高季章，李桂芬。五強(qiáng)溪水電站右消力池底板塊失事分析見水利學(xué)報(bào)，1999,(1)：8-16.劉沛清。挑射水流對(duì)巖石河床的沖刷機(jī)理研究][。清華大學(xué)，1994.NovakP.Developmentsinhydraulicengineering-2[M]。ElsevierAppliedSciencePublishers,LONDONandNEWYORK,1984:217-218.LoweJ,ChaoPC,LueckerAR.Tarbelaservicespillwayplungepooldevelopment]」]。WaterPowerandDamConstruction,1979,10:85-90.劉沛清，李福田。在水墊塘內(nèi)淹沒沖擊射流中的大尺度渦結(jié)