消力池底板塊的失穩(wěn)破壞機理及其防護措施

消力池底板塊的失穩(wěn)破壞機理及其防護措施劉沛清1,劉心愛2,李福田3（1.北京航空航天大學流體所2.水利部3.中國水利水電科學研究院摘要：本文根據(jù)國內外一些高壩消力池和水墊塘失事破壞的調查資料，說明了脈動壓力在引起破壞中的作用。從理論上分析了脈動壓力的基本特征及其分布規(guī)板塊上脈動上舉力的產生機理論證了脈動上舉力是導致消力池底板揭底破壞的主要原因論述了合理設置止水設施排水設施以及錨固措施等對防止破壞的效果淪了計入脈動荷載的底板塊穩(wěn)定性設計準則，提供了消力池底板塊的設計和防護參數(shù)。關鍵詞：消力池，底板塊，設計準則收稿日期：2000-08-07作者簡介：劉沛清I960-）,男，山西人，從事流體力學研究。溢洪道陡槽、消力池和水墊塘底板的破壞事故時有報道，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短范圍大，常伴隨有整塊底板被水流沖到下游對這種破壞方式的原因與防護問題，近年來引起人們的高度重視板塊的揭底破壞機理復雜影響因素眾多。諸如，（1）板塊的厚度或其下部錨筋設置不足，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，將會使脈動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上舉力從而將板塊拔起般而言，由滲透壓力或揚壓力過大導致板塊失事的情況甚少因為規(guī)范的設計準則是基于揚壓力給出的那么，是什么原因能使重達數(shù)百噸的板塊被水流掀起看來底板上脈動壓力的作用是不能忽視的。事實上，由一些失事工程調查結果和大量的模型實驗研究表明，板上的脈動壓力是造成板塊破壞的重要原刖在板塊的穩(wěn)定性設計中不考慮脈動壓力的設計準則是不合適的。特別是對于高水頭泄水建筑物，板塊的防護設計必須考慮脈動壓力的作用。本文主要通過對一些失事工程的分析和基于模型試驗成果點闡明消力池中脈動壓力的分布特征、脈動上舉力的產生機理如何導致板塊的揭底破壞以及怎樣進行防護設計等目前的一些熱點問題，以企為板塊的防護與設計提供科學依據(jù)。1國內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,進口為寬頂堰下接1：2.5的陡槽，并與長61.7n、寬227m和深3m的消力池相銜接，設計洪水流量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月開始運行，最大泄流量達480n3/s（約設計流量的20%），同年8月13日在泄流中發(fā)現(xiàn)破壞跡象8月20日關閘停水，檢查發(fā)現(xiàn)，陡槽末端破壞區(qū)域Wm寬、23m長。模型試驗表明，板塊的失事并非由滲透壓力和揚壓力引起，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壓力引僦流脈動壓力通過排水口進入板塊下表面縫隙層中，使作用于板塊上下表面瞬時壓力差可達到很大的值，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，其進口為寬頂堰下接陡槽并與長L00m、寬50m和深26m的消力池相銜接最大水頭118m,設計洪水流量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11000m/s.消力池混凝土底板塊長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充填，陡槽末端布置有排水孔。該溢洪道卸年開始運行，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？經現(xiàn)場檢查和模型試驗，排除了由上下游差產生的浮力受水流強烈沖擊以及施工不良等項的可能t最后認為板塊失事的主要原因是由水躍中大尺度紊流脈動引起由作用于板塊表底面上脈動壓力差產生的上舉力造成。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(為設計流量的58.4%)，底板發(fā)生突然沖毀事故。事后發(fā)現(xiàn)，在樁號0m^590m一端范圍內有三處底板被水流掀起沖走，板下基巖變質巖與紅砂巖交替帶被沖成深坑，最深處達13m,中間一塊底板被整塊掀起，翻轉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臺或板塊間接縫止水板塊底部排水、基礎處理不良，導致脈動壓力鉆入板塊底面縫隙層中，造成板塊失穩(wěn)。1.4五強溪水電站右消力池]五強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、防洪和航運等效益整個樞紐建筑物由河床左側溢流壩右岸壩后式廠房和左岸三級船閘組成，壩頂長7度9.7m最大壩高85.83m壩頂高程117.5m正常蓄水位108.0m設計水位(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.電站裝機容量120萬kW(5臺機組).由于沅水峰高量大，且五強溪水庫對洪水的調蓄能力有限下泄流量大，泄洪時上下游水位差約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50m并傾向上游的混凝土海漫。對于右消力池，池寬72.0m,底板厚度4m,板塊的橫向寬度16m,縱向長度不等=15.13?18.6m),平均長度為16.124m.消力池底板下的基巖由前震旦紀板溪群砂巖、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,每根錨筋的抗拉強度=180kN錨筋間距1.5m,每個板塊下共布設21根錨筋。該工程屬一等工程,1983年初設報告審查通過，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臺機組投入運行，1996年底第5臺機組投產完建。1996年7月沅水發(fā)生了歷史上特大洪水洪水過程為復峰，五強溪壩址出現(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，經受了巨大的考驗，發(fā)揮了巨大的作用在這次抗洪搶險中，為了保護下游桃源、常德及洞庭湖等經濟發(fā)達地區(qū)人民的生命財產安全，嚴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，泄洪設施不能全部投入正常運行，閘門調度受到種種條件的限制，無法按照設計提出的要求做到均勻、同步、對稱開啟運行，致使消力池較長時間處于一種十分惡劣的水流運行狀態(tài)。洪水過后，經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行翼成消力池內出現(xiàn)極不穩(wěn)定的遠驅式水躍，高速水流沖擊、紊動劇烈，底板上紊流脈動壓力加劇使脈動壓力傳入板塊下的縫隙層中，在板塊上形成強大的脈動上舉力，從而引起板塊揭底破壞。脈動壓力在板塊下縫隙層中傳播可導致板塊揭底破壞同樣，脈動壓力在沖坑基巖縫隙中傳播，將會使基巖沿裂隙或節(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5m,10年內被沖走的基巖體積達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,而且尚未達到極限沖刷深度。2消力池中脈動壓力基本特征2.1水躍區(qū)低頻大振幅脈動壓力分量的起源眾所周知，水流中不同尺度的紊動渦體是脈動壓力的產生者。為了說明這一點，作者區(qū)由不可壓縮NS方程得到的脈動壓Poisson方程出發(fā)，通過引入紊動渦柬=眼礦，將式:1改寫成為:(2)其中，p/為脈動壓強；uj為脈動速度；七為坐標；j為時均速度；v為水的運動粘性系數(shù);￡,和￡分別為紊動耗散率。即血;板;_du-du-在式(2)中，等號右邊第一項反映了時均速度與脈動速度之間的相互作用，時均速度場的變形首先通過這一項使脈動壓力發(fā)生了變僻為快速反應項，因時均速度梯度反映了時均切應力項，故也被稱為紊動剪切項第二項是由紊動渦體引起的此項的主要貢獻者是那些渦量較為集中的低頻大尺度紊動渦體，與載能渦的特征密切相關，是脈動壓力低頻分量的主要貢獻者;第三項是由耗散尺度渦引起的，是脈動壓力高頻分量的主要貢獻者。如果僅考慮那些對底板塊失穩(wěn)破壞起主要作用的低頻振幅脈動壓力分量則可寫成為:由此說明，脈動壓力低頻、大振幅分量的主要貢獻者是由時均速度場畸變引起的快速反應項和由大尺度紊動渦體引起的脈動速度場自身作用的非線性項。2.2水躍區(qū)脈動壓力的分布特征定義水躍區(qū)壁面脈動壓力系數(shù)為:

式中，V1為躍首斷面處的平均流速。對于自由水躍kbari回等給出的Cp沿程分布如圖1所示。顯然，對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p度區(qū)，這與Rouse等［10］給出的最大強度區(qū)是吻合的且匕欣值為0.03?0.055；當存在尾檻和消力墩時，匕欲值有所增大，可達到.083-0.085.對于淹沒水躍，文獻〔1，12］等給出的實驗結果如圖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自由水躍壁面脈動壓力系數(shù)分布圖2淹沒水躍壁面脈動壓力系數(shù)分布3脈動壓力波在縫隙層的傳播、脈動上舉力的成因及其對板塊失穩(wěn)的作用TOC\o"1-5"\h\z3.1脈動壓力波在縫隙層中傳播特征脈動壓力通過板塊接縫處進入板塊底面縫隙％”―八_層中迅速并傳播開來是產生脈動上舉力和造成板塊揭底破壞的重要這一事實匚歹,,二7—丁彥一7早被人們所認識。然而，對于諸如脈動壓力波在板塊底面縫隙中是如何傳播的，必?:一一一己//樣才能在板塊上產生脈動上舉枷何預報可能出現(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。早期一些學者認為上舉力的產生是由板塊￡gH——f早表、底面上的壓力波相位不同引起的；另一些認為是由板塊表、底面流速不同、脈—一■;―f動壓力波幅值和相位不同引起的；^arung：i3］等認為脈動壓力波在縫隙中的傳播類似于水壓機原理等近年來，F(xiàn)iorotto和Rinaldo"］根據(jù)縫隙中脈動壓力變化劇圖3二維瞬變流模型烈和瞬變的特征，把縫內脈動壓力過程看作為壓力波動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上舉力的特作者等〔15?18］進一步基于一維和二維瞬變流模型，詳細地分析了單個板塊縫隙層中脈動壓力的傳播機理，揭示了板塊上脈

動上舉力的成因，并導出了可能最大脈動上舉力的預報公式。特別是基于瞬變流理論，作者提出板塊上脈動上舉力的產生，決非是個相位差的問題，也非水壓機原理，而是由于板塊表、底兩側脈動壓力波傳播速度不同造成的，現(xiàn)說明如下。圖1自由水躍壁面脈動壓力系數(shù)分布圖2淹沒水躍壁面脈動壓力系數(shù)分布將實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)值模擬了脈動壓力在縫面層中的傳播特仁如圖3所示，設板塊在x和y方向的尺度為Lx和Ly，在任一瞬時縫面層內脈動壓力水頭為（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)縫面層內脈動壓力的瞬變特征，方程卜7）可簡化為下列典型的波動方程。即(8)如取L=14mL=10mf=5Hza=1000m/s利用顯式有限差分格式分別對兩種定解問題數(shù)值模擬了板塊底部中點和脈動壓）如過程，如圖4所示。圖中p，s表示入口端脈動壓力p，e表示出口端脈動壓力。由該圖可見，板塊底部中點脈動壓力變化過程是一個劇烈的波動過程，在本例中底部脈動壓力的主頻率為）^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壓力的頻率4,/相比，底部脈動壓力的頻率約為入口端脈動壓力頻率(6)(5)⑺根據(jù)縫面層內脈動壓力的瞬變特征，方程卜7）可簡化為下列典型的波動方程。即(8)如取L=14mL=10mf=5Hza=1000m/s利用顯式有限差分格式分別對兩種定解問題數(shù)值模擬了板塊底部中點和脈動壓）如過程，如圖4所示。圖中p，s表示入口端脈動壓力p，e表示出口端脈動壓力。由該圖可見，板塊底部中點脈動壓力變化過程是一個劇烈的波動過程，在本例中底部脈動壓力的主頻率為）^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壓力的頻率4,/相比，底部脈動壓力的頻率約為入口端脈動壓力頻率（=5Hz的7倍。說明板塊下縫隙中脈動壓力的變化是相當劇烈的與入口端脈T動壓力的關系既不是簡單的相位差問題，也非類似水壓機的傳播特。.仲0.1C.L5{'.3性，而是一個復雜的、劇烈變化的壓力波動過程。圖4單一板塊底部中點脈動壓力變化過程(Vc<10m/s),其數(shù)值上比縫隙內脈動壓力波傳播速度至少小一個量級以上。這樣，因板塊表、底面上的脈動壓力波傳播速度不同，在傳播過程中就會存在時間滯后效應。所以在某一瞬時，板塊表、底面上的脈動壓力波完全有可能是兩個幾乎互不相獨立的波形，可能會出現(xiàn)一個最大一個最小的壓力波這就會在板塊上形成強大的脈動上舉加此提出的可能最大脈動上舉力的預報公式16］為：其中，Amax為作用于底板塊單位面積的最大脈動上舉力，具有壓強的量綱)。p為板塊接縫入口處脈動壓強的均方根值LS為臨底渦體的積分尺度L為板塊的尺度;ap為脈動壓強系數(shù)，實驗表明p^l.08.當LS>>L時，式(9)可簡化為：A尸3op(10)式⑼和(10)已得到試驗資料的證實對于水墊塘中的淹沒沖擊射流作者給出七一個經驗公式［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上舉力對板塊失穩(wěn)的作用業(yè)已知道，消力池中板塊的失穩(wěn)破壞過程主要經歷三個階段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壓力長期、反復地對止水片的交變作用等。(2)高脈動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，導致板塊上不斷地受到劇烈強大的脈動上舉力作用在長期作用下，板塊底面縫隙層不斷地被擴張和貫通，最終導致板塊和基巖分割開來，錨筋與基巖松動失去傾；與基巖脫離的板塊在水流脈動上舉力作用下其失穩(wěn)出穴過程是一個變幅變頻的隨機振動過程，一般板塊在座穴在振動的時間較長，而真正拔出的時間較短，度所示為作者U8］給出的某一板塊的典型起運過程試驗表明，板塊的起動過程特征與板塊所受的脈動上舉力特征密切相關，一般板塊的起動過程主要由高頻小振幅的振動和低頻大振幅的振動組成。文獻:20］利用隨機振動理論系統(tǒng)地研究了板塊的起動過程塊的出穴方式主要有垂直拔出和翻轉出穴兩種。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上舉力在板塊起動過程中的作用，作］導出的板塊在座穴內振動過程的控制方程為如圖6所示)&奈李+.—應4.)(12)%.dxi2其中，x(t)為板塊在t時刻的上拔位移;a為板塊振動的阻尼系數(shù)M(t)為單位質量板塊上的脈動上舉力:已扣除重力.考慮到脈動上舉龍(t)的隨機性，該式實際上是一個二階線性常系數(shù)隨機微分方程現(xiàn)假設a是常數(shù)，在0-4t時段對式(12)積分兩次，得板塊的位移為：xg=FK物寸的F標孕(13)上式說明，板塊能否被拔出座穴，不僅僅決定于脈動上舉力的振際上基于脈動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上舉力分量在板塊上持續(xù)的時間長短顯然，對同一振幅的脈動上舉力分量在板塊上持續(xù)時間長的對板塊上拔位移的貢獻大，板塊被拔出的可能性就大；反之，持續(xù)時間短的對板塊位移的貢獻也小，板塊被拔出的可能性也小由此說明，促使板塊出穴的主要動力是脈動上舉力或脈動壓力的低頻、大振幅分量。而那些作用時間短的高頻大振幅的脈沖荷載對板塊間止水的破壞破塊與座穴的分割、錨筋的松動等起控制作用。4底板塊的穩(wěn)定性設計及其防護措施4.1計入脈動荷載的底板塊穩(wěn)定性設計準則消力池底板塊的穩(wěn)定性設計，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計方法不考慮板塊上的脈動荷載而是參照已建類似工程和基巖的地質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壓力配置板塊下的錨筋。顯然，這種不考慮脈動荷載的設計方法，只適用脈動荷載小的小型工程而對于中、高水頭工程，在底板塊上脈動荷載作用較強或起主控作用時，這種設計方法是不合適的，在設計中必須計入脈動荷載。根據(jù)“溢洪道設計規(guī)范W341-89消力池底板的穩(wěn)定性設計可由最不利運行工況下板塊的受力分析給出一般底板的設計至少應考慮兩種不利工況消力池正常運行工況和消力池檢修放空工況。以下說明在正常運行工況下，計入脈動荷載的設計準則。(1)板塊接縫止水完好的情況止水作為計算條件：在消力池正常運行工況下，假定消力池底板止水未破壞，但排水失效。此時，在板塊上的作用力有：板塊的自重，板塊和基巖的錨筋力，板塊下的揚壓力，底板上表面的動水荷載包括時均+脈動).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均壓力和脈動壓^P-PZmax為板塊上表面的瞬時壓力；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,對于設計工況取1.2，校核工況取1.0.R為滲透壓力，F(xiàn)b為浮托力。對于塊上的脈動壓力一般假定脈動壓力符合正態(tài)概率分枷考慮到面脈動壓力的均化作用，按下式計算21］。P，吟=3&OpA(16)式中：。為脈動壓力均方根值，可由模型試驗或有關經驗公式給出估算為點面脈動壓力p之間的轉換系數(shù)＜1.0)，由試驗確定，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、堅硬、裂隙發(fā)育不良的。如必要時也可先對基巖進行固結灌漿處理。對于基巖破碎、節(jié)理發(fā)育的情況，則不能采用錨筋。設錨筋的長度為Lm，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2度為：T=(y—)即(17)其中，Yc=24kN/m，Yr=27kN/m,匕為錨筋的計算長度。錨筋實際長度為：TOC\o"1-5"\h\zL=L+30d(錨入長度30d)(18)mcss錨筋直徑為：小符產聲(19)式中：RS為錨筋的設計強度(I級鋼，2.4Xia)；Km為錨筋有效系數(shù)二1.5-2.0),考慮在鉆孔時可能發(fā)生偏心及孔內砂漿收縮對錨固強度的影響等。檢驗錨筋是否被拔出的計算公式如下。不使錨筋拔出砂漿的計算式為：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力，一般取?4)X10Pa.一般采用錨筋為19?25，錨筋間暇=1?2m,長度匕=2?3m.對于上拔力很大的情況，錨筋可采用30以上的，長度可達L=5?6m，或更長。m(2)板塊接縫止水破壞的情況止水作為安全儲備：由于消力池板塊的失事多數(shù)是由于板塊間止水破壞，脈動壓力通過接縫處進入板塊底面縫隙層中引起板塊上作用著強大的脈動上舉力，導致板塊揭底破壞。故止水完好作為計算條件就不合適了而是如同排水一樣作為安全儲備用之。在這種情況下，可假定消力池底板止水破壞，排水失效。此時，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、底面上時均壓力引起的壓差近似用靜水浮力（二YAd）表示，由脈動壓力在板塊底面縫隙層中傳播引起的最大脈動上舉力為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基巖的不均勻沉降和溫度伸縮變形，須在底板設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臺，以防止水流的沖擊。2）在板塊間的接縫處須設置水平止水，一般布置在板塊臨水面下20?30cm處，以防止高脈動壓力的水體被擠壓入板塊底面縫隙層中。對于中、高水頭工程，常設雙層止水，一層塑料止水和一層紫銅片止具有柔性大，適應變形能力強，厚度一般為1.0?1.6mm寬度為45?55cm），縫內用瀝青充填;對于小水頭工程，可設一層止水，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、撞壞止水設施。3）為了加強板塊與基巖之間的整體性，須在板塊底部設置加固錨筋。錨筋在平面上多呈梅花狀布置4）在消力池底板下設置排水系統(tǒng)是十分必要的。實踐表明，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可大大消弱板塊下縫隙層中脈動壓力的傳播與幅值。防止消力池中大尺度紊流壓力脈動通過排水孔(冒水孔)進入板塊底縫隙層中，從而引起板塊揭底破壞，在消力池tr部池長區(qū)域(脈動壓力峰值區(qū)最好不要在底板上設置排水孔必要時可在板下設置排水管街)當?shù)装遢^厚而必需進行分層澆筑時，各分層必需嚴格按新老混凝土結合的工藝和工序進行施絕對不能出現(xiàn)層間冷縫，必要時層間應加插筋以保證底板塊的整體性6)不僅要嚴防消力池底板止水破壞，如果板塊面有裂縫，在水流長期沖擊下發(fā)展至貫通同樣可導致嚴重的后果因此，對于表面上有裂縫的底板塊也要進行妥善處理(7)為了避免消力池內因嚴重的折沖水流導致底板揭底破壞，制定合理的運行方式是必要的。5結束語本文通過對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壓力的基本特征及其分布、板塊上脈動上舉力的產生機理板塊揭底破壞的原因以及合理的防護設計準購時進一步討論了板塊的防護措施，以企為板塊的設計和防護提供科學依據(jù)。參考文獻：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同北勘測設計研究院編泄水建筑物的破壞與防[M]。成都：成都科技大學出版社，1996.劉沛清，高季章，李桂芬。五強溪水電站右消力池底板塊失事分析見水利學報，1999,(1)：8-16.劉沛清。挑射水流對巖石河床的沖刷機理研究][。清華大學，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。在水墊塘內淹沒沖擊射流中的大尺度渦結