止水破壞情況下消力池護坦抗浮穩(wěn)定分析

止水破壞情況下消力池護坦抗浮穩(wěn)定分析

1工程消能工水毀事故的原因分析國內(nèi)外許多項目的溢流槽、消力池和彈簧池地板經(jīng)常受到破壞，一些項目經(jīng)常受到破壞。通過對許多工程消能工水毀事件調(diào)查表明,混凝土板塊失事主要表現(xiàn)為失穩(wěn)破壞,是什么原因使重達數(shù)百噸的板塊被水流掀起?是什么原因使有的工程下游水墊塘沖坑深度達85m?基于規(guī)范的設計準則很難解釋,對于這種破壞原因近年來引起人們的高度重視并進行研究,有關(guān)資料對一些消能工破壞事故分析進行了統(tǒng)計,如孟加拉國的卡娜拂利工程溢洪道(KarnafuliProject)、墨西哥馬爾巴索工程溢洪道(MalpasoProject)、劉家峽水電站溢洪道、五強溪水電站右消力池,這些工程事故分析均表明,板塊的失事是由于水流脈動壓力傳入板塊底面縫隙層中,形成強大的脈動上舉力致使板塊失穩(wěn)。同時有研究表明,在挑流和跌流消能中,水舌對水墊塘護坦板的破壞最早失穩(wěn)的不是在沖擊區(qū),而是在其下游的水躍漩滾區(qū),導致板塊破壞的不是沖擊動水壓力而是脈動上舉力。根據(jù)對許多工程消能工水毀事件的調(diào)查分析和有關(guān)科技攻關(guān)成果,我們可以知道,致使板塊失穩(wěn)的主要荷載是脈動上舉力。由此可見,設計過程中應了解脈動上舉力的產(chǎn)生機理及其是如何對板塊的進行破壞,以確保消力池設計更趨科學和合理。2板塊上的脈動壓力波的傳播特征消力池中的水躍,水流由急流突變?yōu)榫徚?其水流運動具強烈的分離、擴散和摻混作用,水流中不同尺度的紊動渦體是脈動壓力的產(chǎn)生者,脈動壓力的特性極其復雜,但人們已認識到脈動壓力在板塊接縫處或裂隙處進入板塊底面縫隙層中迅速傳播開來是產(chǎn)生脈動上舉力和造成板塊失穩(wěn)的重要原因。關(guān)于脈動上舉力的產(chǎn)生機理,有學者基于瞬變流理論研究認為,由于脈動壓力在板塊下縫隙層中的傳播速度很大,一般波速C=102～103m/s,而板塊上表面的脈動壓力傳播速度應與水流的特征速度(或為載能渦的運移速度)同量級(Vc<10m/s),其數(shù)值上比縫隙內(nèi)脈動壓力波的傳播速度至少小一個量級以上,這樣,因板塊表面和底面上的脈動壓力波傳播不同,在傳播過程中就會存在時間滯后效應,所以在某一瞬時,板塊表面和底面上的脈動壓力波完全有可能是兩個幾乎不相關(guān)、獨立的波形,可能會出現(xiàn)一個最大和一個最小的壓力波,這就會在板塊上形成強大的脈動上舉力。水流的沖擊與水流中挾帶物對止水片的磨損碰撞,以及脈動壓力長期、反復地對止水片的交變作用,對止水造成破壞,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,導致板塊不斷受到劇烈、強大的脈動上舉力作用,在上舉力長期作用下,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裂開來,錨筋和基巖松動并失去作用,最終導致板塊的失穩(wěn)。3護坦頂抗浮穩(wěn)定計算的文獻記載現(xiàn)行《溢洪道設計規(guī)范》(SL253-2000)對消力池護坦的抗浮穩(wěn)定分析,對脈動壓力的作用是考慮護坦頂面上的脈動壓力,是基于止水完好(或不存在貫通至板底的孔口、裂縫等)情況下考慮的,而根據(jù)有關(guān)分析及科研成果表明,脈動壓力通過接縫處鉆入板塊底面形成強大的脈動上舉力從而造成護坦的失穩(wěn)破壞。因此,對于止水破壞(或存在貫通至板底的孔口、裂縫等)情況下,護坦的穩(wěn)定計算采用規(guī)范中的公式欠妥,在此種情況下,消力池護坦的穩(wěn)定分析關(guān)鍵是確定脈動上舉力的大小。有分析資料通過理論分析并經(jīng)試驗證實,作用于底板塊單位面積的最大脈動上舉力的預報公式為:Amax=3σp√1+α2p(LsL)2Amax=3σp1+α2p(LsL)2??????????√式中:Amax——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(N/m2);σp——板塊接縫入口處脈動壓強的均方根值;Ls——臨底渦體的積分尺度;L——板塊的尺寸;αp——脈動壓強系數(shù),實驗表明αp≈1.08。當Ls>L時,則上式可簡化為:Amax≈3σp同時,對板面上的脈動壓力,一般假定脈動壓力符合正態(tài)概率分布,并考慮到面脈動壓力的均化作用,有研究資料列舉下式計算:Pmax=3ξ·σp·A式中:Pmax——板塊上表面的脈動壓力;ξ——為點面脈動壓力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);σp——板塊接縫入口處脈動壓強的均方根值;A——板塊的底面積。根據(jù)《溢洪道設計規(guī)范》(SL253-2000),作用于護坦頂面上的脈動壓力按下式計算:Q1=±βm·Pfr·A式中:Q1——脈動壓力(N);Pfr——脈動壓強(Ν/m2)?Ρfr=3ΚpρwV22(N/m2)?Pfr=3KpρwV22;A——作用面積;βm——面積均化系數(shù);Kp——脈動壓強系數(shù);ρw——水的密度(kg/m3);V——相應設計狀況下水流計算斷面的平均流速(m/s),可根據(jù)水流條件確定。因此,根據(jù)資料提出的脈動上舉力及資料提出的護坦頂面上的計算公式,我們根據(jù)《溢洪道設計規(guī)范》(SL253-2000)推導出脈動上舉力的表達式為:F=Pfr·A式中:F——作用在一定面積底板上的上舉力。根據(jù)以上分析,參照規(guī)范對止水破壞情況下存在脈動上舉力的消力池護坦抗浮穩(wěn)定擬定計算式為:Κf=Ρ1+Ρ2+Ρ3F+Q2式中:P1——護坦自重;P2——護坦頂面上的時均壓力;P3——錨固地基的有效重量;F——護坦上的脈動上舉力;Q2——護坦底面上的揚壓力;對于P1、P2、P3、Q2按《溢洪道設計規(guī)范》(SL253-2000)的公式計算。4下游流質(zhì)及水位某工程為岸邊式溢洪道,設計洪水位為59.10m,相應下泄流量為155m3/s,溢流凈寬30m,相應下游水深為2.3m。消力池護坦頂高程30.2m,護坦厚1.0m,錨筋按梅花形布置,間距為2.5m,錨筋直徑為Φ25,錨入基巖厚度為3m,護坦按10m×10m分縱橫縫。4.1護坦抗浮穩(wěn)定驗算在止水完好情況下,消力池護坦的抗浮穩(wěn)定計算按《溢洪道設計規(guī)范》(SL253-2000)的計算公式進行,其中脈動壓力的計算中,KP取0.05,βm取0.46進行,求得:Ρfr=3ΚpρwV22=27.65kΝ/m2Q1=βm?Ρfr?A=1271.9kΝ其余計算得P1=2500kN、P2=2042.8kN、P3=1570kN、Q2=3600kN。根據(jù)以上計算,求得護坦抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.25>[K]=1.0～1.2。由此可見,在止水完好情況下,消力池護坦的抗浮穩(wěn)定滿足要求。4.2消力池護坦上止水破壞在止水破壞情況下,消力池護坦的抗浮穩(wěn)定中應考慮脈動上舉力的作用,計算中脈動上舉力采用F=Pfr·A,則F=2765kN,(其余作用力大小同前)。由此得出該情況下消力池護坦的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Κ′=Ρ1+Ρ2+Ρ3F+Q2=0.96由此可見,當消力池護坦上止水破壞后,其抗浮穩(wěn)定則不滿足要求。根據(jù)分析,當消力池收縮斷面的平均流速達到25m/s時,止水完好與止水破壞情況下護坦的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)分別降為1.06和0.74,可見隨著作用水頭的增大,脈動上舉力的作用越明顯,甚至起控制作用。5動力池的設置,主要考慮到了本區(qū)域的基對許多消能工水毀事件的分析及有關(guān)科技攻關(guān)成果表明,致使板塊失穩(wěn)的主要荷載是脈動上舉力,為增強消力池護坦的安全和穩(wěn)定,應根據(jù)脈動上舉力的產(chǎn)生機理和對板塊的破壞形式做好消力池護坦的防護。(1)脈動壓力通過可貫通板塊底部的通道進入板塊底面產(chǎn)生脈動上舉力,而且根據(jù)資料表明,在消力池首部1/3池長區(qū)域內(nèi)為脈動壓力峰值區(qū),為防止高強脈動壓力進入板塊底部,而形成強大脈動上舉力對板塊的破壞,應切實做好該區(qū)域內(nèi)的伸縮縫止水,并防止護坦不均勻沉降裂縫及溫度縫的產(chǎn)生。有些工程為減小護坦上揚壓力的作用,在消力池首部護坦上設置明排水孔,而根據(jù)脈動上舉力的產(chǎn)生機理,則應慎重考慮穿過護坦的明排水孔的設置(考慮滲透壓力的降幅與脈動上舉力的大小比值)。根據(jù)有關(guān)資料分析,排水系統(tǒng)不僅可以有效地減少作用于護坦上的滲透壓力,同時可以大大消弱板塊下縫隙層中脈動壓力的傳播與幅值,因此,在護坦下設置排水溝(管)對護坦的穩(wěn)定有利。(2)脈動上舉力通過不斷反復、劇烈地作用于板塊,使板塊底面縫隙層不斷擴張和貫通,最終導致板塊和基巖分割開來,使錨筋和基巖松動失去作用最終導致失穩(wěn),因此錨筋的設置應充分考慮脈動上舉力的作用特性;同時為加強板塊間的整體