戴明亮

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 工程失事概況

安徽省黃山市新安江湖邊水利樞紐于2010年11月30日開始蓄水，上游水位到達門頂開始溢流，其中4號孔(自左岸至右岸編號)閘門開啟角度34度，放水4d，其余閘門直立未開啟。2010年11月27日檢查發(fā)現(xiàn)，4號孔下游消力池底板斜坡段失穩(wěn)浮起。

2 原因分析

經現(xiàn)場踏勘，結合模型試驗分析，下游消力池斜坡段發(fā)生失穩(wěn)，可能是多方面因素造成的，擬從消力池抗浮穩(wěn)定、水流沖擊力、地基松軟等因素進行系統(tǒng)分析。

2.1 抗浮穩(wěn)定分析

工況1：排水失效，防滲墻、鋪蓋發(fā)揮作用。在斜坡底板的水壓力水頭為116.47m，大于115.3m，抗浮不夠。

工況2：防滲墻失效，鋪蓋、排水均發(fā)揮作用。斜坡底壓力為115.21m，斜坡底板抗浮穩(wěn)定。

工況3：鋪蓋、防滲墻、排水均失效。鋪蓋、防滲墻、排水均失效，斜坡底壓力為117.81m，抗浮不夠。

3種工況下的滲流位勢圖如圖1所示。

圖1 3種工況下的滲流位勢圖(單位：m)

根據(jù)以上滲流計算成果，得出以下結論：

斜坡底板厚度0.6m，若不考慮脈動水壓力，可承擔的水頭為0.818m，下游水位114.5m時，在斜坡底板下水壓力水頭小于15.3m時，抗浮是穩(wěn)定的；設計工況、不過流時，斜坡段底板下壓力水頭為114.85m，是穩(wěn)定的；下游排水效果對斜坡抗浮穩(wěn)定影響大，當排水不暢時，抗浮是不穩(wěn)定的。

2.2 水流沖擊分析

(1)沖擊應力分析

鋼壩閘第4孔開度34度，放水4d。閘門開度為，門頂下降高度為0.95m，按水位122.4m，過流量為2m3/(s/m)，流速為2m/s。按平拋運動計算的水流模型圖如圖2所示。

圖2 按平拋運動計算的水流模型圖(單位：m)

由計算結果可以看出，水流落在斜坡上端，對斜坡段產生沖擊。最大流速12.3m/s，斜坡頂最大壓力強度85.084kN/m2。

地基模量取36000KN/m2(約相當于中密粗砂及礫砂)，按斜坡末端2.8m長作用78kN/m壓力(總荷載220kN)，梁總長10.4m，按彈性地基梁計算的斜坡單寬1m受力彎矩圖如圖3所示，斜坡頂最大位移為107mm，梁最大彎矩42.48KN·m，位于梁中間，計算底板需配筋3.2cm2/m，實配筋10cm2(每米5根直徑16mm鋼筋)，板強度滿足要求。

圖3 斜坡受沖擊力彎矩圖(單位：kN·m)

(2)脈動壓力分析

根據(jù)有關資料，對于板塊上的脈動壓力，一般假定脈動壓力符合正態(tài)概率分布，可能最大脈動上舉力公式為：

Amax≈3ξσp

(1)

式中，Amax—作用于底板塊單位面積的最大脈動上舉力，N/m2；σp—板塊接縫入口處脈動壓強的均方根值，可由模型試驗或有關經驗公式給出估算；ξ—點面脈動壓力之間的轉換系數(shù)(小于1.0)，由試驗確定，一般位于0.3～0.7之間。

根據(jù)以上動水時均荷載和脈動荷載測試數(shù)據(jù)和消力池底板抗浮穩(wěn)定參數(shù)初步計算結果，得出以下結論：

以消力池底板斜坡段為計算單元，在惡劣放水運行工況脈動荷載按組合方式1和2推算，消力池底板將發(fā)生失穩(wěn)，單位面積最大失穩(wěn)上舉力為3.99t/m2；正常蓄水工況和最高蓄水工況消力池底板斜坡段有發(fā)生失穩(wěn)可能性，在部分工況和最不利脈動荷載組合方式下存在2.11t/m2的上舉力。單位面積下壓力變化關系如圖4所示。

以消力池底板水平段為計算單元，在惡劣放水運行工況脈動荷載按組合方式1和2推算，消力池底板有發(fā)生失穩(wěn)的可能性，最大失穩(wěn)上舉力為1.95t/m2；正常蓄水工況和最高蓄水工況消力池底板水平段基本穩(wěn)定，在各工況和最不利脈動荷載組合方式均不存在上舉力。如圖5所示。

圖4 傾斜段消力池底板下壓荷載隨開度變化關系(惡劣放水工況)

圖5 水平段消力池底板下壓荷載隨開度變化關系(惡劣放水工況)

2.3 軟弱地基的影響分析

根據(jù)消力池底板抗沖穩(wěn)定試驗認為：由于下部地基不均勻變形或底板失穩(wěn)浮升或施工不平整等原因，底板分縫處發(fā)生了升坎，部分動水壓力從縫隙處竄入底板下部，從而導致底板上舉力增大以致底板失穩(wěn)。由此可見，升坎的存在既是底板浮升失穩(wěn)的重要原因，也是失穩(wěn)發(fā)生和加重過程的必然。為了杜絕升坎的發(fā)生，必須嚴格控制地基變形和底板施工不平整度；洪水前后認真檢查，發(fā)現(xiàn)軟弱地基及早處理。

3 處理措施

綜上所述，下游斜坡失穩(wěn)是由于防滲、排水未達預期效果，閘門非正常開啟，以及下游斜坡底地基松軟等綜合因素造成的。

對于上游鋪蓋止水破壞、截滲墻效果不佳、下游排水不暢，造成斜坡段滲透壓力高，抗浮穩(wěn)定不足，應采取在坡末端每塊板開排水孔的處理措施，增加抗浮穩(wěn)定。

對于閘門非正常、長時間單孔開啟，單孔泄流量大，而下游水位不會升高，造成流水長時間對底板沖擊，應采取在底板上加錨桿(索)的處理措施，防止底板漂浮。

對于底板基礎松軟，水流沖擊力大，在向上的沖擊力及頂部的脈動力作用下，造成自由端變形、止水拉壞、斜坡段浮起，應采取向底板基礎灌漿的處理措施，消除底板脫空。

4 結語

本文通過某水閘樞紐消力池底板的失事分析，系統(tǒng)論述了消力池底板發(fā)生失穩(wěn)的原因，為工程處理措施提供了科學合理的決策依據(jù)。本文篇幅較短，分析問題還不夠透徹，提出的處理措施也不夠全面，更有待長期運行管理的考驗。為了防患于未然，今后水閘工程一定要特別重視防滲排水系統(tǒng)、地基處理等方面的設計、施工，以及閘門開啟的運行調度管理，避免出現(xiàn)意想不到的工程事故。