□趙琳　王佩玨

科技創(chuàng)新

消力池底板抗浮問題及解決思路

□趙琳王佩玨

消力池作為一種消能效果好、條件適應(yīng)性強(qiáng)的消能方式，已成為眾多水利工程泄洪消能的優(yōu)先選擇。伴隨高壩大庫的興建，消力池建設(shè)條件日益復(fù)雜，對(duì)于大泄量、高尾水位的水庫，消力池底板的抗浮問題越來越突出，往往導(dǎo)致消力池結(jié)構(gòu)體量過大、基礎(chǔ)處理復(fù)雜?；诂F(xiàn)實(shí)情況，結(jié)合工程實(shí)例，分析消力池設(shè)計(jì)中針對(duì)解決底板抗浮問題不同設(shè)計(jì)方案，明確提出解決思路，創(chuàng)新提出“結(jié)構(gòu)共享”方案，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

消力池；底板；設(shè)計(jì)方案

消力池是一種基于底流消能原理的消能形式，其實(shí)實(shí)質(zhì)是使下泄水流在消力池內(nèi)發(fā)生水躍而達(dá)到消能的目的。由于底流消能具有流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好，霧化影響小，對(duì)地質(zhì)條件、尾水水位變化、不同水頭適應(yīng)性均較強(qiáng)的特點(diǎn)，消力池的選用受到諸多水利工程的青睞。伴隨我國(guó)水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，高壩大庫的建設(shè)越來越多，樞紐建筑物的級(jí)別越來越高，相應(yīng)洪水防御標(biāo)準(zhǔn)提高，建筑物泄流量較大，對(duì)于河道較窄的工程而言，將導(dǎo)致下泄單寬流量大、水流流速快、下游水位高等情況，這些情況對(duì)消力池而言，無疑增加了脈動(dòng)及揚(yáng)壓力影響，往往導(dǎo)致消力池底板難以滿足抗浮穩(wěn)定需求，需要進(jìn)行適宜的體形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)。

1.工程概況

實(shí)例工程為新疆某水利樞紐，是一座大（Ⅱ）型水庫工程。工程攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5m，攔河壩壩身布置泄水建筑物，為1孔表孔和1孔底孔，表孔單孔凈寬10m，底孔出口尺寸3m×4m，表孔和底孔聯(lián)合承擔(dān)泄洪任務(wù)，最大泄流能力（校核洪水位情況下）達(dá)1056m3/s。工程泄洪消能建筑物為消力池，為表孔和底孔所共用，消力池池深8.5m，尾坎高1m，池長(zhǎng)105m，消力池內(nèi)部以中隔墻分隔，以保證表孔和底孔泄水流態(tài)互不干擾。該工程消力池最終采用整體U型槽型式來解決底板抗浮問題，一定程度上節(jié)省了工程量和基礎(chǔ)處理的繁瑣工序。

以該工程的實(shí)際水位工況作為消力池底板抗浮不同解決方案的邊界輸入條件，以表孔側(cè)消力池底板作為代表性研究對(duì)象，分析不同方案下底板抗浮穩(wěn)定問題解決的效果，以便水利設(shè)計(jì)者在消力池設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)不同情況選擇相適宜的設(shè)計(jì)方案。

2.研究對(duì)象及邊界條件

2.1 研究對(duì)象

分析研究的對(duì)象為上述工程表孔側(cè)消力池底板。表孔側(cè)消力池凈寬13m，池長(zhǎng)105m，研究分塊式底板時(shí)，從結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的角度考慮，采取底板分塊尺寸為11.5m（垂直水流方向）×15m（順?biāo)鞣较颍?，?jì)算板塊選取首部第二塊和尾部第二塊，分別標(biāo)記為板塊1和板塊2；研究整體式底板時(shí)，按照和分塊式底板相同的順?biāo)鞣较蚍挚p跨度，計(jì)算板塊選擇相同位置。研究對(duì)象計(jì)算簡(jiǎn)圖示意見圖1。

圖1 　計(jì)算簡(jiǎn)圖示意

2.2 邊界條件

根據(jù)規(guī)范對(duì)于消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算的工況規(guī)定，本文采取的計(jì)算工況見表1，各工況對(duì)應(yīng)的水位、流量等邊界亦列入表1中。

表1 計(jì)算工況表

結(jié)合規(guī)范的抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式可分析，解決消力池底板抗浮問題的途徑主要可分為兩大類：一是基礎(chǔ)處理，目的主要是折減揚(yáng)壓力和利用地基附重量?jī)蓚€(gè)方案，其中利用地基附加重量是依靠錨筋，通俗講為有效利用基礎(chǔ)作為消力池底板的“秤砣”，該方式通常為標(biāo)配，僅根據(jù)不同方案可以配備不同的錨筋參數(shù)，而揚(yáng)壓力折減對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)處理方式較多，通常作為不同的處理方案；二是增加結(jié)構(gòu)自重，通常表現(xiàn)為結(jié)合不同的基礎(chǔ)處理方案來配置不同的底板厚度，創(chuàng)新提出“結(jié)構(gòu)共享”思路，依靠其它結(jié)構(gòu)來變相增加底板自穩(wěn)能力，達(dá)到抗浮的效果。針對(duì)解決問題的不同方式，現(xiàn)提出5種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，方案情況如下。

方案1：分塊底板、揚(yáng)壓力無折減方案，僅依靠錨筋和適宜的底板厚度。

方案2：分塊底板、基礎(chǔ)設(shè)排水系統(tǒng)方案，按照排水進(jìn)行揚(yáng)壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案3：分塊底板、基礎(chǔ)設(shè)封閉帷幕方案，按照帷幕進(jìn)行揚(yáng)壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案4：分塊底板、基礎(chǔ)設(shè)封閉抽排系統(tǒng)方案，按照封閉抽排進(jìn)行揚(yáng)壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案5：整體式池身、揚(yáng)壓力無折減方案，依需配備錨筋。

3.方案計(jì)算分析

3.1 方案1

方案1各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見表2。

表2 方案1抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案1計(jì)算成果顯示，底板設(shè)置錨筋的必要性較大，板塊1控制工況為校核洪水工況，板塊2的控制工況為檢修工況，在底板僅設(shè)錨筋的情況下，所需底板厚度5m～7m，相對(duì)較厚。

3.2 方案2

方案2各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見表3。

表3 方案2抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案2計(jì)算成果顯示，底板設(shè)置錨筋的必要性較大，板塊1雖然相對(duì)于方案1安全系數(shù)有所提高，但由于其控制工況為排水失效工況，因此底板厚度和錨筋用量情況均未得到改善；板塊2控制工況依舊為檢修工況，由于排水作用發(fā)揮，揚(yáng)壓力有所減小，所以底板厚度和錨筋用量均可相對(duì)方案1有所優(yōu)化。

3.3 方案3

方案3各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見表4。

表4 方案3抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案3計(jì)算成果顯示，底板設(shè)置錨筋的必要性依然存在，尤其是首部板塊，如取消錨筋，則需要更厚的底板來平衡。由于帷幕措施不涉及排水折減，因此板塊1和板塊2控制工況均不是排水失效工況，帷幕折減作用體現(xiàn)較為明顯，底板厚度和錨筋用量均可較方案1有大幅減少，但同時(shí)帷幕工程代價(jià)也是相對(duì)較高。

3.4 方案4

方案4各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見表5。

表5 方案4抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案4計(jì)算成果顯示，由于抽排方式對(duì)于揚(yáng)壓力折減力度較大，底板設(shè)置錨筋對(duì)于板塊2來說已經(jīng)沒有必要。但是對(duì)于板塊1而言，其控制工況為排水失效情況，該工況會(huì)對(duì)揚(yáng)壓力折減程度有一定影響，因此板塊1依然有設(shè)置錨筋的必要性，但板厚和錨筋相對(duì)于方案1的優(yōu)化也較為明顯?；A(chǔ)設(shè)置抽排系統(tǒng)，同時(shí)錨筋又不能省略的情況，對(duì)于消力池來講是最為復(fù)雜的基礎(chǔ)處理措施組合，施工工序上也將存在一定的相互干擾。

3.5 方案5

方案5各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果見表6。

表6 方案5抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

方案5計(jì)算成果顯示，由于采取整體槽深型式，消力池邊墻結(jié)構(gòu)重量共享到了底板上，所以底板厚度較方案1可以有較大程度的優(yōu)化，同時(shí)錨筋用量也有所優(yōu)化，尤其對(duì)于后部板塊，錨筋的必要性已經(jīng)很小，基礎(chǔ)也不必要疊加其他基礎(chǔ)處理措施。

4.結(jié)論與建議

解決消力池底板抗浮穩(wěn)定問題，可以從增加結(jié)構(gòu)自重、利用地基有效重量和減小揚(yáng)壓力等方面入手采取工程措施，由于不同位置存在不同的控制工況，因此各方式對(duì)于不同工況和不同位置板塊的抗浮穩(wěn)定情況改善作用有所不同。

通過以上幾個(gè)方案的措施配置情況來看，錨筋（利用錨固地基重）的設(shè)置較為普遍而且必要，在一定程度上可以平衡結(jié)構(gòu)自重和其他基礎(chǔ)處理措施的投入程度。而錨筋的配置在各方案中有所不同，反映的是各措施之間的協(xié)調(diào)性及錨筋的有效性，所以需要引起設(shè)計(jì)人員關(guān)注的是，配置錨筋時(shí)需復(fù)核錨筋自身的強(qiáng)度和錨固力不超過所利用地基的有效錨固重力，否則錨固沒有意義。

針對(duì)減小揚(yáng)壓力思路的方案2、方案3和方案4分析，對(duì)尾部板塊的抗浮穩(wěn)定改善效果呈遞增狀態(tài)，但對(duì)于前部揚(yáng)壓力較大的板塊，由于排水失效工況的控制影響，導(dǎo)致方案2與方案4（均有排水措施）其效果沒有方案3帷幕作用發(fā)揮得全面，因此對(duì)于上下游水位均較高的工程，排水措施的實(shí)用性相對(duì)較低。

對(duì)比常規(guī)處理思路而言，采用整體U型槽消力池的“結(jié)構(gòu)共享”思路展現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，其原理是增加了結(jié)構(gòu)自重，但并非通過直接增加底板厚度的方式實(shí)現(xiàn)，而是共享了其他相關(guān)結(jié)構(gòu)，可以在達(dá)到增加抗浮穩(wěn)定性的同時(shí)，避免增加整體結(jié)構(gòu)體量，避免底板過深開挖，基礎(chǔ)處理措施也相對(duì)簡(jiǎn)單，可以有效減少投資和施工工序。

“結(jié)構(gòu)共享”不僅可以解決底板抗浮問題，對(duì)于消力池邊墻結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定相對(duì)有利，需要注意的是復(fù)核底、墻連接處的結(jié)構(gòu)尺寸。建議對(duì)于狹窄河谷、消力池寬度不大、上下游水位較高、底板抗浮穩(wěn)定問題突出的消力池，可優(yōu)先選擇U型槽結(jié)構(gòu)解決問題。對(duì)于消力池寬度過大的工程，也可考慮利用誘導(dǎo)縫、多隔墻等結(jié)構(gòu)措施，靈活利用“結(jié)構(gòu)共享”思路解決抗浮穩(wěn)定問題。□

2022-11-09

趙琳，女，漢族，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，工程師。

王佩玨，男，漢族，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，工程師。