某中型水電站溢洪道泄槽破壞原因分析

郝春游 屈潔

中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西西安 710065

1 溢洪道概況

該電站溢洪道布置河道左岸，共3孔，由引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑流鼻坎等組成，建筑物全長(zhǎng)707.6m。泄槽為等寬的矩形斷面，分為兩個(gè)泄槽，其中1#孔設(shè)置一個(gè)12.5m寬，378.014m長(zhǎng)的泄槽，而2#、3#兩孔合槽，泄槽寬度28.5m,長(zhǎng)343.448m，底板混凝土厚80cm，強(qiáng)度由C20F50W8到C30F50W8，底板設(shè)有無(wú)砂混凝土排水管網(wǎng)，且底板與巖石之間設(shè)置有系統(tǒng)錨桿，錨桿采用間排距2m,長(zhǎng)度6m,其中入巖長(zhǎng)度5m的Φ25鋼筋。底板經(jīng)過(guò)i=0.08364、i=0.11603兩次邊坡之后與水平挑流鼻坎銜接。

2 泄槽底板破壞情況

2014年8月，庫(kù)水位蓄水未到校核洪水位217.75，于8月9日溢洪道三孔閘門(mén)全開(kāi)泄水。9月22日發(fā)現(xiàn)兩孔合槽的泄槽末端有20米長(zhǎng)底板（單塊底板尺寸20mx11mx0.8m）及右側(cè)分塊50米長(zhǎng)底板混凝土在泄水過(guò)程被掀翻破壞，見(jiàn)圖1。

圖1 泄槽底板破壞照片

3 泄槽受力分析

根據(jù)規(guī)范[1]及實(shí)際情況，對(duì)被破壞的單塊底板進(jìn)行計(jì)算，受力分析如下：

（1）自重，計(jì)算底板混凝土自重時(shí)，容重取值為25kN/m3。

（2）揚(yáng)壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)揚(yáng)壓力可按水深的30%考慮，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)底板破壞后現(xiàn)場(chǎng)的檢查，發(fā)現(xiàn)底板分塊之間設(shè)置的橡膠止水施工過(guò)程未過(guò)縫，即止水失效，計(jì)算揚(yáng)壓力按全水頭進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：U=Aγh,式中：A為底板面積，γ為水容重，h為底板下表面以上水頭。

（3）拖曳力，本質(zhì)是水流在底板接觸面上產(chǎn)生的剪力形成的，一般對(duì)于結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定為不利荷載。

（4）抗浮錨桿，錨桿提供的拉力是由錨桿自身的抗拉值及錨桿與注漿體及注漿體與地層之間的粘聚力三者共同確定，根據(jù)本工程實(shí)際情況，可根據(jù)規(guī)范[2]公式計(jì)算出單根錨桿拉力N=103kN。

（5）動(dòng)水壓力，由時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力組成。時(shí)均壓力作用在底板的上表面，計(jì)算公式：Ptr=Aγh,式中，A為接觸面積，γ為水容重，h為計(jì)算點(diǎn)的水深；脈動(dòng)壓力在時(shí)間和空間上都是在不斷變化的，當(dāng)止水失效時(shí)，水流將侵入到底板下表面，此時(shí)底板的上、下表面都存在脈動(dòng)壓力。脈動(dòng)壓力計(jì)算公式：Pfr=（0.05～0.1）γ（v2/2g）A[3],式中，v為板上的平均流速，A為作用面積。

4 計(jì)算分析

泄槽底板抗浮計(jì)算可按下式計(jì)算（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1）。

底板抗浮穩(wěn)定應(yīng)滿足下列條件：

基本荷載組合下：K≥1.2；

特殊荷載組合下：K≥1.1；

抗浮計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

5 結(jié)果分析

從表1計(jì)算結(jié)果可得到以下結(jié)論：

（1）泄槽在設(shè)計(jì)水位及校核水位分別滿足1.2及1.1的安全系數(shù)，泄槽設(shè)計(jì)合理。

（2）錨桿全部失效在三種水位均不滿足規(guī)范要求，且安全系數(shù)小于止水失效工況，一般錨桿部分失效，全部失效很少發(fā)生。

（3）止水失效在三種水位均不滿足規(guī)范要求，主要是由于泄槽底板增加了脈動(dòng)壓力及揚(yáng)壓力增大。

（4）錨桿及止水同時(shí)失效，泄槽安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求。

因此止水失效導(dǎo)致?lián)P壓力、脈動(dòng)壓力增大，而且脈動(dòng)壓力與流速的平方成正比，對(duì)于高流速泄洪時(shí)，脈動(dòng)壓力增幅很大，再考慮部分錨桿失效對(duì)于泄槽抗浮安全極為不利，在設(shè)計(jì)、施工控制這兩方面是非常重要的。

作者查閱資料類似事故如劉家峽水電站右岸溢洪道底板，破壞原因主要是由于底板止水不良，橫縫下游有升坎，導(dǎo)致底板下產(chǎn)生巨大的向上脈動(dòng)壓力引起。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于溢洪道泄槽的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，抗浮錨桿及止水非常關(guān)鍵。必須加強(qiáng)施工過(guò)程控制，比如錨桿的拉拔試驗(yàn)、止水安裝等。在地質(zhì)條件較差的情況下，抗浮錨桿可采用錨筋樁形式，止水可采用延展性比較好的銅止水，同時(shí)施工確保泄槽過(guò)流面光滑，從而才能確保項(xiàng)目的安全。