某水閘樞紐消力池底板穩定問題的思考

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日檢查發現，4號孔下游消力池底板斜坡段失穩浮起。

2 原因分析

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

2.1 抗浮穩定分析

工況1：排水失效，防滲墻、鋪蓋發揮作用。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、排水均發揮作用。斜坡底壓力為115.21m，斜坡底板抗浮穩定。

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，是穩定的；下游排水效果對斜坡抗浮穩定影響大，當排水不暢時，抗浮是不穩定的。

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(小于1.0)，由試驗確定，一般位于0.3～0.7之間。

根據以上動水時均荷載和脈動荷載測試數據和消力池底板抗浮穩定參數初步計算結果，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，消力池底板將發生失穩，單位面積最大失穩上舉力為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生失穩可能性，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，消力池底板有發生失穩的可能性，最大失穩上舉力為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

根據消力池底板抗沖穩定試驗認為：由于下部地基不均勻變形或底板失穩浮升或施工不平整等原因，底板分縫處發生了升坎，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。由此可見，升坎的存在既是底板浮升失穩的重要原因，也是失穩發生和加重過程的必然。為了杜絕升坎的發生，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，發現軟弱地基及早處理。

3 處理措施

綜上所述，下游斜坡失穩是由于防滲、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，系統論述了消力池底板發生失穩的原因，為工程處理措施提供了科學合理的決策依據。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、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，避免出現意想不到的工程事故。