消力池底板抗浮問題及解決思路

□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、條件適應性強的消能方式，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，消力池建設條件日益復雜，對于大泄量、高尾水位的水庫，消力池底板的抗浮問題越來越突出，往往導致消力池結構體量過大、基礎處理復雜?；诂F(xiàn)實情況，結合工程實例，分析消力池設計中針對解決底板抗浮問題不同設計方案，明確提出解決思路，創(chuàng)新提出“結構共享”方案，以期為類似工程設計提供參考借鑒。

消力池；底板；設計方案

消力池是一種基于底流消能原理的消能形式，其實實質是使下泄水流在消力池內發(fā)生水躍而達到消能的目的。由于底流消能具有流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好，霧化影響小，對地質條件、尾水水位變化、不同水頭適應性均較強的特點，消力池的選用受到諸多水利工程的青睞。伴隨我國水利事業(yè)的高質量發(fā)展，高壩大庫的建設越來越多，樞紐建筑物的級別越來越高，相應洪水防御標準提高，建筑物泄流量較大，對于河道較窄的工程而言，將導致下泄單寬流量大、水流流速快、下游水位高等情況，這些情況對消力池而言，無疑增加了脈動及揚壓力影響，往往導致消力池底板難以滿足抗浮穩(wěn)定需求，需要進行適宜的體形結構設計和基礎處理設計。

1.工程概況

實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)合承擔泄洪任務，最大泄流能力（校核洪水位情況下）達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105m，消力池內部以中隔墻分隔，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)省了工程量和基礎處理的繁瑣工序。

以該工程的實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，以表孔側消力池底板作為代表性研究對象，分析不同方案下底板抗浮穩(wěn)定問題解決的效果，以便水利設計者在消力池設計時依據(jù)不同情況選擇相適宜的設計方案。

2.研究對象及邊界條件

2.1 研究對象

分析研究的對象為上述工程表孔側消力池底板。表孔側消力池凈寬13m，池長105m，研究分塊式底板時，從結構協(xié)調的角度考慮，采取底板分塊尺寸為11.5m（垂直水流方向）×15m（順水流方向），計算板塊選取首部第二塊和尾部第二塊，分別標記為板塊1和板塊2；研究整體式底板時，按照和分塊式底板相同的順水流方向分縫跨度，計算板塊選擇相同位置。研究對象計算簡圖示意見圖1。

圖1 　計算簡圖示意

2.2 邊界條件

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

表1 計算工況表

結合規(guī)范的抗浮穩(wěn)定計算公式可分析，解決消力池底板抗浮問題的途徑主要可分為兩大類：一是基礎處理，目的主要是折減揚壓力和利用地基附重量兩個方案，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作為消力池底板的“秤砣”，該方式通常為標配，僅根據(jù)不同方案可以配備不同的錨筋參數(shù)，而揚壓力折減對應的基礎處理方式較多，通常作為不同的處理方案；二是增加結構自重，通常表現(xiàn)為結合不同的基礎處理方案來配置不同的底板厚度，創(chuàng)新提出“結構共享”思路，依靠其它結構來變相增加底板自穩(wěn)能力，達到抗浮的效果。針對解決問題的不同方式，現(xiàn)提出5種設計方案進行計算分析，方案情況如下。

方案1：分塊底板、揚壓力無折減方案，僅依靠錨筋和適宜的底板厚度。

方案2：分塊底板、基礎設排水系統(tǒng)方案，按照排水進行揚壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案3：分塊底板、基礎設封閉帷幕方案，按照帷幕進行揚壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案4：分塊底板、基礎設封閉抽排系統(tǒng)方案，按照封閉抽排進行揚壓力折減，配置相宜的錨筋和底板厚度。

方案5：整體式池身、揚壓力無折減方案，依需配備錨筋。

3.方案計算分析

3.1 方案1

方案1各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果見表2。

表2 方案1抗浮穩(wěn)定計算成果表

方案1計算成果顯示，底板設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，在底板僅設錨筋的情況下，所需底板厚度5m～7m，相對較厚。

3.2 方案2

方案2各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果見表3。

表3 方案2抗浮穩(wěn)定計算成果表

方案2計算成果顯示，底板設置錨筋的必要性較大，板塊1雖然相對于方案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，揚壓力有所減小，所以底板厚度和錨筋用量均可相對方案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)計算成果見表4。

表4 方案3抗浮穩(wěn)定計算成果表

方案3計算成果顯示，底板設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，但同時帷幕工程代價也是相對較高。

3.4 方案4

方案4各工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果見表5。

表5 方案4抗浮穩(wěn)定計算成果表

方案4計算成果顯示，由于抽排方式對于揚壓力折減力度較大，底板設置錨筋對于板塊2來說已經(jīng)沒有必要。但是對于板塊1而言，其控制工況為排水失效情況，該工況會對揚壓力折減程度有一定影響，因此板塊1依然有設置錨筋的必要性，但板厚和錨筋相對于方案1的優(yōu)化也較為明顯。基礎設置抽排系統(tǒng)，同時錨筋又不能省略的情況，對于消力池來講是最為復雜的基礎處理措施組合，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)計算成果見表6。

表6 方案5抗浮穩(wěn)定計算成果表

方案5計算成果顯示，由于采取整體槽深型式，消力池邊墻結構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，同時錨筋用量也有所優(yōu)化，尤其對于后部板塊，錨筋的必要性已經(jīng)很小，基礎也不必要疊加其他基礎處理措施。

4.結論與建議

解決消力池底板抗浮穩(wěn)定問題，可以從增加結構自重、利用地基有效重量和減小揚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。

通過以上幾個方案的措施配置情況來看，錨筋（利用錨固地基重）的設置較為普遍而且必要，在一定程度上可以平衡結構自重和其他基礎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)調性及錨筋的有效性，所以需要引起設計人員關注的是，配置錨筋時需復核錨筋自身的強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。

針對減小揚壓力思路的方案2、方案3和方案4分析，對尾部板塊的抗浮穩(wěn)定改善效果呈遞增狀態(tài)，但對于前部揚壓力較大的板塊，由于排水失效工況的控制影響，導致方案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，因此對于上下游水位均較高的工程，排水措施的實用性相對較低。

對比常規(guī)處理思路而言，采用整體U型槽消力池的“結構共享”思路展現(xiàn)出一定優(yōu)勢，其原理是增加了結構自重，但并非通過直接增加底板厚度的方式實現(xiàn)，而是共享了其他相關結構，可以在達到增加抗浮穩(wěn)定性的同時，避免增加整體結構體量，避免底板過深開挖，基礎處理措施也相對簡單，可以有效減少投資和施工工序。

“結構共享”不僅可以解決底板抗浮問題，對于消力池邊墻結構整體穩(wěn)定相對有利，需要注意的是復核底、墻連接處的結構尺寸。建議對于狹窄河谷、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型槽結構解決問題。對于消力池寬度過大的工程，也可考慮利用誘導縫、多隔墻等結構措施，靈活利用“結構共享”思路解決抗浮穩(wěn)定問題?！?/p>

2022-11-09

趙琳，女，漢族，中水北方勘測設計研究有限責任公司，工程師。

王佩玨，男，漢族，中水北方勘測設計研究有限責任公司，工程師。