刘沛清
北京航空航天大学，北京 100083
消力池或水垫塘底板块的稳定性设计，主要是确定底板块的稳定性厚度和板块与基岩之间的锚筋配置。以往的设计方法对板块上的脉动荷载重视不够，常常是参照已建类似工程和基岩的地质条件，确定出底板块的厚度d(一般不超过3.0～5.0 m，但不小于1.0 m)，然后由渗透压力或扬压力配置板块下的锚筋。然而，随着近年来消力池和水垫塘底板的破坏事故时有报道(大多数工程的底板失事属于揭底破坏，只有少数工程属于空蚀破坏或水流中夹带杂物冲刷、磨损、撞击破坏)，人们愈来愈认识到在板块的稳定性设计中不考虑脉动压力的设计方法是不合适的。特别是对于高水头泄水建筑物(底板块上脉动荷载作用较强或起主控作用)，板块的防护设计必须考虑脉动压力的作用。
本文根据消力池或水垫塘不同运行工况下底板块的受力分析，详细讨论脉动荷载在稳定性设计中的合理计算方法，以期为设计部门提供依据。
1 消力池或水垫塘底板块稳定性设计方法
根据《SDJ341—89溢洪道设计规范》，消力池或水垫塘底板的稳定性设计可由最不利运行工况下板块的受力分析给出。一般底板的设计至少应考虑两种不利工况：消力池或水垫塘正常运行工况和检修放空工况。以下分别说明之。
1.1 止水完好时消力池或水垫塘正常运行工况(止水作为计算条件)
在这种运行工况下，假定消力池或水垫塘底板止水未破坏，但排水失效。因此，在板块的受力分析时，需考虑的力有：板块的重力(非浮重)，板块和基岩的锚筋力，板块下的扬压力 ，底板顶面上由于大尺度紊流压力脉动引起的脉动荷载。由板块受力分析可得，板块的稳定性条件为
式中，P和P′max分别为板块顶面上的时均压力和脉动压力，P-P′max为板块顶面上的瞬时压力；G为板块的重力；FR为板块和基岩的锚筋力；Fu为板块下的扬压力。将式(1)写成规范形式为
 (2)
其中，安全系数Kf对于设计工况取1.2，校核工况取1.0。如板块的底面积为A，板块厚度为d，混凝土板块的容重为γc，则有
式中， 为板块上所受的最小时均压力。对于板块上的脉动压力，一般假定脉动压力符合正态概率分布，并考虑到面脉动压力的均化作用，按下式计算
其中，σP为脉动压力均方根值，可由模型试验或有关经验公式估算；ξ为点面脉动压力之间的转换系数(＜1.0)，由试验确定，一般位于0.3～0.7之间。板块下的扬压力Fu，包括渗透压力Fs和浮托力Fb，即
式中，γ为水体容重。渗透压力Fs，由消力池底板块下的渗流计算获得。初估时，也可用下式给出
其中，H为上下游水位差；α为渗流折减系数，它与消力池底板块下基岩的地质条件、帷幕和排水的布置形式有关。为了减小坝底扬压力，一般在坝体的上游面设置防渗帷幕和排水孔幕 ，在此处渗流折减系数α位于0.2～0.3之间，对于仅设防渗帷幕的情况，α位于0.5～0.7之间[3]。在消力池或水垫塘底板下，如取防渗帷幕后渗透压力的平均值(平均折减一半)，则可近似取α=0.1～0.15，如排水设施良好，则α=0.0～0.1。
设单块板下布置的锚筋根数为n，单根锚筋的抗拉强度为T，则单板块所受的锚筋拉力为 
其中，b为锚筋的间距(纵横向)。现将以上诸式代入式(2)中，可得
在基岩上利用锚筋加固板块，目的是防止板块上拔(仅要求抗拉，不需要承压，毋需用桩加固)，要求基岩必须是完整、坚硬、裂隙发育不良的。如必要时也可先对基岩进行固结灌浆处理。对于基岩破碎、节理发育的情况，则不能采用锚筋。设锚筋的长度为Lm，锚筋的直径为ds，锚筋的间距(纵横向)为b，基岩的容重为γr，由不使岩石破坏而浮起的条件获得每根锚筋的抗拉强度为
式中，Rs为锚筋的设计强度(Ⅰ级钢，2.4×108Pa)；Km为锚筋有效系数(1.5～2.0)，考虑了钻孔时可能发生偏心及孔内砂浆收缩对锚固强度的影响等。
检验锚筋是否被拔出的计算公式如下。
(1)不使锚筋拔出砂浆的计算式为
其中，τs为水泥砂浆与钢筋间的粘着应力，一般取(6～8)×105Pa。
(2)不使锚筋孔周围的砂浆与岩石间的接触面破坏的计算式为
式中，dc=2ds，为钻孔直径，τc为砂浆与岩石间的粘着应力，一般取(2～4)×105 Pa。
一般采用φ19～25 mm锚筋，间距b=1～2 m，长度Lm=2～3 m。上拔力很大的情况下，可采用φ30 mm以上的锚筋，长度可达Lm=5～6 m，或更长。
1.2 止水破坏时消力池或水垫塘正常运行工况(止水作为安全储备)
近年来，消力池或水垫塘底板块失事屡见不鲜，且多数板块失事均是由于板块间止水破坏，脉动压力通过接缝处进入板块底面缝隙层中迅速传播开来，引起板块上作用有强大的脉动上举力。这是导致板块揭底破坏的重要原因，故仅考虑止水完好的情况是不够的，必须考虑板块止水破坏情况下消力池或水垫塘正常运行工况(作为校核)。这样，止水完好就不能作为计算条件了，而是如同排水一样仅作为安全储备。对于这种工况，可假定消力池或水垫塘在板块止水破坏、排水失效下运行。此时，板块的受力主要有：板块的重力G，板块下锚筋的拉力FR，板块下的渗透压力Fs(由于止水破坏，无浮托力，但考虑到止水的破坏对渗透压力起减小的作用，渗流折减系数α要小于止水完好的情况)，由板块顶、底面上时均压力引起的压差近似用静水浮力Fsb(=γAd)表示，由脉动压力在板块底面缝隙层中传播引起的可能最大脉动上举力为F′max。根据板块的受力分析，板块的稳定性条件为
其中，αP为脉动压强系数；Ls为脉动压强积分尺度；L为板块特征尺度；其余符号同前。对于消力池或水垫塘底板块，一般Ls《L，则式(11)可简化为
对于水垫塘中板块上的最大脉动上举力，笔者给出的另一个半经验公式为
其中，Amax为板块单位面积上所受的最大脉动上举力(≈3σp)，H为上下游水位差；q为射流的入水单宽流量；β为射流入水角度；g为重力加速度；φ为射流流速系数；其余符号同前。式(14)中的经验系数，可由下式给出。即
1.3 消力池或水垫塘检修放空工况
对于消力池或水垫塘检修工况，可认为消力池或水垫塘底板止水完好，但排水失效。因此，板块的受力有：板块的重力(G)，板块与基岩之间的锚筋力FR，板块底面上的扬压力Fu。式(2)变为
应当指出的是，在消力池或水垫塘检修工况下，下游尾水位一般对应下游最低尾水位，因检修工况一般在枯水期进行。
2 增强消力池或水垫塘底板块安全、稳定的措施
(1)板块尽量浇筑在新鲜基岩面上，以减少板块底面与基岩之间的接触缝隙；并为适应基岩的不均匀沉降和温度伸缩变形，需在底板设置纵向(顺水流方向)和横向(垂直于水流方向)伸缩缝(一般缝宽为1～2 cm)，缝的间距常取10～15 m(不宜超过20 m)，决定于底板块的水平尺寸。建议横缝采用键槽缝(防止基岩不均匀沉降)，纵缝用平直缝。底板横缝之间不要留下高上低的错台，以防止水流的冲击。
(2)在板块间的接缝处需设置水 [1] [2] 下一页
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
