止水破坏情况下消力池护坦抗浮稳定分析

止水破坏情况下消力池护坦抗浮稳定分析

1工程消能工水毁事故的原因分析国内外许多项目的溢流槽、消力池和弹簧池地板经常受到破坏，一些项目经常受到破坏。通过对许多工程消能工水毁事件调查表明,混凝土板块失事主要表现为失稳破坏,是什么原因使重达数百吨的板块被水流掀起?是什么原因使有的工程下游水垫塘冲坑深度达85m?基于规范的设计准则很难解释,对于这种破坏原因近年来引起人们的高度重视并进行研究,有关资料对一些消能工破坏事故分析进行了统计,如孟加拉国的卡娜拂利工程溢洪道(KarnafuliProject)、墨西哥马尔巴索工程溢洪道(MalpasoProject)、刘家峡水电站溢洪道、五强溪水电站右消力池,这些工程事故分析均表明,板块的失事是由于水流脉动压力传入板块底面缝隙层中,形成强大的脉动上举力致使板块失稳。同时有研究表明,在挑流和跌流消能中,水舌对水垫塘护坦板的破坏最早失稳的不是在冲击区,而是在其下游的水跃漩滚区,导致板块破坏的不是冲击动水压力而是脉动上举力。根据对许多工程消能工水毁事件的调查分析和有关科技攻关成果,我们可以知道,致使板块失稳的主要荷载是脉动上举力。由此可见,设计过程中应了解脉动上举力的产生机理及其是如何对板块的进行破坏,以确保消力池设计更趋科学和合理。2板块上的脉动压力波的传播特征消力池中的水跃,水流由急流突变为缓流,其水流运动具强烈的分离、扩散和掺混作用,水流中不同尺度的紊动涡体是脉动压力的产生者,脉动压力的特性极其复杂,但人们已认识到脉动压力在板块接缝处或裂隙处进入板块底面缝隙层中迅速传播开来是产生脉动上举力和造成板块失稳的重要原因。关于脉动上举力的产生机理,有学者基于瞬变流理论研究认为,由于脉动压力在板块下缝隙层中的传播速度很大,一般波速C=102～103m/s,而板块上表面的脉动压力传播速度应与水流的特征速度(或为载能涡的运移速度)同量级(Vc<10m/s),其数值上比缝隙内脉动压力波的传播速度至少小一个量级以上,这样,因板块表面和底面上的脉动压力波传播不同,在传播过程中就会存在时间滞后效应,所以在某一瞬时,板块表面和底面上的脉动压力波完全有可能是两个几乎不相关、独立的波形,可能会出现一个最大和一个最小的压力波,这就会在板块上形成强大的脉动上举力。水流的冲击与水流中挟带物对止水片的磨损碰撞,以及脉动压力长期、反复地对止水片的交变作用,对止水造成破坏,高脉动压力波通过板块止水破坏的接缝处钻入板块底面接缝层中,并沿缝隙层迅速传播开来,导致板块不断受到剧烈、强大的脉动上举力作用,在上举力长期作用下,板块底面缝隙层不断地被扩张和贯通,最终导致板块和基岩分裂开来,锚筋和基岩松动并失去作用,最终导致板块的失稳。3护坦顶抗浮稳定计算的文献记载现行《溢洪道设计规范》(SL253-2000)对消力池护坦的抗浮稳定分析,对脉动压力的作用是考虑护坦顶面上的脉动压力,是基于止水完好(或不存在贯通至板底的孔口、裂缝等)情况下考虑的,而根据有关分析及科研成果表明,脉动压力通过接缝处钻入板块底面形成强大的脉动上举力从而造成护坦的失稳破坏。因此,对于止水破坏(或存在贯通至板底的孔口、裂缝等)情况下,护坦的稳定计算采用规范中的公式欠妥,在此种情况下,消力池护坦的稳定分析关键是确定脉动上举力的大小。有分析资料通过理论分析并经试验证实,作用于底板块单位面积的最大脉动上举力的预报公式为:Amax=3σp√1+α2p(LsL)2Amax=3σp1+α2p(LsL)2−−−−−−−−−−√式中:Amax——作用于底板块单位面积的最大脉动上举力,具有压强的量纲(N/m2);σp——板块接缝入口处脉动压强的均方根值;Ls——临底涡体的积分尺度;L——板块的尺寸;αp——脉动压强系数,实验表明αp≈1.08。当Ls>L时,则上式可简化为:Amax≈3σp同时,对板面上的脉动压力,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,有研究资料列举下式计算:Pmax=3ξ·σp·A式中:Pmax——板块上表面的脉动压力;ξ——为点面脉动压力之间的转换系数;σp——板块接缝入口处脉动压强的均方根值;A——板块的底面积。根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000),作用于护坦顶面上的脉动压力按下式计算:Q1=±βm·Pfr·A式中:Q1——脉动压力(N);Pfr——脉动压强(Ν/m2)‚Ρfr=3ΚpρwV22(N/m2)‚Pfr=3KpρwV22;A——作用面积;βm——面积均化系数;Kp——脉动压强系数;ρw——水的密度(kg/m3);V——相应设计状况下水流计算断面的平均流速(m/s),可根据水流条件确定。因此,根据资料提出的脉动上举力及资料提出的护坦顶面上的计算公式,我们根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)推导出脉动上举力的表达式为:F=Pfr·A式中:F——作用在一定面积底板上的上举力。根据以上分析,参照规范对止水破坏情况下存在脉动上举力的消力池护坦抗浮稳定拟定计算式为:Κf=Ρ1+Ρ2+Ρ3F+Q2式中:P1——护坦自重;P2——护坦顶面上的时均压力;P3——锚固地基的有效重量;F——护坦上的脉动上举力;Q2——护坦底面上的扬压力;对于P1、P2、P3、Q2按《溢洪道设计规范》(SL253-2000)的公式计算。4下游流质及水位某工程为岸边式溢洪道,设计洪水位为59.10m,相应下泄流量为155m3/s,溢流净宽30m,相应下游水深为2.3m。消力池护坦顶高程30.2m,护坦厚1.0m,锚筋按梅花形布置,间距为2.5m,锚筋直径为Φ25,锚入基岩厚度为3m,护坦按10m×10m分纵横缝。4.1护坦抗浮稳定验算在止水完好情况下,消力池护坦的抗浮稳定计算按《溢洪道设计规范》(SL253-2000)的计算公式进行,其中脉动压力的计算中,KP取0.05,βm取0.46进行,求得:Ρfr=3ΚpρwV22=27.65kΝ/m2Q1=βm⋅Ρfr⋅A=1271.9kΝ其余计算得P1=2500kN、P2=2042.8kN、P3=1570kN、Q2=3600kN。根据以上计算,求得护坦抗浮稳定安全系数K=1.25>[K]=1.0～1.2。由此可见,在止水完好情况下,消力池护坦的抗浮稳定满足要求。4.2消力池护坦上止水破坏在止水破坏情况下,消力池护坦的抗浮稳定中应考虑脉动上举力的作用,计算中脉动上举力采用F=Pfr·A,则F=2765kN,(其余作用力大小同前)。由此得出该情况下消力池护坦的抗浮稳定安全系数Κ′=Ρ1+Ρ2+Ρ3F+Q2=0.96由此可见,当消力池护坦上止水破坏后,其抗浮稳定则不满足要求。根据分析,当消力池收缩断面的平均流速达到25m/s时,止水完好与止水破坏情况下护坦的抗浮稳定安全系数分别降为1.06和0.74,可见随着作用水头的增大,脉动上举力的作用越明显,甚至起控制作用。5动力池的设置,主要考虑到了本区域的基对许多消能工水毁事件的分析及有关科技攻关成果表明,致使板块失稳的主要荷载是脉动上举力,为增强消力池护坦的安全和稳定,应根据脉动上举力的产生机理和对板块的破坏形式做好消力池护坦的防护。(1)脉动压力通过可贯通板块底部的通道进入板块底面产生脉动上举力,而且根据资料表明,在消力池首部1/3池长区域内为脉动压力峰值区,为防止高强脉动压力进入板块底部,而形成强大脉动上举力对板块的破坏,应切实做好该区域内的伸缩缝止水,并防止护坦不均匀沉降裂缝及温度缝的产生。有些工程为减小护坦上扬压力的作用,在消力池首部护坦上设置明排水孔,而根据脉动上举力的产生机理,则应慎重考虑穿过护坦的明排水孔的设置(考虑渗透压力的降幅与脉动上举力的大小比值)。根据有关资料分析,排水系统不仅可以有效地减少作用于护坦上的渗透压力,同时可以大大消弱板块下缝隙层中脉动压力的传播与幅值,因此,在护坦下设置排水沟(管)对护坦的稳定有利。(2)脉动上举力通过不断反复、剧烈地作用于板块,使板块底面缝隙层不断扩张和贯通,最终导致板块和基岩分割开来,使锚筋和基岩松动失去作用最终导致失稳,因此锚筋的设置应充分考虑脉动上举力的作用特性;同时为加强板块间的整体