官地水電站消力池底板抗浮穩(wěn)定研究

閆 勇，陳 強，石太軍

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

底流消能是利用在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍進行消能的一種傳統(tǒng)的消能方式，其優(yōu)點是流態(tài)穩(wěn)定、沖刷輕微、泄洪霧化小，因此被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)條件較差的中低水頭水電站，但在高水頭電站中應(yīng)用仍較少。從底流消能的工程實踐看，目前世界上底流消能規(guī)模較大的工程是前蘇聯(lián)興建的薩揚舒申斯克(Sayano－Shushensk)水電站和印度的特里(Tehri)水電站［1］。薩揚舒申斯克水電站大壩最大壩高242m，最大單寬流量184m3/(s·m);特里水電站大壩是斜心墻堆石壩，最大壩高260.5m，右岸溢洪道采用底流消能，最大單寬流量110m3/(s·m)。底流消能工之所以在大型高壩水電工程中所占的份額較低，一方面是由于高壩底流消能工一般造價較高;而另一方面則是由于高壩底流消能的技術(shù)難度較大。國內(nèi)外采用底流消能的高壩大流量工程中，消力池水流形態(tài)不佳、流態(tài)不穩(wěn)、底板出現(xiàn)不同程度甚至嚴(yán)重破壞的事例屢見不鮮，如前蘇聯(lián)的薩揚舒申斯克(Sayano－Shushensk)水電站、印度的巴克拉(Bhakra)水電站、國內(nèi)的安康水電站和五強溪水電站等［2～4］。盡管這些工程消力池遭到破壞的原因不盡相同，但都與消力池臨底水力學(xué)指標(biāo)過高有直接聯(lián)系。消力池工作條件和破壞機理是十分復(fù)雜的，是水流和結(jié)構(gòu)兩方面因素綜合作用的結(jié)果。消力池底板安全既與水流的動水壓力、脈動壓力、壓力沿縫隙的傳播、滲透壓力等有關(guān)，還與底板的結(jié)構(gòu)型式、錨固、止水和排水方式等有關(guān)。因而通過模型試驗和計算分析，從水流和結(jié)構(gòu)兩方面來深入研究消力池底板的安全性是高壩大流量底流消能工程面臨的重要課題。

2 工程概況

官地水電站是雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃5級開發(fā)方式的第3個梯級電站，工程為一等大(1)型工程，正常蓄水位為1 330.00m，總庫容7.6億m3，總裝機2 400MW。電站最大壩高168m，為亞洲已建、在建碾壓混凝土第三高壩。樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩擋水、右岸地下廠房、壩身5個表孔+2個中孔承擔(dān)全泄洪，采用底流消能方式，具有大落差、高流速、大流量、單寬泄洪功率大的特點，其底流消能工的規(guī)模和技術(shù)難度居國內(nèi)前列。為了降低入池流速，增加消能效果，底流消能工采用寬尾墩+跌坎+底流消力池的結(jié)構(gòu)型式。

底流消力池布置在泄水建筑物下游，底板頂高程1 188.00m，池底寬95m，池長135m，底板厚8m，尾坎高程為1 210.50m。消力池前兩塊底板縱縫間距分別為27.5m和22.5m，其余底板縱縫間距為20m，底板橫縫間距為20m，分塊尺寸為20m×20m(長×寬)～27.5m×20m(長×寬)。消力池底板平面分塊見圖1，典型縱剖面見圖2。為了降低消力池底板揚壓力，底板結(jié)構(gòu)采用抽排方式排水，在底板四周設(shè)置縱橫排水廊道，底板底部設(shè)置排水溝及基礎(chǔ)排水孔幕，下游側(cè)設(shè)有封閉防滲帷幕，右岸設(shè)集水井并有自動抽水設(shè)備進行抽排。

消力池消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇，相應(yīng)下泄流量為11 900m3/s，壩下游水位1 221.78m，單寬流量為125.3m3/s·m。常遇洪水標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇，相應(yīng)下泄流量為7 720m3/s，壩下游水位1 216.82m，單寬流量為77.3m3/s·m，由于官地水電站大壩深層抗滑穩(wěn)定需要考慮消力池底板的抗剪作用方可滿足規(guī)范要求，故消力池采用大壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(5 000年一遇)進行校核，相應(yīng)下泄流量為15 500m3/s，敞泄庫水位為1 330.21m，壩下游水位1 225.62m，單寬流量為163.2m3/s·m，上下游水頭差為104.59m。

由于近年來多數(shù)消力池底板失事均是由于底板間止水破壞，脈動壓力通過底板間分縫處進入底板底面縫隙層中迅速傳播開來，引起底板上作用有強大的脈動上舉力，進而導(dǎo)致底板發(fā)生揭底破壞，所以僅考慮止水完好的情況是不夠的，必須考慮止水破壞后底板的抗浮穩(wěn)定情況［5］。因而需分別對止水破壞前后的消力池底板開展水工模型試驗，研究消力池動水壓力，特別是脈動壓力分布及其變化規(guī)律，分析動水壓力對消力池底板穩(wěn)定性的影響，從而確定合理的消力池底板抗浮穩(wěn)定措施。

圖1 消力池底板平面分塊

圖2 消力池底板典型縱剖面示意

3 止水完好時底板抗浮穩(wěn)定分析

水工模型試驗表明，消力池底板脈動壓力較大值主要集中在(壩)0+131.00～(壩)0+181.00m范圍內(nèi)，(壩)0+181.00m之后的底板脈動壓力普遍較小，故可認(rèn)為消力池底板最危險的板塊為前兩塊底板。由于篇幅有限，本文只列出消力池前兩塊底板的抗浮穩(wěn)定分析成果。

3.1 模型試驗

官地水電站消力池底板止水完好時的動水荷載模型試驗委托中國水利水電科學(xué)研究院進行，模型比尺為1∶80。由于官地水電站的消力池邊墻采用斜邊墻，時均壓力和脈動壓力在消力池內(nèi)的橫向變化較明顯。因此，需要沿溢流中心線向消力池兩側(cè)每隔10m布置1列測壓管和脈動壓強傳感器(共布置9列)，直接量測消力池內(nèi)時均壓強和脈動壓強的分布，為底板的抗浮穩(wěn)定計算提供依據(jù)。

以消能設(shè)計洪水工況為例，各列測得的時均壓強和脈動壓強均方根值沿程分布見圖3和圖4。

圖3 消能設(shè)計洪水工況橫向各列時均壓強沿程分布

圖4 消能設(shè)計洪水工況橫向各列脈動壓強均方根值沿程分布

從圖3和圖4中可以看出，由于官地消力池邊墻采用斜邊墻，消力池兩側(cè)的時均壓強和脈動壓強均大于消力池溢流中心線部位。綜合考慮時均壓強和脈動壓強在消力池的空間分布，選用0－030.00m剖面作為消力池底板抗浮穩(wěn)定計算的控制斷面。0－030.00m剖面在各工況下時均壓強與脈動壓強均方根值的沿程試驗結(jié)果見表1。

表1 時均壓強與脈動壓強均方根值試驗結(jié)果

3.2 底板抗浮穩(wěn)定計算

(1)計算公式:

根據(jù)(SL253 －2000)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》［6］，消力池底板抗浮穩(wěn)定按式(1)計算:

(2)作用荷載。作用在底板上的荷載有:

G——底板自重，混凝土容重取24kN/m3。

Ptr——時均壓力，采用動水荷載模型試驗實測的時均壓力值。根據(jù)試驗值計算出各板塊時均壓力分布，從而計算出每一板塊的時均壓力。

F——錨固地基有效重，由于錨固措施在多年使用后容易產(chǎn)生疲勞失效，所以在底板抗浮穩(wěn)定分析中首先考慮通過增加底板自重來滿足抗浮穩(wěn)定要求，其次才考慮錨固措施作為偶然或短暫工況的安全儲備，故暫不考慮錨固措施。

U——揚壓力，按下游水位計算。根據(jù)(SL253－2000)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)消力池底板周邊設(shè)縱橫排水廊道，地基表面設(shè)有排水，排水孔口高程以下設(shè)有集水井并有自動抽水設(shè)備保證抽排，底板縱橫縫設(shè)有可靠的止水設(shè)施，底板下游及兩側(cè)設(shè)有防滲帷幕和排水幕時，可取揚壓力折減系數(shù)α=0.2～0.3。出于安全考慮，本計算中泄洪和檢修工況時取α=0.4。抽排失效工況時認(rèn)為抽排設(shè)施全部失效，取α=1.0。

Pfr—— 脈動壓力，Pfr= βpfrA。根據(jù)相關(guān)資料［7］，脈動壓強代表值Pfr取3倍脈動壓強均方根值σ，即pfr=3σ。其中σ為模型試驗實測的點脈動壓強均方根值，β為面積均化系數(shù)，根據(jù)板塊尺寸與第二共軛水深的比值取用。根據(jù)試驗值計算出各板塊脈動壓力分布，從而計算出每一板塊的脈動壓力。

(3)計算工況。消力池內(nèi)水流形態(tài)很復(fù)雜，在進行底板抗浮穩(wěn)定計算時應(yīng)盡可能考慮各種不利情況，具體各計算工況及其特征參數(shù)、安全標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 消力池底板抗浮穩(wěn)定計算工況

(4)計算成果。經(jīng)計算，止水未破壞情況下，消力池底板前兩塊板塊的抗浮穩(wěn)定計算成果見表3。

分析表3的計算成果，由于消力池底板設(shè)置了抽排系統(tǒng)，底板下?lián)P壓力大大降低，使得除抽排失效外的其他工況抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均較高。而在抽排全部失效工況下，1－4塊的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)小于1，不滿足規(guī)范要求。對比抽排失效前后消力池底板的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，可以看出消力池底板設(shè)置抽排系統(tǒng)是非常必要的，對于相對消力池底板下游水位較高的工程尤其重要。對于抽排全部失效的偶然工況，考慮采用錨固措施來提供必要的安全裕度。擬定在底板下設(shè)置3Ф32錨筋樁，間排距2.5m，深入地基8m。設(shè)置在錨筋樁后，1－4塊和2－4塊的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)可分別達(dá)到1.16和1.31，從而達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

表3 消力池底板抗浮穩(wěn)定計算成果

4 止水破壞后底板抗浮穩(wěn)定分析

止水完好時由于抽排系統(tǒng)的作用，消力池底板抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)較高，但近年來底板失事的事故表明止水存在被破壞的風(fēng)險。當(dāng)止水破壞后，抽排系統(tǒng)將無法發(fā)揮作用，需要復(fù)核在這種情況下消力池底板的抗浮穩(wěn)定安全。

4.1 模型試驗

官地水電站消力池底板止水破壞后的動水荷載模型試驗委托中國水利水電科學(xué)研究院進行。模型比尺為1∶80，在底板下安裝高精度拉應(yīng)力傳感器。試驗的條件為底板的止水完全破壞，抽排設(shè)施完全失效，并且沒有錨固措施。

以往針對止水破壞后消力池底板的受力特性研究，多集中于研究動水壓強特性，分別量測板塊底面與表面瞬時壓強，以表面瞬時壓強與底面瞬時壓強之差作為計算荷載，由于表面瞬時壓強與底面瞬時壓強存在一定的相位差，確定瞬時上舉力比較困難，且如以表面瞬時壓強的最小值與底面瞬時壓強的最大值來確定板塊所受上舉力，由于兩者同步發(fā)生的概率很小，計算結(jié)果過于保守。

本次試驗，著重研究導(dǎo)致消力池底板板塊失穩(wěn)的由同一時刻上、下表面的脈動壓強差所產(chǎn)生的瞬時上舉力。試驗直接同步測量各測力支點的受力，將結(jié)果瞬時迭加為底板總體水力動荷隨機過程，進而獲取底板整體所受瞬時上舉力，避免了脈動壓強點面轉(zhuǎn)換時人為假定帶來的誤差，使板塊的穩(wěn)定分析建立在較高的置信水平上，為底板的抗浮穩(wěn)定計算提供依據(jù)。

根據(jù)官地水電站消力池脈動壓力分布的特點，試驗僅對消力池溢流中心線左側(cè)的前兩塊底板的瞬時上舉力進行了測量。測得的瞬時上舉力見表4。

表4 底板瞬時上舉力試驗結(jié)果 9.8kPa

4.2 底板抗浮穩(wěn)定計算

(1)計算公式。根據(jù)(SL253－2000)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，止水完全破壞后，消力池底板抗浮穩(wěn)定按式(2)計算。

式(2)分母中底板上下表面的時均壓力差與脈動壓力之和即為模型實測的瞬時上舉力［8］，故將公式調(diào)整為:

(3)計算工況。主要分析止水破壞后消力池過水時底板的抗浮穩(wěn)定安全，計算工況為表2中的消能設(shè)計洪水工況、常遇洪水工況以及校核洪水工況。根據(jù)(SL253－2000)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，采用式(2)進行抗浮穩(wěn)定計算時，安全系數(shù)Kf應(yīng)大于1.5～1.7。考慮各工況的保證度后，確定在消能設(shè)計洪水工況以及常遇洪水工況下，安全標(biāo)準(zhǔn)為Kf≥1.7;在校核洪水工況下，安全標(biāo)準(zhǔn)為Kf≥1.5。

(4)計算成果。經(jīng)計算，止水破壞后，消力池底板的抗浮穩(wěn)定計算成果見表5。

分析表5的計算成果，在底板不采取錨固措施的情況下，止水破壞后，各板塊在消能設(shè)計洪水工況以及校核洪水工況下的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均小于安全標(biāo)準(zhǔn)1.7，僅在常遇洪水工況下可滿足規(guī)范要求。考慮采用錨固措施來提供消能設(shè)計洪水工況以及校核洪水工況下的安全裕度。擬定在底板下設(shè)置3Ф32錨筋樁，間排距2.5m，深入地基8m。設(shè)置錨筋樁后，各板塊的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)可滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果見表6。

表5 消力池底板抗浮穩(wěn)定計算成果

表6 錨固后消力池底板抗浮穩(wěn)定成果

5 增強底板安全性的其它措施

對官地水電站而言，由于大壩壩基存在深層抗滑穩(wěn)定問題，對消力池的運行安全有很高的要求，故除設(shè)置了抽排系統(tǒng)與錨固措施外，還采取了其它增強底板安全性的抗浮穩(wěn)定措施。

(1)底板基礎(chǔ)均設(shè)置在Ⅲ類巖體上，以減少底板底面與基巖之間的接觸縫隙并降低基礎(chǔ)不均勻沉降。

(2)在底板間橫縫處設(shè)置鍵槽，提高板塊的整體性，減小基礎(chǔ)不均勻沉降對板塊穩(wěn)定帶來的不利影響。

(3)在底板頂面設(shè)置一道銅片止水和一道橡膠止水，縫內(nèi)用瀝青充填，防止脈動壓力通過底板間縫隙傳入底板底面縫隙層中。

(4)混凝土澆筑時，要求底板頂面最后一層澆筑厚度不小于2.5m，頂面50cm厚的抗沖磨混凝土需與下部常態(tài)混凝土一起澆筑并在兩種混凝土層間設(shè)置插筋，以保證底板的整體性。

(5)根據(jù)國內(nèi)外類似工程的運行實踐，對于高水頭大流量底流消力池而言，難以做到一勞永逸，往往需要進行檢修。在尾坎設(shè)計時，將尾坎頂高程抬高至電站滿發(fā)時下游水位之上，以使官地水電站消力池具備發(fā)電檢修條件。

(6)為了避免消力池底板因嚴(yán)重的高速水流紊動、沖擊導(dǎo)致揭底破壞，根據(jù)水工模型試驗制定了合理的電站運行方式。

6 結(jié) 論

通過對底流消能水流動水荷載的模擬分析，并采取一系列增強消力池底板安全性的工程措施后，官地水電站成功解決了高水頭、大流量泄洪消能底流消力池底板的抗浮穩(wěn)定安全工程設(shè)計問題。雖然高壩大流量底流消能工的設(shè)計難度較大，但與挑流消能工相比，底流消能工引起的泄洪霧化很小，對周邊環(huán)境影響較小。在目前人們對高壩泄洪霧化等環(huán)境問題日益重視的現(xiàn)狀下，底流消能工將會越來越多地在高壩中被采用。以官地水電站為代表的一批高水頭、大流量底流消能工程的成功修建，將極大地推動我國在這方面技術(shù)水平的提高，為今后類似工程的修建提供寶貴經(jīng)驗。

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