消力池底板抗浮问题及解决思路_赵琳.pdf

科 技 创 新科 技 创 新收稿日期：2022-11-09作者简介：赵琳，女，汉族，中水北方勘测设计研究有限责任公司，工程师。王佩珏，男，汉族，中水北方勘测设计研究有限责任公司，工程师。消 力 池 底 板 抗 浮 问 题 及 解 决 思 路消 力 池 底 板 抗 浮 问 题 及 解 决 思 路摘要消力池作为一种消能效果好、条件适应性强的消能方式，已成为众多水利工程泄洪消能的优先选择。伴随高坝大库的兴建，消力池建设条件日益复杂，对于大泄量、高尾水位的水库，消力池底板的抗浮问题越来越突出，往往导致消力池结构体量过大、基础处理复杂。基于现实情况，结合工程实例，分析消力池设计中针对解决底板抗浮问题不同设计方案，明确提出解决思路，创新提出“结构共享”方案，以期为类似工程设计提供参考借鉴。关键词消力池；底板；设计方案赵琳王佩珏图 1计算简图示意消力池是一种基于底流消能原理的消能形式，其实实质是使下泄水流在消力池内发生水跃而达到消能的目的。由于底流消能具有流态稳定，消能效果好，雾化影响小，对地质条件、尾水水位变化、不同水头适应性均较强的特点，消力池的选用受到诸多水利工程的青睐。伴随我国水利事业的高质量发展，高坝大库的建设越来越多，枢纽建筑物的级别越来越高，相应洪水防御标准提高，建筑物泄流量较大，对于河道较窄的工程而言，将导致下泄单宽流量大、水流流速快、下游水位高等情况，这些情况对消力池而言，无疑增加了脉动及扬压力影响，往往导致消力池底板难以满足抗浮稳定需求，需要进行适宜的体形结构设计和基础处理设计。1.工程概况实例工程为新疆某水利枢纽，是一座大（）型水库工程。工程拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高 75.5m，拦河坝坝身布置泄水建筑物，为 1孔表孔和 1 孔底孔，表孔单孔净宽 10m，底孔出口尺寸 3m4m，表孔和底孔联合承担泄洪任务，最大泄流能力（校核洪水位情况下）达 1056m3/s。工程泄洪消能建筑物为消力池，为表孔和底孔所共用，消力池池深 8.5m，尾坎高 1m，池长105m，消力池内部以中隔墙分隔，以保证表孔和底孔泄水流态互不干扰。该工程消力池最终采用整体 U 型槽型式来解决底板抗浮问题，一定程度上节省了工程量和基础处理的繁琐工序。以该工程的实际水位工况作为消力池底板抗浮不同解决方案的边界输入条件，以表孔侧消力池底板作为代表性研究对象，分析不同方案下底板抗浮稳定问题解决的效果，以便水利设计者在消力池设计时依据不同情况选择相适宜的设计方案。2.研究对象及边界条件2.1研究对象分析研究的对象为上述工程表孔侧消力池底板。表孔侧消力池净宽13m，池长 105m，研究分块式底板时，从结构协调的角度考虑，采取底板分块尺寸为 11.5m（垂直水流方向）15m（顺水流方向），计算板块选取首部第二块和尾部第二块，分别标记为板块 1和板块2；研究整体式底板时，按照和分块式底板相同的顺水流方向分缝跨度，计算板块选择相同位置。研究对象计算简图示意见图 1。2.2边界条件根据规范对于消力池底板抗浮稳定计算的工况规定，本文采取的计算工况见表 1，各工况对应的水位、流量等边界亦列入表 1中。结合规范的抗浮稳定计算公式可分析，解决消力池底板抗浮问题的途径主要可分为两大类：一是基础处理，目的主要是折减扬压力和利用地基附重量两个方案，其中利用地基附加重量是依靠锚筋，通俗讲为有效利用基础作为消力池底板的“秤砣”，该方式通常为标配，仅根据不同方案可以配备不同的锚筋参数，而扬压力折减对应的基础处理方式较多，通常作为不同的处理方案；二是增加结构自重，通常表现为结合不同的基础处理方案来配置不同的底板厚度，创新提出“结构共享”思路，依靠其它结构来变相增加底板自稳能力，达到抗浮的效果。针对解决问题的不同方式，现提出 5种设计方案进行计算分析，方案情况如下。方案 1：分块底板、扬压力无折减方案，仅依靠锚筋和适宜的底板厚度。方案 2：分块底板、基础设排水系统方案，按照排水进行扬压力折减，配置相宜的锚筋和底板厚度。方案 3：分块底板、基础设封闭帷幕方案，按照帷幕进行扬压力折减，配置相宜的锚筋和底板厚度。方案 4：分块底板、基础设封闭抽排系统方案，按照封闭抽排进行扬压力折减，配置相宜的锚筋和底板厚度。方案 5：整体式池身、扬压力无折减方案，依需配备锚筋。31科 技 创 新科 技 创 新表 1计算工况表工况工况 1工况 2工况 3工况 4上游水位（m）1028.241029.941027.001028.24下游水位（m）972.10973.35969.00972.10泄流量（表孔，m3/s）3067210306备注消力池设计洪水工况水库校核洪水工况检修工况消力池设计洪水排水失效工况项目板块 1板块 2未设锚筋设锚筋未设锚筋设锚筋抗浮稳定安全系数工况 10.6471.0411.0091.277工况 20.6401.0090.9881.239工况 30.6791.1390.7001.017工况 4板厚情况7m厚5m厚锚筋情况3#32 钢筋束，入岩 9m3#22 钢筋束，入岩 5m表 2方案 1抗浮稳定计算成果表表 3方案 2抗浮稳定计算成果表项目板块 1板块 2未设锚筋设锚筋未设锚筋设锚筋抗浮稳定安全系数工况 10.7551.2151.0061.451工况 20.7451.1740.9911.403工况 30.7991.3400.5591.093工况 40.6471.0410.8561.233板厚情况7m厚3m厚锚筋情况3#32 钢筋束，入岩 9m3#25 钢筋束，入岩 6m表 4方案 3抗浮稳定计算成果表项目板块 1板块 2未设锚筋设锚筋未设锚筋设锚筋抗浮稳定安全系数工况 10.6941.1181.6221.822工况 20.7051.0891.5941.778工况 30.6951.2280.8191.061工况 4板厚情况3m厚2.5m厚锚筋情况#36钢筋，入岩 5m#32钢筋，入岩 3m项目板块 1板块 2未设锚筋设锚筋未设锚筋设锚筋抗浮稳定安全系数工况 11.5182.3033.809工况 21.4652.1403.687工况 31.7372.8661.697工况 40.6941.0531.530板厚情况3m厚2m厚锚筋情况#36钢筋，入岩 4.5m可不设项目板块 1板块 2未设锚筋设锚筋未设锚筋设锚筋抗浮稳定安全系数工况 10.6331.0691.1171.257工况 20.6141.0181.0721.202工况 30.6951.2180.9511.118工况 4板厚情况3m厚3m厚锚筋情况3#28 钢筋束，入岩 8.5m#28 钢 筋 束，入岩 3m表 6方案 5抗浮稳定计算成果表表 5方案 4抗浮稳定计算成果表3.方案计算分析3.1方案 1方案 1 各工况抗浮稳定安全系数计算成果见表 2。方案 1计算成果显示，底板设置锚筋的必要性较大，板块 1控制工况为校核洪水工况，板块 2的控制工况为检修工况，在底板仅设锚筋的情况下，所需底板厚度 5m7m，相对较厚。3.2方案 2方案 2 各工况抗浮稳定安全系数计算成果见表 3。方案 2计算成果显示，底板设置锚筋的必要性较大，板块 1虽然相对于方案 1安全系数有所提高，但由于其控制工况为排水失效工况，因此底板厚度和锚筋用量情况均未得到改善；板块 2控制工况依旧为检修工况，由于排水作用发挥，扬压力有所减小，所以底板厚度和锚筋用量均可相对方案 1有所优化。3.3方案 3方案 3 各工况抗浮稳定安全系数计算成果见表 4。方案 3计算成果显示，底板设置锚筋的必要性依然存在，尤其是首部板块，如取消锚筋，则需要更厚的底板来平衡。由于帷幕措施不涉及排水折减，因此板块 1和板块 2控制工况均不是排水失效工况，帷幕折减作用体现较为明显，底板厚度和锚筋用量均可较方案 1有大幅减少，但同时帷幕工程代价也是相对较高。3.4方案 4方案 4 各工况抗浮稳定安全系数计算成果见表 5。方案 4计算成果显示，由于抽排方式对于扬压力折减力度较大，底板设置锚筋对于板块 2 来说已经没有必要。但是对于板块 1而言，其控制工况为排水失效情况，该工况会对扬压力折减程度有一定影响，因此板块 1依然有设置锚筋的必要性，但板厚和锚筋相对于方案 1 的优化也较为明显。基础设置抽排系统，同时锚筋又不能省略的情况，对于消力池来讲是最为复杂的基础处理措施组合，施工工序上也将存在一定的相互干扰。3.5方案 5方案 5 各工况抗浮稳定安全系数计算成果见表 6。方案 5计算成果显示，由于采取整体槽深型式，消力池边墙结构重量共享到了底板上，所以底板厚度较方案 1可以有较大程度的优化，同时锚筋用量也有所优化，尤其对于后部板块，锚筋的必要性已经很小，基础也不必要叠加其他基础处理措施。4.结论与建议解决消力池底板抗浮稳定问题，可以从增加结构自重、利用地基有效重量和减小扬压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况，因此各方式对于不同工况和不同位置板块的抗浮稳定情况改善作用有所不同。通过以上几个方案的措施配置情况来看，锚筋（利用锚固地基重）的设置较为普遍而且必要，在一定程度上可以平衡结构自重和其他基础处理措施的投入程度。而锚筋的配置在各方案中有所不同，反映的是各措施之间的协调性及锚筋的有效性，所以需要引起设计人员关注的是，配置锚筋时需复核锚筋自身的强度和锚固力不超过所利用地基的有效锚固重力，否则锚固没有意义。针对减小扬压力思路的方案 2、方32科 技 创 新科 技 创 新案 3 和方案 4 分析，对尾部板块的抗浮稳定改善效果呈递增状态，但对于前部扬压力较大的板块，由于排水失效工况的控制影响，导致方案 2与方案 4（均有排水措施）其效果没有方案 3帷幕作用发挥得全面，因此对于上下游水位均较高的工程，排水措施的实用性相对较低。对比常规处理思路而言，采用整体U 型槽消力池的“结构共享”思路展现出一定优势，其原理是增加了结构自重，但并非通过直接增加底板厚度的方式实现，而是共享了其他相关结构，可以在达到增加抗浮稳定性的同时，避免增加整体结构体量，避免底板过深开挖，基础处理措施也相对简单，可以有效减少投资和施工工序。“结构共享”不仅可以解决底板抗浮问题，对于消力池边墙结构整体稳定相对有利，需要注意的是复核底、墙连接处的结构尺寸。建议对于狭窄河谷、消力池宽度不大、上下游水位较高、底板抗浮稳定问题突出的消力池，可优先选择 U 型槽结构解决问题。对于消力池宽度过大的工程，也可考虑利用诱导缝、多隔墙等结构措施，灵活利用“结构共享”思路解决抗浮稳定问题。能，根据事件级别、需要预警的范围等发布需求，结合现有资源状况，按照制订的调度策略自动生成资源调度方案。主要包括应急消息监控处理、生成调度方案、发布应急信息、对发布任务进行管理、管理发布流程、评估发布效果等。应急广播系统的资源，主要包括资源信息查询、编辑、导入、导出、统计等功能。基础服务包括运行维护管理、为平台提供安全保障等功能。运行维护对应急平台进行运行维护管理，保障平台的日常运行。主要包括与上下级应急平台的对接管理，对各级平台之间的联动数据进行分析处理、记录统计本级及下级应急平台播发的应急信息、监控系统运行状态、监控现有播发资源、终端异常告警、系统数据备份、值班查询、添加删除用户并管理用户权限、日志管理、安全审计等。安全服务实现应急平台的证书管理，对平台接收和发送的预警消息、联动数据进行签名验签，为平台提供网络安全防护保障。3.2广播电视适配系统广播电视适配系统主要包括广播电视台适配系统、无线台站适配系统。广播电视台适配系统能对应急平台下发的应急信息进行实时接收、解析、响应，具有地址匹配功能和签名验签功能，能自动反馈预警消息接收、验证结果，能够通过界面告警、声音告警等方式，提示电台、电视台值守人员注意查收预警消息，可将设备工作状态、预警消息响应情况回传到应急平台；具备签名验签功能，可验证应急平台播发的应急信息，确保应急信息安全可靠。无线台站适配系统接收到应急平台发送的应急信息后，切换发射机的信号源，将正常播出的广播节目切换为应急广播音频，同时通过副信道、基带信号等方式发送指令，唤醒应急广播接收终端，实现强制接收；具备签名验签功能，可验证应急平台播发的应急信息，确保应急信息安全可靠。3.3应急终端应急终端主要为多模音柱和多模收扩机，即支持调频广播、地面数字电视、IP/4G网络、同轴电缆多种传输覆盖方式的接收。在条件具备的地方，为提升系统在灾害情况下的可用性，应采用多种传输手段，确保应急消息能够播发。同时，为确保播发内容安全，终端还应具备签名验签功能。（接第 18页）（接第 23页）态环境建设等方面的支撑作用越来越凸显，精准高效的水文数据对经济社会的可持续发展越来越关键。提升水文部门的服务能力与服务质量已刻不容缓，加强水文人才队伍建设已是势在必行。3.3现代化发展对人才队伍建设提出新要求水文现代化就是要实现水文信息采集、传输、处理、预报、服务、储存等的信息化、自动化，实现水文现代化离不开计算机技术、通讯网络技术、微电子技术、卫星技术、遥感技术等高新技术。随着国家对水文部门重视程度的增加，水文现代化建设步伐明显加快，更离不开高素质的人才队伍。4.加强水文人才队伍建设的几点建议党的二十大报告指出“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”，再次强调要深入实施人才强国战略。强化水文系统人才队伍建设，关键要做好人才“进得来、留得住、用得好、能发展”，中心坚持因地制宜，通过技术创新等手段，全面提高水文系统科研力量，探索水文人才建设管理模式。在今后的人才队伍建设中，将进一步加大人才培养力度、健全人才引进机制、创新学历提升激励机制，建设一支创新型、应用型、技能型人才队伍，为此提出几点建议。4.1进一步创新人才引进方式招聘做好前期调研，做好点对点服务，招聘过程中通过电话咨询、资格复审等环节对学生进行深入了解，防止出现面试合格后主动放弃的现象。进一步对接高校，密切同高校的联系，通过宣传片、宣传图册等方式对河北水文进行宣传推广，对紧缺的专业人才重点突破，确保急需专业人才和高素质人才能够引进来、留得住。4.2进一步创新人才培养方式探索专业技术人才培育新机制，制定人才交流制度，打通制约人才交流瓶颈，形成水文系统各中心、各处（科、测区机构）、各岗位间人员能够充分交流的局面，解决好异地交流人员的住房、差旅等问题。鼓励省中心、直属中心组织各类业务竞赛、知识竞赛、演讲比赛等活动，通过活动进一步提高职工的业务能力和综合能力。注重发挥老职工的传帮带作用，调动职工积极性，激发他们的工作热情，把水文业务知识和好的经验做法传承下去。4.3进一步加大资金投入力度设立人才队伍建设专项基金，加大经费投入，形成稳定的人才队伍建设投入机制，培养一批业务理论精、专业能力强、综合素质高的学科带头人和高技能人才。党的二十大报告强调，要坚持“人才引领驱动”“强化现代化建设人才支撑”“深化人才强国战略”，习近平总书记对人才工作也作出一系列重要论述，对我国人才事业发展作出了顶层设计和战略谋划。水文要发展，人才是保障。我们要从水文发展实际出发，不断创造有利条件，寻求高效途径，进一步创新人才机制，健全人才制度，加快促进岗位成材，确保人才队伍建设取得实效，为水文高质量发展提供坚实的智力支持与人才保障。33