戴明亮

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 工程失事概况

安徽省黄山市新安江湖边水利枢纽于2010年11月30日开始蓄水，上游水位到达门顶开始溢流，其中4号孔(自左岸至右岸编号)闸门开启角度34度，放水4d，其余闸门直立未开启。2010年11月27日检查发现，4号孔下游消力池底板斜坡段失稳浮起。

2 原因分析

经现场踏勘，结合模型试验分析，下游消力池斜坡段发生失稳，可能是多方面因素造成的，拟从消力池抗浮稳定、水流冲击力、地基松软等因素进行系统分析。

2.1 抗浮稳定分析

工况1：排水失效，防渗墙、铺盖发挥作用。在斜坡底板的水压力水头为116.47m，大于115.3m，抗浮不够。

工况2：防渗墙失效，铺盖、排水均发挥作用。斜坡底压力为115.21m，斜坡底板抗浮稳定。

工况3：铺盖、防渗墙、排水均失效。铺盖、防渗墙、排水均失效，斜坡底压力为117.81m，抗浮不够。

3种工况下的渗流位势图如图1所示。

图1 3种工况下的渗流位势图(单位：m)

根据以上渗流计算成果，得出以下结论：

斜坡底板厚度0.6m，若不考虑脉动水压力，可承担的水头为0.818m，下游水位114.5m时，在斜坡底板下水压力水头小于15.3m时，抗浮是稳定的；设计工况、不过流时，斜坡段底板下压力水头为114.85m，是稳定的；下游排水效果对斜坡抗浮稳定影响大，当排水不畅时，抗浮是不稳定的。

2.2 水流冲击分析

(1)冲击应力分析

钢坝闸第4孔开度34度，放水4d。闸门开度为，门顶下降高度为0.95m，按水位122.4m，过流量为2m3/(s/m)，流速为2m/s。按平抛运动计算的水流模型图如图2所示。

图2 按平抛运动计算的水流模型图(单位：m)

由计算结果可以看出，水流落在斜坡上端，对斜坡段产生冲击。最大流速12.3m/s，斜坡顶最大压力强度85.084kN/m2。

地基模量取36000KN/m2(约相当于中密粗砂及砾砂)，按斜坡末端2.8m长作用78kN/m压力(总荷载220kN)，梁总长10.4m，按弹性地基梁计算的斜坡单宽1m受力弯矩图如图3所示，斜坡顶最大位移为107mm，梁最大弯矩42.48KN·m，位于梁中间，计算底板需配筋3.2cm2/m，实配筋10cm2(每米5根直径16mm钢筋)，板强度满足要求。

图3 斜坡受冲击力弯矩图(单位：kN·m)

(2)脉动压力分析

根据有关资料，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，可能最大脉动上举力公式为：

Amax≈3ξσp

(1)

式中，Amax—作用于底板块单位面积的最大脉动上举力，N/m2；σp—板块接缝入口处脉动压强的均方根值，可由模型试验或有关经验公式给出估算；ξ—点面脉动压力之间的转换系数(小于1.0)，由试验确定，一般位于0.3～0.7之间。

根据以上动水时均荷载和脉动荷载测试数据和消力池底板抗浮稳定参数初步计算结果，得出以下结论：

以消力池底板斜坡段为计算单元，在恶劣放水运行工况脉动荷载按组合方式1和2推算，消力池底板将发生失稳，单位面积最大失稳上举力为3.99t/m2；正常蓄水工况和最高蓄水工况消力池底板斜坡段有发生失稳可能性，在部分工况和最不利脉动荷载组合方式下存在2.11t/m2的上举力。单位面积下压力变化关系如图4所示。

以消力池底板水平段为计算单元，在恶劣放水运行工况脉动荷载按组合方式1和2推算，消力池底板有发生失稳的可能性，最大失稳上举力为1.95t/m2；正常蓄水工况和最高蓄水工况消力池底板水平段基本稳定，在各工况和最不利脉动荷载组合方式均不存在上举力。如图5所示。

图4 倾斜段消力池底板下压荷载随开度变化关系(恶劣放水工况)

图5 水平段消力池底板下压荷载随开度变化关系(恶劣放水工况)

2.3 软弱地基的影响分析

根据消力池底板抗冲稳定试验认为：由于下部地基不均匀变形或底板失稳浮升或施工不平整等原因，底板分缝处发生了升坎，部分动水压力从缝隙处窜入底板下部，从而导致底板上举力增大以致底板失稳。由此可见，升坎的存在既是底板浮升失稳的重要原因，也是失稳发生和加重过程的必然。为了杜绝升坎的发生，必须严格控制地基变形和底板施工不平整度；洪水前后认真检查，发现软弱地基及早处理。

3 处理措施

综上所述，下游斜坡失稳是由于防渗、排水未达预期效果，闸门非正常开启，以及下游斜坡底地基松软等综合因素造成的。

对于上游铺盖止水破坏、截渗墙效果不佳、下游排水不畅，造成斜坡段渗透压力高，抗浮稳定不足，应采取在坡末端每块板开排水孔的处理措施，增加抗浮稳定。

对于闸门非正常、长时间单孔开启，单孔泄流量大，而下游水位不会升高，造成流水长时间对底板冲击，应采取在底板上加锚杆(索)的处理措施，防止底板漂浮。

对于底板基础松软，水流冲击力大，在向上的冲击力及顶部的脉动力作用下，造成自由端变形、止水拉坏、斜坡段浮起，应采取向底板基础灌浆的处理措施，消除底板脱空。

4 结语

本文通过某水闸枢纽消力池底板的失事分析，系统论述了消力池底板发生失稳的原因，为工程处理措施提供了科学合理的决策依据。本文篇幅较短，分析问题还不够透彻，提出的处理措施也不够全面，更有待长期运行管理的考验。为了防患于未然，今后水闸工程一定要特别重视防渗排水系统、地基处理等方面的设计、施工，以及闸门开启的运行调度管理，避免出现意想不到的工程事故。