□赵琳 王佩珏
科技创新
消力池底板抗浮问题及解决思路
□赵琳王佩珏
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。
消力池；
底板；
设计方案
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。
实例工程为新疆某水利枢纽，是一座大（Ⅱ）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3m×4m，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。
2.1 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。
图1 计算简图示意
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。
表1 计算工况表
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。
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。
表2 方案1抗浮稳定计算成果表
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5m～7m，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。
表3 方案2抗浮稳定计算成果表
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。
表4 方案3抗浮稳定计算成果表
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。
表5 方案4抗浮稳定计算成果表
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。
表6 方案5抗浮稳定计算成果表
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。
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。□
2022-11-09
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。
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