劉沛清1，劉心愛2，李福田3
(1.北京航空航天大學流體所 2.水利部 3.中國水利水電科學研究院)
摘要：本文根據國內外一些高壩消力池和水墊塘失事破壞的調查資料，說明了脈動壓力在引起破壞中的作用。從理論上分析了脈動壓力的基本特徵及其分布規律、板塊上脈動上舉力的產生機理，論證了脈動上舉力是導致消力池底板揭底破壞的主要原因。
論述了合理設定止水設施、排水設施以及錨固措施等對防止破壞的效果，討論了計入脈動荷載的底板塊穩定性設計準則，提供了消力池底板塊的設計和防護引數。
關鍵詞：消力池，底板塊，設計準則
收稿日期：2000-08-07
作者簡介：劉沛清(1960-)，男，山西人，從事流體力學研究。
溢洪道陡槽、消力池和水墊塘底板的破壞事故時有報道，有些工程甚至常修常壞。雖然各工程的破壞原因、範圍和影響程度不盡相同，但由一些失事工程的調查資料表明，絕大多數工程的底板失事屬於板塊揭底破壞，只有少數工程屬於空蝕破壞(多見於消力池趾墩和消能墩背後區域)或水流中夾帶雜物沖刷、磨損、撞擊破壞的。與空蝕和衝磨撞擊破壞相比，消力池底板揭底破壞的歷時短、範圍大，常伴隨有整塊底板被水流衝到下游。
對這種破壞方式的原因與防護問題，近年來引起人們的高度重視。板塊的揭底破壞機理複雜、影響因素眾多。諸如，(1)板塊的厚度或其下部錨筋設定不足，將難以維持板塊自身的穩定性而引起失事；(2)板塊底部排水不暢、失效或無排水，則易造成板塊受揚壓力(=滲透壓力+浮托力)過大而將其掀起；(3)板塊間接縫方式、止水不良、失效或無止水，將會使脈動壓力自接縫鑽入板塊底部縫隙層中，引起板塊上作用很大的脈動上舉力從而將板塊拔起。
一般而言，由滲透壓力或揚壓力過大導致板塊失事的情況甚少，因為規範的設計準則是基於揚壓力給出的。那麼，是什麼原因能使重達數百噸的板塊被水流掀起?看來底板上脈動壓力的作用是不能忽視的。
事實上，由一些失事工程調查結果和大量的模型實驗研究表明，底板上的脈動壓力是造成板塊破壞的重要原因，且在板塊的穩定性設計中不考慮脈動壓力的設計準則是不合適的。特別是對於高水頭洩水建築物，板塊的防護設計必須考慮脈動壓力的作用。
本文主要通過對一些失事工程的分析和基於模型試驗成果，重點闡明消力池中脈動壓力的分布特徵、脈動上舉力的產生機理、如何導致板塊的揭底破壞以及怎樣進行防護設計等目前的一些熱點問題，以企為板塊的防護與設計提供科學依據。
1 國內外一些工程溢洪道陡槽或消力池底板塊失事分析
1.1 卡娜拂俐工程溢洪道(karnafuli project) 孟加拉國的karnafuli工程［1，2］是一座土壩，壩高41.2m，2023年建成。
其溢洪道寬227m，進口為寬頂堰，下接1∶2.5的陡槽，並與長61.7m、寬227m和深3m的消力池相銜接，設計洪水流量18000m3/s，陡槽板塊和消力池混凝土底板塊厚0.
46～1.5m，並用鋼筋與板塊下的砂岩錨定，板塊下排水管道的出口布置於陡槽末端分流齒處。該溢洪道2023年7月開始執行，最大洩流量達3480m3/s(約設計流量的20%)，同年8月13日在洩流中發現破壞跡象。
8月20日關閘停水，檢查發現，陡槽末端破壞區域約180m寬、23m長。模型試驗表明，板塊的失事並非由滲透壓力和揚壓力引起，也非由水流中雜物衝擊所至，而是由於水躍中大尺度紊流脈動壓力引起。水流脈動壓力通過排水口進入板塊下表面縫隙層中，使作用於板塊上下表面瞬時壓力差可達到很大的值，足以將板塊拔起。
1.2 馬爾巴索工程溢洪道(malpaso project) 墨西哥的馬爾巴索壩渲洩正常洪水的溢洪道［3］，其進口為寬頂堰，下接陡槽並與長100m、寬50m和深26m的消力池相銜接，最大水頭118m，設計洪水流量3500m3/s，校核洪水流量6000m3/s，如有必要並在安全條件下最大洩量可達11000m3/s.消力池混凝土底板塊長12m、寬12m、厚2m，並以12根32mm的鋼筋錨定，各塊之間的伸縮縫用瀝青仔細充填，陡槽末端布置有排水孔。
該溢洪道自2023年開始執行，至2023年洩量從未超過2500m3/s.根據潛水員檢查，發現有幾處充填的瀝青被沖走，少數底板有些輕微剝蝕。2023年曾連續兩周渲洩流量3000m3/s，事後檢查發現消力池底板有較大破壞，破壞範圍達46%，在陡槽的尾部**，一些板塊被完全沖走，錨筋被剪斷或被拉斷，重達720噸的整個底板塊被衝到消力池出口下游。
是什麼使整塊底板被水流拔出並衝到下游？經現場檢查和模型試驗，排除了由上下游差產生的浮力、受水流強烈衝擊以及施工不良等項的可能性。最後認為板塊失事的主要原因是由水躍中大尺度紊流脈動引起的，由作用於板塊表底面上脈動壓力差產生的上舉力造成。
1.3劉家峽水電站溢洪道劉家峽溢洪道［3］，採用陡槽加挑流鼻坎消能，水平長度872m，挑流鼻坎半徑50m，鼻坎挑角20°。2023年10月洩洪42天，左、中孔全開，洩量2240m3/s(為設計流量的58.
4%)，底板發生突然沖毀事故。事後發現，在樁號250m～590m一端範圍內有三處底板被水流掀起沖走，板下基岩(變質岩與紅砂岩交替帶)被衝成深坑，最深處達13m，中間一塊底板被整塊掀起，翻轉180°後反壓在下游底板上。事後分析表明，底板塊破壞的主要原因是底板塊橫向接縫處下游面板有一公升坎錯台，或板塊間接縫止水、板塊底部排水、基礎處理不良，導致脈動壓力鑽入板塊底面縫隙層中，造成板塊失穩。
1.4 五強溪水電站右消力池［4］ 五強溪水電站位於湖南省沅水上，系沅水幹流和湖南省最大的一座水電站，具有發電、防洪和航運等效益。整個樞紐建築物由河床左側溢流壩、右岸壩後式廠房和左岸**船閘組成，壩頂長度719.
7m，最大壩高85.83m，壩頂高程117.5m，正常蓄水位108.
0m，設計水位(p=0.1%)111.62m，下洩總流量約44000m3/s，校核水位(p=0.
01%)114.7m，下洩總流量約54000m3/s.電站裝機容量120萬kw(5臺機組).
由於沅水峰高量大，且五強溪水庫對洪水的調蓄能力有限，下洩流量大，洩洪時上下游水位差約40m，水流froude數為3～4，採用「寬尾墩-消力池」和「寬尾墩-底孔挑流-消力池」新型聯合洩洪消能方案。壩下消力池被中孔洩槽分隔為左、右消力池，池底高程42.0m，池尾設雷伯克坎，高、低坎頂高程分別為51.
0m、46.0m，尾坎平均高度6.5m，坎後接坡度1/10、長50m並傾向上游的混凝土海漫。
對於右消力池，池寬72.0m，底板厚度4m，板塊的橫向寬度16m，縱向長度不等(=15.133～18.
6m)，平均長度為16.124m.消力池底板下的基岩由前震旦紀板溪群砂岩、石英岩、板岩和千枚狀板岩組成，底板下錨筋直徑36mm，錨入基岩深度6.
3m，每根錨筋的抗拉強度t=180kn，錨筋間距1.5m，每個板塊下共布設121根錨筋。
該工程屬一等工程，2023年初設報告審查通過，2023年11月一期工程截流，2023年11月5日下閘蓄水，洩洪底孔向下游供水至發電，2023年6月4臺機組投入執行，2023年底第5臺機組投產完建。2023年7月沅水發生了歷史上特大洪水，洪水過程為復峰，五強溪壩址出現了2次4000m3/s的洪峰，3次超過30000m3/s的洪峰。工程在尚未完建的情況下，經受了巨大的考驗，發揮了巨大的作用。
在這次抗洪搶險中，為了保護下游桃源、常德及洞庭湖等經濟發達地區人民的生命財產安全，嚴格控制下洩流量不超過26400m3/s，使庫水位被迫抬高113.26m，超出正常蓄水位5.26m，接近2023年一遇洪水庫水位，壩下游水位67.
5m(2023年一遇下游水位77.88m)，再加上工程尚未完建，洩洪設施不能全部投入正常執行，閘門排程受到種種條件的限制，無法按照設計提出的要求，做到均勻、同步、對稱開啟執行，致使消力池較長時間處於一種十分惡劣的水流執行狀態。洪水過後，經查明右消力池(寬尾墩-消力池)，部分底板塊被水流掀起沖走，基岩衝坑深度超過30m，威脅大壩的安全，必須進行處理。
事故分析表明，板塊失事的主要原因是在閘孔非常開啟執行下，造成消力池內出現極不穩定的遠驅式水躍，高速水流衝擊、紊動劇烈，底板上紊流脈動壓力加劇，使脈動壓力傳入板塊下的縫隙層中，在板塊上形成強大的脈動上舉力，從而引起板塊揭底破壞。
脈動壓力在板塊下縫隙層中傳播，可導致板塊揭底破壞。同樣，脈動壓力在衝坑基岩縫隙中傳播，將會使基岩沿裂隙或節理面發生水力斷裂，引起基岩解體，形成大的衝坑水墊［5］。如，尚比亞的kariba拱壩［6］下游水墊塘衝坑深度達85m，10年內被沖走的基岩體積達3×105m3；巴基斯坦的tarbela工程，主溢洪道為陡槽挑流鼻坎坎消能［7］，下游衝坑區最大衝深超過70m，而且尚未達到極限沖刷深度。
2 消力池中脈動壓力基本特徵
2.1 水躍區低頻大振幅脈動壓力分量的起源眾所周知，水流中不同尺度的紊動渦體是脈動壓力的產生者。為了說明這一點，作者［8］由不可壓縮n s方程得到的脈動壓強poisson方程
其中，p′為脈動壓強；u′j為脈動速度；xj為座標；j為時均速度；v為水的運動粘性係數；ε′和ε分別為紊動耗散率。即
在式(2)中，等號右邊第一項反映了時均速度與脈動速度之間的相互作用，時均速度場的變形首先通過這一項使脈動壓力發生了變化，稱為快速反應項，因時均速度梯度反映了時均切應力項，故也被稱為紊動剪下項；第二項是由紊動渦體引起的，此項的主要貢獻者是那些渦量較為集中的低頻大尺度紊動渦體，與載能渦的特徵密切相關，是脈動壓力低頻分量的主要貢獻者；第三項是由耗散尺度渦引起的，是脈動壓力高頻分量的主要貢獻者。
如果僅考慮那些對底板塊失穩破壞起主要作用的低頻、大振幅脈動壓力分量，則可寫成為：
由此說明，脈動壓力低頻、。
2.2 水躍區脈動壓力的分布特徵定義水躍區壁面脈動壓力係數為：
式中，v1為躍首斷面處的平均流速。對於自由水躍，akbari［9］等給出的cp沿程分布如圖1所示。顯然，對於給定的躍首斷面處邊界層發展，cp=f(x/h1,fr1)，其中x是由水躍首部起算的距離，h1為躍首斷面處的平
這與rouse等 ［10］給出的最大強度區是吻合的，且cpmax值為0.03～0.055；當存在尾檻和消力墩時，cpmax值有所增大，可達到0.
083～0.085.對於淹沒水躍，文獻［11，12］等給出的實驗結果如圖2所示，顯然淹沒水躍的cpmax值一般比自由水躍的cpmax值小，但其cp峰值的範圍比自由水躍區的大且隨尾水的增加而向下游發展，這可能是因尾水增大後限制了剪下層區的發展所至。
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