魯禮慧

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

在河床式廠房整體穩(wěn)定計(jì)算中， 基底揚(yáng)壓力是主要荷載之一。 揚(yáng)壓力是在建筑物的上、下游靜水頭作用下所形成的滲流場(chǎng)產(chǎn)生的， 按垂直作用于建筑基底上的分布力計(jì)算。 基底揚(yáng)壓力由兩部分組成，一是下游水位引起的浮托力，二是上游水位與下游水位差引起的滲透壓力[1]。 浮托力的計(jì)算各規(guī)范規(guī)定均相同， 完全取決于下游水位及基底形狀， 而滲透壓力的取值還取決于對(duì)滲透壓力部分的揚(yáng)壓力折減系數(shù)， 揚(yáng)壓力折減系數(shù)如何取值對(duì)河床式廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

當(dāng)前水利水電工程中， 對(duì)于直接承受外水壓力的混凝土壩、水閘、河床式水電站廠房和泵站廠房等建筑物， 均要按照不同的建筑結(jié)構(gòu)類型和壩基處理方式、采用相應(yīng)的揚(yáng)壓力折減系數(shù)、對(duì)上下游水位差引起的滲透壓力進(jìn)行折減， 從而在整體穩(wěn)定計(jì)算中對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行合理取值， 節(jié)省工程投資。 本文將按照設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法得到的揚(yáng)壓力值與滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較， 對(duì)于兩者之間的差異進(jìn)行分析。 根據(jù)本工程排水高程低于下游水位較多的特點(diǎn)、提出新的計(jì)算方法，即浮托力按照排水廊道處的排水高程考慮、 對(duì)排水高程以上的揚(yáng)壓力進(jìn)行折減。 這種計(jì)算方法更符合本工程實(shí)際情況，也可為類似工程提供參考。

1 工程概況與計(jì)算模型

作用于基底的揚(yáng)壓力大小， 要根據(jù)廠房的結(jié)構(gòu)形式，上、下游水位，地基地質(zhì)條件及防滲、排水措施等實(shí)際情況確定。

伊辛巴水電站位于非洲烏干達(dá)南部、維多利亞湖和基奧加湖之間的丘陵區(qū)尼羅河上，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，為河床式廠房。 布置有4 臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，各機(jī)組段長(zhǎng)70.33m，寬23.9m，高45.9m。上游底板內(nèi)設(shè)灌漿排水廊道，并通過(guò)帷幕灌漿和排水孔降低廠房基底揚(yáng)壓力。 廠房因承受較高的水頭作用，故其四周均采用鋼筋混凝土水下墻結(jié)構(gòu)。本次采用正常運(yùn)行工況的水位組合對(duì)揚(yáng)壓力折減系數(shù)進(jìn)行研究，即上游正常蓄水位1 054.50m，下游4 臺(tái)機(jī)組滿發(fā)水位1 039.08m。 廠房地基為巖基，主要為角閃巖和花崗片麻巖， 角閃巖主要是有鎂鐵質(zhì)角閃巖構(gòu)成，含有少量石英石和長(zhǎng)石，強(qiáng)度較高，具有較低的滲透系數(shù)。 片麻巖基本為長(zhǎng)英質(zhì)巖，偶有角閃巖。 廠房上游側(cè)大部分坐落在角閃巖巖基上，下游坐落在花崗片麻巖巖基上。

取廠房結(jié)構(gòu)外輪廓作為計(jì)算模型， 計(jì)算模型示意圖及滲壓計(jì)布置見(jiàn)圖1。

圖1 廠房揚(yáng)壓力計(jì)算模型及滲壓計(jì)布置

2 揚(yáng)壓力計(jì)算方法及折減系數(shù)取值

影響揚(yáng)壓力的因素眾多，包括巖基孔隙、裂隙分布，防滲帷幕和排水措施等，難以用精確的理論方法對(duì)基底揚(yáng)壓力進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)前水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將揚(yáng)壓力分布簡(jiǎn)化為折線進(jìn)行計(jì)算。 對(duì)于直接承受水壓力的水工建筑物， 通常情況下需要采用防滲帷幕和排水孔等措施降低基底揚(yáng)壓力， 相應(yīng)地在計(jì)算中采用揚(yáng)壓力折減系數(shù)對(duì)滲透壓力進(jìn)行折減。 不同國(guó)家和地區(qū)規(guī)范對(duì)于揚(yáng)壓力折減的規(guī)定不盡相同。 伊辛巴水電站位于烏干達(dá)、為國(guó)外工程， 該工程業(yè)主聘請(qǐng)的咨詢工程師來(lái)自歐美多個(gè)國(guó)家，對(duì)于美國(guó)規(guī)范更為熟悉。 中國(guó)規(guī)范對(duì)于揚(yáng)壓力的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定在本工程的適用性、 需要通過(guò)與美國(guó)規(guī)范的對(duì)比進(jìn)行論證。 論證的結(jié)論也可為國(guó)內(nèi)規(guī)范在國(guó)際工程上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

2.1 中國(guó)規(guī)范

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，巖基上混凝土壩壩底面的揚(yáng)壓力分布可按下列情況確定：①若基礎(chǔ)不設(shè)防滲帷幕和排水孔， 則基底揚(yáng)壓力分布圖形為從上游至下游以直線相連， 即揚(yáng)壓力不折減；②基礎(chǔ)設(shè)有防滲帷幕和排水孔時(shí)，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α 取0.25； ③只設(shè)防滲帷幕而未設(shè)排水孔時(shí)，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α 可取0.5—0.7[2-3]。 根據(jù)混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，整體穩(wěn)定計(jì)算中，需要考慮排水失效、即視為未設(shè)排水孔情況下的揚(yáng)壓力、作為校核工況組合進(jìn)行復(fù)核[4]。

2.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)墾務(wù)局（USBR）規(guī)范《重力壩設(shè)計(jì)》規(guī)定：重力壩內(nèi)揚(yáng)壓力的分布可假定在排水孔處的壓力強(qiáng)度， 等于尾水處的壓力強(qiáng)度加上下游水位差的三分之一， 然后從該點(diǎn)起以直線分別延伸到上游水位和尾水位， 即相應(yīng)的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為α=0.33[5]。

美國(guó)陸軍工程師團(tuán)規(guī)范 《重力壩設(shè)計(jì)》（EM 1100-2-2200）指出：地基揚(yáng)壓力分布取決于排水孔和防滲帷幕的有效性，以及地質(zhì)條件（如基巖滲透性，裂隙，節(jié)理，斷層等）。 通常情況下?lián)P壓力并非線性分布，而是考慮排水孔的作用，采用揚(yáng)壓力折減系數(shù)，折減系數(shù)為α=0.50—0.75，對(duì)應(yīng)的排水能力E=25%—50%（α=1-E）[6]。

2.3 揚(yáng)壓力折減系數(shù)取值對(duì)比及設(shè)計(jì)取值

中國(guó)規(guī)范、 美國(guó)墾務(wù)局規(guī)范及美國(guó)陸軍工程量師團(tuán)規(guī)范對(duì)揚(yáng)壓力折減系數(shù)取值的規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 中美規(guī)范揚(yáng)壓力折減系數(shù)取值

根據(jù)以上對(duì)比可見(jiàn)， 中美兩國(guó)規(guī)范對(duì)于揚(yáng)壓力折減系數(shù)的取值規(guī)定差異不大， 美國(guó)規(guī)范偏于安全保守。 由于本工程基礎(chǔ)條件好、 基巖滲透性低，可采用中國(guó)規(guī)范。 對(duì)于同時(shí)考慮防滲帷幕和排水孔的設(shè)計(jì)工況，揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.25；對(duì)于排水孔堵塞、只有防滲帷幕發(fā)揮作用的校核工況，揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.6。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果及對(duì)比

3.1 滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值

廠房基礎(chǔ)內(nèi)自上游至下游布設(shè)4 支滲壓計(jì)，采用其中的3# 機(jī)組揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。3#機(jī)組滲壓計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 及圖2。

表2 廠房3# 機(jī)組滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值

圖2 廠房3# 機(jī)組滲壓計(jì)布置及實(shí)測(cè)值

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

為便于分析比較， 對(duì)計(jì)算值及實(shí)測(cè)值進(jìn)行歸一化處理， 即取排水孔堵塞失效工況下的滲壓計(jì)水頭（滲壓計(jì)測(cè)壓水位-滲壓計(jì)高程）作為1，其他工況下的滲壓計(jì)水頭采用相比排水孔失效工況下滲壓計(jì)水頭的百分比表示。 由于基底為折線形，采用“虛擬浸潤(rùn)線[8]”的方式、將揚(yáng)壓力分布線畫(huà)在基底上方，對(duì)比結(jié)果列于圖3 及表3。

根據(jù)以上對(duì)比可知：（1）排水孔失效和有效兩種工況下， 揚(yáng)壓力設(shè)計(jì)計(jì)算值均遠(yuǎn)大于揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)值，揚(yáng)壓力折減系數(shù)計(jì)算偏保守；（2）滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值在P3-2、P3-3、P3-4 等3 個(gè)測(cè)點(diǎn)處的滲壓計(jì)測(cè)壓水位小于下游水位， 表明基底揚(yáng)壓力設(shè)計(jì)值不僅可以對(duì)滲流壓力進(jìn)行折減， 還可以對(duì)浮托力部分進(jìn)行折減。

根據(jù)上述結(jié)果， 將揚(yáng)壓力計(jì)算中的浮托力按照灌漿排水廊道處的排水高程確定、 對(duì)排水高程以上的揚(yáng)壓力進(jìn)行折減，折減系數(shù)取0.25，揚(yáng)壓力分布見(jiàn)圖3 及表3。 根據(jù)對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，浮托力按照排水高程考慮、 揚(yáng)壓力分布更符合揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)情況。

表3 廠房3# 機(jī)組滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值

圖3 揚(yáng)壓力值對(duì)比

3.3 結(jié)果分析

在確定的水位組合及基底形狀等邊界條件下， 影響基底揚(yáng)壓力的因素主要包括以下3 個(gè)方面：巖基折減系數(shù)，灌漿帷幕及排水孔折減系數(shù)α，滲透壓力作用面積β[7-9]。

由于巖石中的滲流基本上是沿構(gòu)造破壞帶或裂隙進(jìn)行的， 而新鮮完整的巖塊在通常的水頭作用下是不透水的[8]，基底揚(yáng)壓力應(yīng)根據(jù)基巖新鮮程度對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行折減。 而我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中未考慮基巖新鮮程度對(duì)滲透壓力的折減[2，11]，相比實(shí)際情況偏保守。

巖基滲流是沿孔隙和裂縫流動(dòng)的， 傳到基底上的滲透壓力并非作用在底板全斷面上[8]，而是作用在這些孔隙和裂縫面積上。 由于滲透觀測(cè)資料很少， 估算層面或接觸面可能脫開(kāi)部分面積占總面積的百分比往往有困難，為偏安全計(jì)算，我國(guó)現(xiàn)行混凝土壩、水閘、水電站廠房和泵站廠房等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均假定計(jì)算截面上揚(yáng)壓力的作用面積系數(shù)取1.0，根據(jù)試驗(yàn)資料、面積系數(shù)要比1.0 小得多[2，11]。

從本工程及其他工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)： 揚(yáng)壓力的實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值小得多[2，10-13]，通常只有設(shè)計(jì)揚(yáng)壓力的60%—70%， 說(shuō)明揚(yáng)壓力折減系數(shù)α 取值通常偏保守。

綜上， 由于揚(yáng)壓力計(jì)算中未考慮巖基折減系數(shù)和面積系數(shù)，而本工程基巖新鮮完整、節(jié)理裂縫不發(fā)育， 因此在浮托力按照排水高程考慮的情況下、揚(yáng)壓力計(jì)算值仍大于實(shí)測(cè)值。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）烏干達(dá)伊辛巴水電站于2018 年底建成投產(chǎn)，迄今為止廠房運(yùn)行良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表明廠房穩(wěn)定計(jì)算安全可靠。

（2） 當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范中， 浮托力按下游水位計(jì)算。 而本工程中，尾水水位較高，排水高程低于下游水位較多，浮托力按照排水高程計(jì)算、對(duì)排水高程以上的揚(yáng)壓力進(jìn)行折減更符合實(shí)際情況。

（3）根據(jù)我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范、計(jì)算巖基基底揚(yáng)壓力時(shí)未考慮巖基折減系數(shù)和面積系數(shù)， 揚(yáng)壓力計(jì)算值取值偏高，計(jì)算結(jié)果偏保守，可研究采用巖基折減系數(shù)和面積系數(shù)對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行折減。參考文獻(xiàn)：

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