1、1对混凝土拱坝设计规范 SL282-2003 上有关水垫塘内动水压力允许值P 的讨论水电工程在拱坝下流河床内为了消能和防冲设水垫塘，规范上规定水垫塘内动水压力允许值P 应小于（ 10-15）9.81KPa，认为P 大于此值水流会把塘底板冲坏。因此，工程上为了安全，往往增设泄洪洞，以减小P 值。我们是多年从事水电工程泄水、消能、防冲设计的技术人员，我们当年第一个设计的葛洲坝、隔河岩等 4 个封闭抽排护坦，发表世界上第一篇岩基护坦设计的文章，第一篇泄水工程抗冲磨设计的文章，第一篇用工程地质和水力学相结合观点研究岩基冲刷的文章，第一个设计不对称宽尾墩加挑坎泄洪消能，有丰富的水电工程泄水、消能、防冲设
2、计经经验，对此设计规范上的P 限制，提出不同看法，供同行讨论。“封闭抽排护坦可解决P 增大对塘底板的破坏”一文，解决了P 增大水流对塘底板的破坏问题，突破了国家“七五” “八五”科技攻关的结论。现行规范突破后，大型水利、水电工程可不设泄洪洞，即节省投资，又简化了施工。如溪洛渡水电站若采用本文设计，可不设泄洪洞，节省投资十几亿元，经济效益显著。愿意研究此问题的单位，他们只需请有关专家审查即可。请有封闭抽排护坦设计经验的专家和“七五” “八五”科技攻关的专家指出文中存在问题，欢迎科研、高校、设计等同行对此问题研究、探讨。致礼长江水利委员会设计院枢纽处二室 黄国强 夏叶青另：文附后 地址：湖北武汉市
3、解放大道 1863 号 邮政编码：430010 2012 年 8 月 30 日H电话：027-82829230（家） 2封闭抽排护坦可解决水垫塘内动水压力允许值P 增大对塘底板的破坏1、问题的提出十年前见到某大型水电工程因混凝土拱坝设计规范 SL282-2003 要求下游水垫塘内动水压力允许值P 应小于 159.81Kpa，而增设几条泄洪洞，于是写了 “减少或取消泄洪洞的研究”一文；后来又见一些水电工程也因P 应小于159.81Kpa 而增设泄洪洞，在西南高山峡谷地区一条泄洪洞需几亿元的投资，于是就写了“水垫塘内动水压力允许值P 可以大于 159.81Kpa”一文；为了探讨规范上的规定是否合理
4、，于是又写了“关于水垫塘内动力压力允许值P 的取值问题”一文（两文先后登在“水电与新能源”期刊上） ；最近有一些水电工程设计因P 不能大于 159.81Kpa 而增设泄洪洞，于是就写了本文。本文的理念与现行规范上的规定，P 应小于（ 10-15）9.81Kpa，完全不同。2、对规范上有关P 的讨论在( SL282-2003）砼拱坝设计规范上，正文中没有谈到P 的问题，只是在条文说明中从第 1 19 页第 10 行到第 122 页倒 6 行谈到P 的问题。有两种意见，一是P 应小于（ 10-15）9.8KPa（以下简称甲方） ；二是P 可以大于(10-15）9.81KPa。 （以下简称乙方） 。
5、甲方意见如下：“关于冲击动水压力允许值。结合二滩工程和小湾工程的国家“七五” 、 “八五”科技攻关，对冲击动水压力允许值问题进行了专门研究，取得了大量的成果。攻关成果将冲击动水压力允许值作为水垫塘水深和板块稳定设计的控制性指标，并将该指标定为（10-15）9.81KPa。理由有三个：一是，159.81KPa 的冲击压力大致相当于冲击流速 20m/s，按 V=7 计算，DD 约为 8m，这与目前护坦板块的当量球径相当。二是，从大量试验研究成果看，混凝土板块的脉动上举力与冲击动水压力密切相关，冲击动水压力越大，脉动上举力也越大，板块的稳定性就越差。三是，从抗冲蚀破坏的角度看，混凝土足以抵抗 20m
6、/s 的射流冲击。 因此，认为以（1015）9.81KPa 作为冲击动水压力允许值是合适的。 ”对甲方的意见讨论如下：2.1、对甲方第一个理由的讨论2.1.1、冲在塘底板上的力是 Pmax 不是P。2.1.2、护坦板块的设计有各种公式 1，但从未用过公式 V=7 。此公式是球D体与流速之间的关系式。而对于长十几米，宽十几米，厚几十厘米到几米的护坦板，把它概化成球体，能用这种关系式吗？2.1.3、若甲方认为 Pmax 冲在板端头缝内，使板移动破坏。则在板缝上作止水就3可解决此问题。2.2、对甲方第二个理由的讨论2.2.1 、水力学专业作水垫塘水工模型试验时，用砂模拟基岩。塘底板放在模型砂上，板间
7、不作止水。在塘内翻滚区紧靠冲击区的底板承受的力，有板的浮容重P1，板上、板下面上的脉动压力 P3，冲击区内的最大冲击动水压力 Pmax，它们是经结构缝传到板下面面上的。板的安全系数 K 用下式（ 1）计算：（1）max312p从上式可知 K 值很小，远远小于 1.0。底板很容易被冲毁。一块板冲起，形成深坑。由于砂的水下安息角的作用，整个塘内冲成深坑。其次 Pmax 愈大，P 3 也愈大。Pmax、 P3 愈大，而 K 值也愈小。用文的第三部分解决此问题，即板间设止水。塘内的 Pmax、P 3 均进不到板下面，因此塘底板的安全完全不是公式（1）计算的结果。2.2.2、用砂模拟基岩作试验，水力学专
8、业也认这种方法不反映实际情况。但又无其他更好的方法取代，所以沿用至今。从工程地质专业来看，高坝都是建在一类岩石的新鲜岩石上。新鲜岩石表面有裂隙，但都是闭合的，水都进不去。这就是一些水电工程采用挑流消能而下游河床不作任何防冲措施的原因。当下游河床水舌落点处有弱软岩石，或有软弱破碎带，断层等地质缺现时，在下游河床采用工程措施防冲。水垫塘就是下游河床防冲的工程措施。水垫塘采用封闭抽排结构型式。其次板的砼又与基岩粘结在一起，其抗剪断强度 1. 50. 05Mpa12。当年葛洲坝工程在粘土质粉沙岩上作砼与基岩的抗拉试验，其抗拉强度达 5T（吨）m 2 ，证明砼与基岩之间存在粘着力，不是模型试验中模型砂与
9、塘底板之间没有一点粘着力。有了粘着力就是板间不设止水，P max、P 3 也进不到板下面把板欣起冲走。总之水工模型用砂模拟基岩作水垫塘的消能防冲试验，冲刷的结果与实际不符。2.3、对甲方第 3 个理由的讨论2.3.1、水流对塘底板砼冲蚀破坏的作用力是 Pmax，而不是 P。2.3.2、水流对底板砼的冲蚀破坏 5，目前只能按文中公式（6）计算。综上所述甲方的理由不能认同。2.4、在规范上乙方用大量的篇幅论述P 可以加大的理由，但就是没有具体提出解决甲方所担心的问题的办法，即塘底板抗浮问题，抗掀起和砼抗冲磨破坏问题等。本文 3 部分就是解决这些问题的办法。3、用封闭抽排护坦解决P 增大对塘底板的破
10、坏3.1 水垫塘底板结构 1底板结构形式有两种：一是封闭抽排形式；一是反拱形式。封闭抽排形式如下。为了减少塘的开挖方量和对拱座的影响，塘的建基面可放在河床岩石上。底板按实际地形设计。结构部件有底板结构缝上设止水；在塘四周设廊道，其内作帷幕排水；在底板下设排水沟，沟内积水流到集水井内，用泵抽出； 在塘底板表而 4设一层抗冲蚀混凝土；在板结构缝面上设键槽：在板表面设置一层钢筋网；在两道止水片之间设排水槽，用管子引入廊道；板块尺寸适当小点，基岩开挖应力求平整；锚桩；尾坎，高度以塘内水舌落点上下游水位接近为宜； 塘底板114高程，应使水舌入水处下游产生淹没水跃。反拱底板形式的设计、施工均比封闭抽排形式
11、复杂。塘底板的封闭抽排技术，即止水、排水、抽水等是坝工专业必用的、简单的、成熟技术。3.2 水垫塘底板抗浮稳定 2-43.2.1 塘底板上的作用力3.2.1.1 水舌产生的冲击动水压力 P2 和脉动压力 P3(1)冲击区的动水压力 P2 和脉动压力 p3。在无水工模型试验资料的情况下，根据前人室内试验成果、当塘内水深 h 小于或等于水舌入水处的宽度 b1 的 5 倍时，冲击在底板上的流速 V2=V1，V 1 为水舌入水处的流速；当 h5b1 时 V2 用式(2) 求得：（2）212)5(bv再用流速求得冲击动水压力 P2，P 2=Pmax。冲击区内的脉动压力 P3，为此处动水压力的 0.1 倍
12、。(2)翻滚区的动水压力 P2 和脉动压力 P3。此区水流向上翻滚又有大量气泡。特别是两个水舌之间的翻滚区，其内的 P2、P 3 目前只能从水工模型上测得。(3)时均压力区的动水压力 P2，脉动压力 P3。但都很小。3.2.1.2 塘底板上其他作用力有板自重 P1，锚筋抗拔力 P5，板下扬压力 P4 等。P 5=钢筋拉力=钢筋与砂浆之间的粘着力= 砂浆与孔壁之间的粘着力= 锚固的岩石重。(3)04)(ap下式中： 下 为下游水位； 0 为帷幕排水廊道高程；a 为扬压力系数，设计用0.4，校核用 0.6，为塘底板底高程。基础岩石与底板混凝土之间的粘着力不计。 3.2.2 、塘底板抗浮稳定塘底板采
13、用封闭排水形式，底板抗浮稳定用式（4）计算：（4）43521pk式中符号同前，有的工程不设锚筋则没有 P5。底板检修时抗浮稳定计算用式（5）：（5）451pk安全系数 K，设计情况为 1.3，校核情况为 1.05，检修情况为 1.0。冲击区内板的安全系数 K1 值最大，时均压区安全系数 K3 次之，翻滚区安全系数 K2 最小。当 K2 不满足要求时，可适当加厚底板；或加密锚筋间距；或降低帷幕排水廊道高程等方式，直到满足要求为止。万一还不满足要求时，可采取如下措施： 加高尾 1坎高程，或结合水垫建塘检修，采用隔河岩的保留下游围堰的措施； 用宽尾墩减 2小水舌入水宽度。如隔河岩尾墩收缩率 0.25
14、； 用隔河岩的不对称宽尾墩把水舌落 35点前后、左右错开。从前述式（2）可以看出这些措施使 Pmax 减小，P 2 增加，P 3 减小，K 2 增大，满足要求。尾坎加高和保留下游围堰，都会产生水流二次跌落。下游应作防冲，也不困难。总之用成熟的技术，可以解决抗浮稳定问题。3.3、塘底板混凝土冲蚀破坏 570 年代我国对混凝土冲磨破坏作了大量试验研究。混凝土强度愈高抗水冲击能力愈高。根据枢纽特征，要求的混凝土强度用式（6）计算：R01.25=24KTnv1.38 0.396/ （6）式中：R 0 为混凝土抗压强度，N/ cm2；K 为安全系数，取 2.0；T 为枢纽 1 年内泄水天数；n 为枢纽水
15、垫塘检修年限；V 为水流冲击流速， m/s; 为水中含砂量以kg/m3 计； 为抗冲磨混凝土厚度，以 cm 计。美国作过一个 100 号混凝土，用水流速度 53.0m/s 冲磨 24h，其表面只有轻微损坏。隔河岩水垫塘底板表而作一层 400 号混凝土厚 40cm，设计时在室内作 350号混凝土冲磨试验，水流流速达到 45m/s，表面无任何损坏。葛洲坝二江闸表面作400 号混凝土厚 40cm。大江闸作 450 号混凝土厚 40cm。小浪底工程用 700 号混凝土抗冲磨。三峡工程左岸临船封堵门门槽用 600 号硅粉加钢纤维混凝土。现场施工时抽样试验其强度大于 6.86 kN/cm2，而且是泵浇的。
16、目前国内已研究成功 400450 号混凝土，再加钢纤维，加硅粉，用高分子浸渍等，使混凝土强度大大提高。其次混凝土用铸石或铁矿石等作骨料提高混凝土抗冲能力。也可采用 3.2.2 节中的措施降低混凝土强度。3.4 塘底板掀起破坏 3.7.8.9pmax 进到板下，把板掀起破坏。进到板下面有如下 3 种途径： pmax 把结构缝 1上的止水冲坏，顺结构缝进去； 从塘底板上的贯穿性裂缝进去； pmax 把塘底板 2 3局部混凝土冲坏进到板下。进到板下又有三种情况：1 底板基岩不是微新岩石；2基岩是微新的、但有结构面或为高倾角的层状岩石；3 板的混凝土与基岩之间有缝隙。p max 进到板下缝内，在全缝面
17、上都是 pmax 的力，把板掀起。否则 pmax 就是进到板下，也进不到板下的缝内，更不会把板掀起。3.4.1 pmax 把止水片冲坏的可能性在塘底的板结构缝上设止水铜铜片厚 1.01.5mm，长 2835cm 两边埋在混凝土内 1015cm。设缝宽 1.0mm，最大时均动力压力为 9807kpa，也不会把它冲坏。冲坏止水有两种形式：一是把止水拉断：二是把止水从混凝土中拉出来。铜的抗拉强度 29.40 kN/cm2，而 9807kpa 水柱在缝宽 1.0mm 长 10mm 的止水上产生的力为98.07N，小于同面积铜片的拉力 2.94KN。其次混凝土与铜片之间的粘着力，只要大于 9.81N/c
18、m2 就不会把止水片拉出来。混凝土与铜片之间的粘着力远远大于1.0kg/cm2。底板缝宽实际上没有 1.0mm，因为底板混凝土都是在冬季浇筑或降低入仓温度浇筑。其最高温升与泄洪时的水温差别不大，甚至没有水温高，用此温差计算缝宽是很小的，甚至是压缝。板分块尺寸也多在 15.0m 以下。用此尺寸计算缝宽就更小了，止水片上的受力也就更小了。3.4.2 pmax 从板的贯穿性裂缝进到板下的可能性板上出现贯穿性裂缝，是由于混凝土浇筑时，入仓温度超过设计的温度而造成的；也有的是施工时寒潮冲击造成的。塘底板是薄壁结构，又处在基础强约束区内。6容易出现贯穿性裂缝。但是混凝土一般都在低温季节浇筑或采取了降低入仓
19、温度的措施。按混凝土施工规范设计和施工浇筑混凝土，不会产生裂缝，更不会产生贯穿性裂缝。板块尺寸较小，表面又设置了钢筋网，混凝土浇筑又连续进行，施工期寒潮袭击又及时加盖草袋保温，这些措施都能有效地防止裂缝，特别是贯穿性裂缝。70 年代施工的葛洲坝工程二江泄水闸消力池是目前最大的，近 100000m2，封闭抽排的面积达 140000 m2。施工时按施工规范施工，600 多块护坦板没有出现裂缝，特别是贯穿性裂缝。在底板施工完后在廊道内向排水槽通水，加压检查结构缝面上的止水效果很好。3.4.3、p max 把局部混凝土冲坏某工程一次洪峰把消力池冲成 40.0m 深坑，给人印象深刻。除了它为保下游人民生
20、命财产安全而超标准运行，加大水力学条件外，还有池底板混凝土施工时没有按规范进行。如混凝土施工间歇期超标，最长达 280d。混凝土的离差系数 0.38。这样的混凝土被水流很快冲坏了。基岩为层状岩石，层厚 3040cm，高倾角，其上有顺流向断层和两个垂直流向断层交会，所以把它冲成深坑。总之 3.4.1 至 3.4.3 节中它们施工质量的好坏，直接关系到 pmax 能否把底板掀起，冲坏。塘底混凝土施工按施工规范施工，不会出现前述问题。时间在前进，技术在发展，管理水平在提高，30a 后的今天施工质量会更好。何况塘底板混凝土与基岩间还有粘着力。它对塘底板抗浮稳定、掀起是有利的。4、调整泄水方案用封闭抽排
21、护坦解决P 增大对塘底板的破坏。因此，水垫塘内P 可大于159.81Kpa，p max 加大，坝体内表孔、深孔的泄量加大。坝体内孔的尺寸相应加大或增加孔数。参加泄洪的泄洪洞取消。如溪洛渡工程，泄水建筑物有表孔 7 个，尺寸为 12.5m13.5m，深孔 8 个尺寸为 6m16.7m，泄洪洞 4 个进口尺寸为14m12m。若将表孔孔高加高 4.0m 可省 1 个泄洪洞；若将深孔孔高加高 2.1m 又可省 1 个洞；若加 2 个表孔又可省 1 个洞；若加 2 个深孔又可节省 1 个洞。孔口尺寸加大或孔数增多，使坝体局部应力加大，采取工程措施解决。这是坝工专业的问题，也是一个可以解决的问题。P 增大
22、后，塘底板安全不满足要求时，可用前述 3.2.2 节的措施解决。总之用增加一点投资（坝体和水垫塘投资有微小增加） ，换回在泄洪洞上的投资节省。5、结束语5.1、用封闭抽排护坦可以解决P 增大后水舌对水垫塘底板的破坏。5.2、封闭抽排护坦设计、施工，都有成熟的经验，更有工程实践。5.3、敬请“七五” “八五”攻关的专家和砼拱坝设计规范制定的专家指点。参考文献：1黄国强：岩基基础护坦板设计J 人民长江 1983（6）2黄国强：隔河岩工程水垫式消能底板设计J 泄水工程与高速水流 1994（2）3黄国强：葛洲坝工程二江泄水闸封闭排水护坦板设计J人民长江 1985（1）4黄国强：减少或取消泄洪洞的研究Z
23、2006 年湖北省， 17-2007-A-007 号5黄国强：泄流表面抗冲磨设计J 人民珠江 1999（4）6黄国强：泄流高坝下游冲刷坑规模的探讨J 人民长江 1987（1）7黄国强：水垫塘消能建筑物的安全问题C/ 泄水工程与高速水流论文集 19998黄国强：基岩冲刷计算公式评述及基岩冲刷的研究J 水利水电工程地质 1993（1）9夏叶青，雷长海，蒋为群，黄国强，坝下游冲刷坑形成机理的探讨C/泄水工程调整水7流论文集 200610夏叶青、雷长海、游万敏：皂市水利枢纽泄洪消能建筑物水力设计J 人民长江2008（21）11隔河岩工程泄洪消能防冲设计初步研究J 水利水电技术 1992(10)12砼重力坝设计规范 SL319-2005黄国强 夏叶青 2012.1.2地址：湖北省武汉市解放大道 1863 号长江委设计院枢纽处二室。电话：027-82829230(家) 邮政编码：430010
