在止水破坏情况下，分析消力塘衬砌板块稳定性通常考虑的荷载有重力、板块和基岩的锚固力、板块下的扬压力、板块上下表面由大尺度紊动涡旋引起的动水压力。其中消力塘衬砌板块下表面所承受的扬压力主要是上游库水位和下游尾水引起的渗透压力，渗透压力与上下游水位、渗流量等密切相关。上表面动水压力与泄流消能方式、库水位及运行条件有关。止水破坏后，动水压力由止水缝传入底板块底层缝隙中，渗透压力则在止水缝隙处得到释放。板块下表面承受着动水压力和渗透压力的共同作用，二者耦合对消力塘底板稳定性产生着重要的影响。因此，开展底部渗压与表面动水压力耦合作用机理研究有着重要的实际意义。相关的研究在底流消力池中进行，对渗压耦合情况下衬砌板块上、下表面的沿程动水压力和板块所受上举力进行了测量，分析了这些参数在渗压耦合作用下的变化规律。
2.2.6.1 实验装置与实验方案
实验所用水槽和渗压的模拟方法如图2.42所示。整个水槽由进水段、工作段和退水段三部分组成。进水段为高水箱，长4.1m，宽1.2m，高4.4m，内设一消浪栅和平水装置，最大供水能力为0.4m3/s。工作段为用型钢支撑的矩形水槽，长14m、宽0.6m、高1.0m。水槽的底板为3cm厚的灰塑料板，用来模拟地基，一侧壁为灰塑料板，另一侧壁为观察流态需要采用有机玻璃板。槽内水位由人字门调节，用安装在水槽尾部的测针测量，流量用可换装的矩形量水堰或90°三角形量水堰。悬挂的小水箱给板块下表面与水槽底板间缝隙补水加压。其中工作段模型如图2.43所示，总长2m，上游到下游依次定义为上游渗压耦合区、动水压力区，下游渗压耦合区。动水压力区布置有3块底板，板块尺寸均为20cm（长）×20cm（宽）×3cm（厚），板块间缝隙为2mm，板块与水槽底板间缝隙的宽度为0.5mm。
图2.42 实验装置图
图2.43 工作段示意图
实验模拟了4种止水破坏方式。模型1：2号板块上游迎水面止水破坏；模型2：2号板块上、下游止水均破坏；模型3：2号板块四周止水全部破坏；模型4：三个板块的12条止水缝隙均破坏。每种模型测试的工况相同，见表2.1。传感器布置于水槽中心线，2号板块同时进行了上举力观测。测点位置坐标均为无量纲化坐标，X=x/e，其中x为测点距有压出口的距离，e为有压出口高度。
表2.1 实验工况
续表
注 采样频率为50Hz、100Hz。
2.2.6.2 考虑渗压耦合作用的板块下表面动水压力分析
在实验模拟的4种止水破坏方式中，模型4的止水破坏程度最高，渗压释放得最为充分，以模型4的实验结果为例，对考虑渗压耦合作用的板块下表面动水压力进行分析。
1.时均动水压强分布
保持下游渗压水位为1.0m，上游渗压水位依次变化为1.5m、2.0m、2.5m，分别测试了弗劳德数为3.62、4.35、5.08三种工况下时均动水压力的沿程分布，如图2.44～图2.46所示。其中，时均动水压力强度系数Cp=p mean/（v 2/2g）。
图2.44 考虑渗压耦合的时均压强系数沿程变化
实验结果表明：止水破坏后，在渗透压力和上表面动水压力耦合作用下，上游耦合区板块下表面动水压强的时均值较不考虑渗压时有明显的提高，并随渗径的增长逐步衰减，这种影响随Fr的增大而较小，并且与渗流量有密切关系。在渗流量不变的情况下（本实验中为总流量的0.27‰～0.53‰），即使增大上游渗压水位，渗透压力增加也不大。(www.xing528.com)
在动水压力区，渗透压强在止水缝隙得到完全释放，因此，渗压作用对动水压力区的时均动水压强没有影响。在下游耦合区，上表面的动水压力通过止水缝隙传入，主要受上表面动水压力控制，渗压耦合作用比较微弱，在粗略估计时可以忽略这种影响。
2.脉动压强分布
图2.45 考虑渗压耦合的时均压强系数沿程变化
图2.46 考虑渗压耦合的时均压强系数沿程变化
在渗压的耦合作用下，脉动压力强度系数比无压时的情况没有明显变化，可以认为渗透压力对底板下表面的脉动压力无影响。图2.47，图2.48给出了典型工况的脉动压力强度沿程分布情况。其中，脉动压力强度系数C′p=σ/（v2/2g）。
图2.47 模型1脉动压力的沿程分布规律
图2.48 模型4脉动压力的沿程分布规律
2.2.6.3 止水破坏位置对渗压耦合作用的影响
渗透压力经过沿程的衰减后，在止水破坏处的伸缩缝得到释放，止水破坏的位置会对渗透压力的释放有一定的影响。以下对不同模型底板下表面动水压力场进行对比分析，研究止水破坏位置不同对渗压耦合作用的影响。由于在动水压力区和下游耦合区渗压耦合作用对底板下表面动水压强的影响较小，因此研究中只对比上游耦合区的时均动水压强系数变化。
图2.49给出了相同上游渗压水位、相同Fr数时不同模型的时均动水压强沿程变化，从中可以看出：
（1）在渗压耦合作用情况下，底板下表面时均动水压强最大值出现在上游渗压补水处，随着渗径的增长依次递减。
（2）在流量不变的情况下，提高上游渗压水位，底板下表面时均压强的增大不明显；只要有完好的止水帷幕和抽排设施，不使渗流量增大，库水位的增大不会带来更大的渗透压力。
（3）随着止水破坏位置的增多，渗压释放更加充分，但时均压强沿程降低幅度并不大；因此，实际工程中，排水孔的数量只要使渗压达到完全释放即可。
（4）当渗压水头较低时，在靠近破坏止水处的几个测点，渗压耦合作用已经变得较为微弱。
图2.49 止水破坏位置对渗压耦合作用的影响
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
