透水底板稳定性的研究与优化

迄今为止，关于消力塘防护结构稳定性的研究都局限于一种“被动防护”的模式，即在特定荷载作用下，研究如何使结构具有抵抗这一荷载的能力，相应的措施包括设抽排、加锚固，或加大结构尺寸。然而，由于技术上的原因，有时上述各种手段在巨大的动水荷载面前显得无能为力：抽排设施可能会发生机械或电气故障而不能正常工作，或渗水量太大无法满足要求；锚固力不可能无限制地加大；而增加底板厚度的效果只能是事倍功半。为此，有学者在消力塘防护结构的研究上作了一些工作，力图寻求新的突破，从根本上改变防护的理念。

目前，工程上采用的消力塘底板通常是不透水的平底板。这种结构会导致底板上表面和底面有很大的压力差，为抵抗这些压力差，底板块的厚度必须加大或者增加锚固钢筋，抑或增设抽排。增加底板厚度的效果只能是事倍功半；锚固力不可能无限制地加大。有关研究结果显示，国内拟建的某些高坝消力塘水动力荷载的量级达到300k N/m2以上，按目前的技术水平，锚固力只能提供100k N/m2的抗力，自重可提供50k N/m2左右（厚度3～4m），尚有150k N/m2的“亏空”；抽排设施可能会发生机械或电气故障而不能正常工作。因此这种防护理念势必会造成很被动的局面，几乎所有已建、在建和拟建工程都将面临相似的威胁。如果在消力塘底板中设置透水孔，底板上下表面的压力波可以相互传递，这样就可以消除底板上下表面的压力差，这样就可以减少底板的厚度，节省混凝土方。(www.xing528.com)

20世纪60年代，北京水利水电科学研究院的哈焕文[51]曾通过实验研究了透水护坦的水力特性。研究表明：①当滚水坝下游为底流水跃时在护坦范围内设置排水孔（排水孔面积与护坦板面积之比为5%～8%时），不仅能消除作为计算护坦板厚度时主要荷载的压力差，而且可以减少护坦板上的脉动荷载，因而透水护坦的厚度比不透水结构减小1/2～2/3；②排水孔面积与板面积之比越大，传递到护坦板下的脉动压力越大，当面积之比为5%时，用点压力传送器测得的护坦底面的脉动压强系数为0.06。研究还表明作用在护坦板表面和底面的脉动压力有符号相反的倾向，同时发生相位差，这能使作用在护坦板表面及底面的脉动荷载发生了平均，从而减小底板上下表面的压力差。天津大学王继敏在1995年结合乌江构皮滩拱坝消力塘，研究了透水反拱底板的稳定性。乌江索风营水电站消力塘的透水底板目前已经施工。本文通过模型试验，研究开孔率对底板水动力荷载的影响，为消力塘防护结构“主动防护”模式在工程中的应用作积极探索。