消力塘反拱底板安全优化方案

反拱形消力塘是利用天然河床基岩的形状，将底板做成拱形，利用拱形结构的力学特性，将射流冲击荷载传递到两岸山体或拱座，充分发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力，提高底板的整体局部稳定性。此外，反拱形消力塘较之平底板消力塘还可节省开挖及回填工程量，尽可能地减少对两岸基岩的扰动，有利于两岸山体及拱坝坝肩稳定，这在高应力地区尤为有利。

国外西班牙Susqueda双曲拱坝[1]最早采用了带预应力锚固的反拱消力池，其坝高135m，泄洪流量为2800m3/s，1968年建成。据第11届国际大坝会议介绍，南非P.R.Le.Roux双曲拱坝坝高107m，坝顶溢流和岸边溢洪道联合泄洪，坝顶最大泄量13000m3/s，坝下设反拱水垫塘，护坦采用高强度拉杆锚固，接缝处用350mm宽的橡皮止水，下游未设二道坝。格鲁吉亚著名的Inguri拱坝[2]，最大坝高272m，非常库水位与水垫塘底板高差246m。采用坝身表、深孔联合泄洪，表孔泄洪为主，坝下设水垫塘消能，其最大水垫深度为21～27m，底板厚度4 m，水垫塘外形为半径85m的扁拱形，大型楔形重力块间有止水，采用φ40mm钢筋连接，建在砂砾覆盖层上。在两岸重力式边墩共同作用下，底板相互形成拱的作用。真正水垫塘表底面都呈拱形的拱坝水垫塘是西班牙Susqueda拱坝，靠不厚的底板和比较多的锚杆保持稳定。在我国反拱形底板最早实践于水闸底板，马蹄形涵洞或隧洞的底拱与此类似。在溢流坝消力塘做反拱底板类似结构的是河北省朱庄水库[3]，为了减少两岸开挖和混凝土的浇筑，把消力塘做成复合型断面，但实际基岩开挖外形是反拱形。1995年长潭岗拱坝下游受到较严重的冲刷，2001年中南勘测设计研究院和湘西州水利水电设计院在其下游形成冲坑后，修建了反拱水垫塘，反拱底板厚为1.1m，采用了锚杆加固，底板接缝处下部设紫铜止水片，上部采用塑性止水材料。工程于2001年8月通过验收。目前拉西瓦电站反拱水垫塘正在施工当中。(www.xing528.com)

天津大学水利系在小湾[4]、构皮滩[5]、溪洛渡[6]、拉西瓦[7]等水电工程的试验中，均对反拱形消力塘进行了研究。国内的几位学者曾对反拱形底板的稳定性作过专门研究[8-23]。本章主要是针对工程实践中所关心的消力塘反拱底板安全问题，提出了反拱底板在复杂工作条件下的两种失稳模式，详细分析研究了消力塘内的各种水动力荷载特性，并提出一种可实现对消力塘反拱底板受力特点和失稳机制进行有效模拟的有限元模型，利用该模型对消力塘整体结构进行静（动）力非线性耦合分析，可对消力塘反拱底板的安全性作出全面的综合评价。