河床式厂房基底扬压力折减系数取值研究

2022-07-01鲁礼慧

吉林水利 2022年4期

鲁礼慧

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

在河床式厂房整体稳定计算中，基底扬压力是主要荷载之一。扬压力是在建筑物的上、下游静水头作用下所形成的渗流场产生的，按垂直作用于建筑基底上的分布力计算。基底扬压力由两部分组成，一是下游水位引起的浮托力，二是上游水位与下游水位差引起的渗透压力[1]。浮托力的计算各规范规定均相同，完全取决于下游水位及基底形状，而渗透压力的取值还取决于对渗透压力部分的扬压力折减系数，扬压力折减系数如何取值对河床式厂房的结构设计具有重要意义。

当前水利水电工程中，对于直接承受外水压力的混凝土坝、水闸、河床式水电站厂房和泵站厂房等建筑物，均要按照不同的建筑结构类型和坝基处理方式、采用相应的扬压力折减系数、对上下游水位差引起的渗透压力进行折减，从而在整体稳定计算中对扬压力进行合理取值，节省工程投资。本文将按照设计规范规定的计算方法得到的扬压力值与渗压计实测值进行比较，对于两者之间的差异进行分析。根据本工程排水高程低于下游水位较多的特点、提出新的计算方法，即浮托力按照排水廊道处的排水高程考虑、对排水高程以上的扬压力进行折减。这种计算方法更符合本工程实际情况，也可为类似工程提供参考。

1 工程概况与计算模型

作用于基底的扬压力大小，要根据厂房的结构形式，上、下游水位，地基地质条件及防渗、排水措施等实际情况确定。

伊辛巴水电站位于非洲乌干达南部、维多利亚湖和基奥加湖之间的丘陵区尼罗河上，开发任务以发电为主，为河床式厂房。布置有4 台水轮发电机组，各机组段长70.33m，宽23.9m，高45.9m。上游底板内设灌浆排水廊道，并通过帷幕灌浆和排水孔降低厂房基底扬压力。厂房因承受较高的水头作用，故其四周均采用钢筋混凝土水下墙结构。本次采用正常运行工况的水位组合对扬压力折减系数进行研究，即上游正常蓄水位1 054.50m，下游4 台机组满发水位1 039.08m。厂房地基为岩基，主要为角闪岩和花岗片麻岩，角闪岩主要是有镁铁质角闪岩构成，含有少量石英石和长石，强度较高，具有较低的渗透系数。片麻岩基本为长英质岩，偶有角闪岩。厂房上游侧大部分坐落在角闪岩岩基上，下游坐落在花岗片麻岩岩基上。

取厂房结构外轮廓作为计算模型，计算模型示意图及渗压计布置见图1。

图1 厂房扬压力计算模型及渗压计布置

2 扬压力计算方法及折减系数取值

影响扬压力的因素众多，包括岩基孔隙、裂隙分布，防渗帷幕和排水措施等，难以用精确的理论方法对基底扬压力进行计算。当前水工结构设计中，将扬压力分布简化为折线进行计算。对于直接承受水压力的水工建筑物，通常情况下需要采用防渗帷幕和排水孔等措施降低基底扬压力，相应地在计算中采用扬压力折减系数对渗透压力进行折减。不同国家和地区规范对于扬压力折减的规定不尽相同。伊辛巴水电站位于乌干达、为国外工程，该工程业主聘请的咨询工程师来自欧美多个国家，对于美国规范更为熟悉。中国规范对于扬压力的设计计算规定在本工程的适用性、需要通过与美国规范的对比进行论证。论证的结论也可为国内规范在国际工程上的进一步推广应用奠定良好基础。

2.1 中国规范

根据《水工建筑物荷载设计规范》，岩基上混凝土坝坝底面的扬压力分布可按下列情况确定：①若基础不设防渗帷幕和排水孔，则基底扬压力分布图形为从上游至下游以直线相连，即扬压力不折减；②基础设有防渗帷幕和排水孔时，扬压力折减系数α 取0.25； ③只设防渗帷幕而未设排水孔时，扬压力折减系数α 可取0.5—0.7[2-3]。根据混凝土重力坝设计规范，整体稳定计算中，需要考虑排水失效、即视为未设排水孔情况下的扬压力、作为校核工况组合进行复核[4]。

2.2 美国规范

美国垦务局（USBR）规范《重力坝设计》规定：重力坝内扬压力的分布可假定在排水孔处的压力强度，等于尾水处的压力强度加上下游水位差的三分之一，然后从该点起以直线分别延伸到上游水位和尾水位，即相应的扬压力折减系数为α=0.33[5]。

美国陆军工程师团规范《重力坝设计》（EM 1100-2-2200）指出：地基扬压力分布取决于排水孔和防渗帷幕的有效性，以及地质条件（如基岩渗透性，裂隙，节理，断层等）。通常情况下扬压力并非线性分布，而是考虑排水孔的作用，采用扬压力折减系数，折减系数为α=0.50—0.75，对应的排水能力E=25%—50%（α=1-E）[6]。

2.3 扬压力折减系数取值对比及设计取值

中国规范、美国垦务局规范及美国陆军工程量师团规范对扬压力折减系数取值的规定见表1。

表1 中美规范扬压力折减系数取值

根据以上对比可见，中美两国规范对于扬压力折减系数的取值规定差异不大，美国规范偏于安全保守。由于本工程基础条件好、基岩渗透性低，可采用中国规范。对于同时考虑防渗帷幕和排水孔的设计工况，扬压力折减系数取0.25；对于排水孔堵塞、只有防渗帷幕发挥作用的校核工况，扬压力折减系数取0.6。

3 实测结果及对比

3.1 渗压计实测值

厂房基础内自上游至下游布设4 支渗压计，采用其中的3# 机组扬压力实测值进行对比分析。3#机组渗压计实测数据如表2 及图2。

表2 厂房3# 机组渗压计实测值

图2 厂房3# 机组渗压计布置及实测值

3.2 设计计算值与实测值对比

为便于分析比较，对计算值及实测值进行归一化处理，即取排水孔堵塞失效工况下的渗压计水头（渗压计测压水位-渗压计高程）作为1，其他工况下的渗压计水头采用相比排水孔失效工况下渗压计水头的百分比表示。由于基底为折线形，采用“虚拟浸润线[8]”的方式、将扬压力分布线画在基底上方，对比结果列于图3 及表3。

根据以上对比可知：（1）排水孔失效和有效两种工况下，扬压力设计计算值均远大于扬压力实测值，扬压力折减系数计算偏保守；（2）渗压计实测值在P3-2、P3-3、P3-4 等3 个测点处的渗压计测压水位小于下游水位，表明基底扬压力设计值不仅可以对渗流压力进行折减，还可以对浮托力部分进行折减。

根据上述结果，将扬压力计算中的浮托力按照灌浆排水廊道处的排水高程确定、对排水高程以上的扬压力进行折减，折减系数取0.25，扬压力分布见图3 及表3。根据对比结果可见，浮托力按照排水高程考虑、扬压力分布更符合扬压力实测情况。

表3 厂房3# 机组渗压计实测值

图3 扬压力值对比

3.3 结果分析

在确定的水位组合及基底形状等边界条件下，影响基底扬压力的因素主要包括以下3 个方面：岩基折减系数，灌浆帷幕及排水孔折减系数α，渗透压力作用面积β[7-9]。

由于岩石中的渗流基本上是沿构造破坏带或裂隙进行的，而新鲜完整的岩块在通常的水头作用下是不透水的[8]，基底扬压力应根据基岩新鲜程度对扬压力进行折减。而我国设计规范中未考虑基岩新鲜程度对渗透压力的折减[2，11]，相比实际情况偏保守。

岩基渗流是沿孔隙和裂缝流动的，传到基底上的渗透压力并非作用在底板全断面上[8]，而是作用在这些孔隙和裂缝面积上。由于渗透观测资料很少，估算层面或接触面可能脱开部分面积占总面积的百分比往往有困难，为偏安全计算，我国现行混凝土坝、水闸、水电站厂房和泵站厂房等设计标准均假定计算截面上扬压力的作用面积系数取1.0，根据试验资料、面积系数要比1.0 小得多[2，11]。

从本工程及其他工程实测数据发现：扬压力的实测值比设计值小得多[2，10-13]，通常只有设计扬压力的60%—70%，说明扬压力折减系数α 取值通常偏保守。

综上，由于扬压力计算中未考虑岩基折减系数和面积系数，而本工程基岩新鲜完整、节理裂缝不发育，因此在浮托力按照排水高程考虑的情况下、扬压力计算值仍大于实测值。