摘 要：文章中就消力池破坏原因进行了分析，得出其主要表现在底板失稳破坏、空蚀破坏和护坦冲磨破坏三方面。
关键词：底流消力池；底板失稳；空蚀；护坦
中图分类号：TV6：文献标识码：A：文章编号：1673-9671-(2012)022-0153-01
引起消力池破坏的问题很多，其中最主要的是消力池的底板失稳破坏、空蚀破坏和护坦冲磨破坏。以下就从这三个方面结合实例详细探析。
1底板失稳问题和解决方法探析
消力池底板失稳主要是升浮移动失稳和翻转失稳。消力池底板失稳的两个主要破坏模式为：①强烈的脉动荷载在瞬间直接造成板块失稳破坏；②脉动荷载造成板块间止水的破坏后，因动水压力的传递引起板块失稳破坏。消力池底板属轻型结构，水跃区压力脉动与建筑物结构的振动、抗冲、稳定等直接相关。脉动压力具有周期性变化，压力时大时小，当脉动压力的方向和底板下的扬压力的方向相同时，对底板产生上举力；反之则产生下坐力。在这种反复载荷作用下，底板会产生一定强度的振动，导致消力池底板与基岩产生裂缝；若伸缩缝间止水不良，脉动压力可能会传至底板下面。由于脉动压力有可能在瞬时使整个底板的上下两面同时受到上举力，若上举力比消力池底板的重力和锚筋的抗拉力大，底板则可能被上抬，最终导致失事。当脉动频率与消力池的 自振频率一致或相近时，还可能引起共振，对消力池安全也会构成威胁。因此，在进行消力池底板设计或修复时，有必要通过物理模型对消力池底板的水跃脉动荷载和脉动频率进行研究，并结合消力池底板自振频率估算，分析消力池产生共振的可能性，从而避免消力池底板的失稳破坏。除此之外，在进行消力池底板设计或修复时，可根据要求采用深长锚杆或锚筋，将底板和基岩紧密结合起来，共同承受动水压力作用，必要时应加 强固结灌浆。还可以通过在溢 流坝或其他泄洪建筑物上增加其他 消能工，如宽尾墩等，从而改善入池水流的水力特性。
安康水电站表孔消力池于1991年汛期开始泄洪过水，运行至1996年，首次抽干池内积水对池底板进行检查，发现消力池底板表面抗冲层和基础混凝土脱开形成水平间隙，表孔泄洪时，脉动水压力使缝隙张开或闭合，这样反复作用会使间隙两侧混凝土严重受损，间隙越来越大，以致影响拉应力和剪应力传递，最终威胁消力池的安全。为此进行了两次加固处理 ，两次分别布设锚筋3 952根和预应力锚杆1 605根，从而有效地恢复了消力池抗冲层与基础混凝土之间的整体性。此外，由于表孔泄洪时消力池底板处于震动状态，因此，每次抽水检查消力池底板都有新的裂缝出现，这有可能导致底板失稳。为此对消力池进行了修补，前三次修补用了凿槽充填法，在槽中充填密封材料。经过泄洪检验后，发现无论充填什 么材料 ，效果均不理想。第四次处理改用无损化学灌浆法，此法无需在缝面凿槽，采用贴嘴或钻细孔方式对裂缝进行化学灌浆，灌浆材料采用低黏度环氧灌浆材料。这次处理后，底板下面排水廊道内的漏水量显著降低，且多年保持稳定。
2空蝕破坏问题和解决办法
当高速水流直接冲击消力池底板时容易诱发空化空蚀破坏。另外，高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后也会出现空化空蚀破坏。对于跌坎式或采用趾墩的底流消力池 ，在跌坎区或趾墩尾部会产生立轴漩涡和横轴漩涡，其与主流会产生剪切空化，若剪切空化触及固壁，则会产生空蚀破坏。因此，在消力池设计或运行时，若发现有空化空蚀问题，则有必要通过减压试验对消力池的空化特性进行研究，找出导致空蚀破坏的原因，从而对消力池体型进行优化，避免或减少空蚀破坏问题发生。对于已经空蚀破坏了的底板、护坦或趾墩等，可以采用抗蚀材料进行修补。
陆水蒲圻水利枢纽溢流坝采用趾墩消力池进行泄洪消能。在泄洪期间，当堰顶水头超过6.5 nl后，观测人员在导墙及闸墩上能感觉到消力池中巨大的类似锤击的声响，汛后抽水检查发现，趾墩和消力墩本身均未受损，但紧接每个趾墩下游的消力池护坦表面均出现一对近于对称的蚀损坑，大部分蚀损坑内钢筋露出，甚至断裂。通过原型观测及减压试验发现趾墩过流时形成的马蹄形立轴漩涡是导致护坦空蚀破坏的原因。于是对消力池进行体型优化，经研究决定将消力池池首的趾墩改为差动坎，这样既保持了漩涡的消能作用，同时又能避免水流界壁空蚀。
3护坦冲磨破坏问题和实例解决方案
卵石和蛮石随高速水流过坝入泄，进入消力池磨撞消力池壁、护坦，会引起消力池护坦的冲磨破坏。此外，消力池尾坎后河床 内的泥沙或卵石也有可能被紊动水流卷进消力池内，从而导致消力池护坦韵磨蚀破坏。如果泄洪闸操作运行不当，容易使进人消力池内的水流扩散不对称，间歇地左右摆动，蜿蜒前进，形成折冲水流。折冲水流的冲刷能力很强，会造成护坦局部冲刷破坏。对于消力池护坦冲磨破坏的问题，可以采取下列措施：①在溢流坝面上增加其他形式的消能工，改善入池水流水力条件，从而减少水流对消力池护坦的冲刷作用；②对被冲磨破坏的消力池护坦进行修补，可采用合适的耐冲磨材料。
萨扬舒申斯克水电站的消力池第一次通过小洪水之后，消力池底部锚固在岩基上3 m厚的钢筋混凝土护坦被冲坏了，消力池底坚硬岩基由于洪水急流而脱落。为了大量减少水流对萨扬舒申斯克水电站消力池破坏段的动能冲刷作用，在消力池设计水位以下的溢流面上采用分流坝进行分流。即在消力池水位以上的溢流坝面下部安设纵向隔墙，隔墙上端与溢流面的倾斜交角小于30°以便减少浮冰和硬杂物对隔墙上的动力冲刷作用。隔墙将溢流坝面分成3个溢水道，从而在消力池水位以上的溢流面结构实现水流流态的变化。这样，可减少工程改建的繁重的工作量，并保证减少它们所占的工程量，可以大大地减少水流对消力池护坦的动力冲刷作用。
高滩水电站枢纽工程是沅水流域一级支流酉水最末一级水电站，设计流量为18 100 m3/s，工程正常运行后，每年都经历大洪水。1998年7月发生了超历史洪水和设计标准洪水 ，最大洪峰流量18 512 m3/s，全年发生多次洪峰。汛后对水工建筑物全面检查，发现6～8号溢流坝消力池护坦有不同程度冲蚀磨损破坏，面层钢筋被冲刷折断或扭曲，表面混凝土完全破坏，其他部位也大多表层混凝土受损，钢筋裸露。6号和8号孔消力池在两排消力墩之间各冲出一个深坑，深度达3.5 m以上，已至基岩面2 m以下，严重影响工程安全。为此，对消力池底板作全面积凿毛处理，保证硅粉混凝土厚度30 cm。处理后池面标高仍为高程 101.60 m。对于原混凝土冲蚀深度大于30 cm的部位亦凿毛，深度约10 cm。对冲蚀深度很大的深坑，凿毛、清理干净后，坑底部用C30微膨胀混凝土回填，留出复合硅粉混凝土厚度 80 cm，即浇至100.8 m。在其中铺设双层＆14@15cm的筋网后再浇筑80 cm厚复合硅粉混凝土面层。经过处理后，提高了消力池的抗冲磨能力，延长了消力池的使用寿命。
底流消力池的底板失稳方面，可以通过物理模型试验优化消力池体型、改善消力池池内水流流态、锚筋或锚杆加固等方式，避免或减少底板 的失稳破坏 ；底流消力池空化空蚀方面，可以通过原型观测并进行减压模型试验优化体型，或者采用一些抗蚀材料，避免或减少消力池的空蚀破坏；底流消力池护坦冲磨方面，也需要通过改善人池水流水力特性、流态，达到减少护坦冲磨破坏的目的。对已建底流消力池工程所遇到的主要水力学问题及其相应的解决措施进行总结，可为以后我国相关工程问题的解决提供参考。当然，有一些问题还没有得到根本性解决，如泥沙、卵石随水流入池问题等，有待结合具体工程情况进一步研究。
参考文献
[1]屈高见,韩建新.安康水电站表孔消力池病害处治[J].水利水电施工,2008,4:51-54.
[2]刘沛清,高季章,李桂芬.五强溪水电站右消力池底板块失事分析[J].水利学报,1991,I:8-16.
[3]金峰,陈济生,余建民.陆水蒲圻水利枢纽溢流坝消力池空化与空蚀问题研究[J].长江志季刊,2004,1:60-63.
[4]王平,肖红霞.高滩水电站枢纽工程溢流堰及消力池冲蚀破坏成因分析与处险修复[J].湖南水利水电,2007,2:4-5.