第七节　消力池底板厚度

§7.Thickness of bottom of stilling basin

闸坝工程的消力池底板厚度，必须同时满足抗冲和抗浮要求。前者取决于作用在底板表面的水流冲击力，后者则取决于作用在闸基的渗流扬压力。这是两种不同性质的力，其分析方法也不同。现在分述如下[14]。

一、按抗冲要求所需的底板厚度

这里用冲量原理作为分析的基础。消力池的水流冲击力，是由于消力池首、尾两端的动量骤变而引起的，即

因为v1≫v2，可略去v2不计，且v1=2gΔH，ρ=1t/m3，g=9.8m/s2，并设α1=1.1，代入式（2-63），则得单宽消力池的水流冲击力为

式中　ΔH——上、下游水位差，m；

q——单宽流量，m2/s。

表2-2列举了国内15个水闸的有关资料，并按式（2-64）计算单宽冲击力。这些水闸都是修建在软土地基上，故彼此具有可比性。由表2-2可见，国内大中型水闸的消力池首端底板厚度一般在0.5～1.0m之间，池首弗劳德数Fr1=2～6，水流冲力F=5～30tf/m。总的趋势是池首底板厚度随着冲力增大而增大。为便于同现有公式进行比较，将冲力F开方，然后绘制关系曲线，见图2-39。由图2-39可见，国内水闸的绝大部分点子落在图中Ⅱ、Ⅳ两条直线之间，其中黑点子表示经过实践考验的水闸。

根据图2-39，可以按抗冲要求得出池首底板厚度的经验公式为

式中　K——系数，在0.15～0.25之间。

如与常用公式进行比较，式（2-65）可改写成

式中　K1——系数，K1=0.5K，其值在0.11～0.18之间，视建筑物等级与地基土质

而定，国内水闸设计规范中的K1值为0.18～0.20。

为了对式（2-65）的适用性有进一步的认识，不妨举几个实例说明。图2-39直线Ⅱ以上的2、4两座水闸，即江苏的皂河闸和刘老涧闸，这两座闸的底板厚度所以大，是因为按抗浮要求确定的，而直线Ⅳ以下的5、7两座水闸，即江苏的三河闸和万福闸，它们的底板厚度偏小，倒是值得注意的。至于苏联早期水闸消力池底板厚度普遍偏大的问题，主要原因是在20世纪50年代初，对消力池内的脉动压力估计过高所致，特别在当时对“点”与“面”的脉动幅值缺乏正确的认识。50年代中期以后，随着量测仪器的进步，苏联专家们已经察觉到这一点。1957年，苏联И.И.塔拉依莫维奇通过苏联水闸的统计分析，得出修正后的池首底板厚度的计算公式与式（2-65）相同，只是系数K=0.4，相当于图2-39中的直线Ⅰ。若按此计算，国内大多数水闸的池首底板厚度均嫌不够。然而，经过数十年来的运行考验，这些水闸的消力池大都完好无损。说明应用式（2-65）计算池首底板厚度是安全经济的。

此外，从冲力观点来看，消力池底板的首端和末端采用同样的厚度显然是不合理的。因为冲力总是随着消力池的纵向距离而逐步减弱，直至水跃尾部接近消失。所以，该处的底板厚度只需满足构造厚度即可（一般不小于0.5m）。至于首、末端池底板厚度的比值，一般规范建议为2∶1，这是符合我国实际情况的。江苏水闸的底板末端厚度多为0.5m，按此推算，首端厚度应为1.0m，相当于在的范围内（图2-39）。其他平原地区的水闸也基本如此。

二、按抗浮要求计算消力池底板厚度

消力池的底板厚度，除满足上述抗冲要求外，尚需校核在闸基渗流作用下底板的强度及其稳定性。具体说，底板各点的扬压力需与底板自重及其上的水重相平衡，其厚度计算方法及考虑的适用情况，可参考第五章第五节。

从抗浮观点来看，采用等厚度的消力池底板同样是不合理的。因为在底流消能情况下，为获得较好的消能效果，总是把水跃控制在消力池斜坡末端。这样，斜坡上的扬压力总是大于其他部位，特别是在跃首部位。因此，消力池斜坡段的底板厚度大于乎底段才是合理的。这一结论与前述抗冲要求是一致的。

综上所述，水闸消力池底板厚度的设计，大体上可分作两步：首先，按抗冲要求初步确定底板厚度；其次，根据抗浮要求校核整块底板的稳定性。然后，取两者之中的大值，确定底板的最终厚度。尽管如此，在确定消力池厚度方面，目前仍存在着相当大的不确定因素，诸如：材料强度、施工质量、地基性质和防渗措施的有效性等。因此，选用适当的安全系数还是必要的。

三、应用实例

【例】　三河闸是江苏最大的水闸，现有池首厚度只有0.5m，鉴于工况和水情发生变化，决定对该闸进行全面加固，而消力池底板加厚即其中之一。试计算消力池底板厚度。

【解】　根据加固后的设计标准，最大单宽流量q=19.05m2/s，上、下游水位差ΔH=3.30m，代入式（2-65）得池首底板厚度（三河闸是大型重要工程，取K=0.25）为

设计加固的池首底板厚度为1.0m，与上述计算结果基本相符。故从抗冲角度出发，可以认为设计的加固厚度是合理的。下面根据抗浮要求再来校核消力池底板厚度。

根据三河闸的运行工况，即使泄洪流量为12000m3/s，上、下游水位差也不过3.30m（上游水位17.00m，下游水位13.70m），加上脉动压力，最大水位差也不会超过4.00m。但当闸门全关、下游无水时，上、下游水位差可达6.00m（上游水位13.50m，下游水位7.50m），故从抗浮观点来看，这种情况是最不利的，应作为安全校核的重点。

为了取得闸底渗流扬压力数据，我们进行了简单的二向电算，根据计算所得的等势线分布，结合上述最不利工况，绘制消力池底板上的扬压力分布，见图2-40。然后，对消力池底板厚度的安全性作出判断（表2-3）。可见，只要现有滤层排水失效率控制在10%左右（即η=10%），则消力池加固厚度除能满足抗冲要求外，也能满足设计的抗浮要求；若失效率达到15%，则消力池斜坡部分勉强能满足要求，而平底部分不能满足要求；若失效率超过20%，则斜坡和平底两部分均不能满足要求。

综上所述，消力池加固厚度能否满足抗浮要求，关键在于滤层排水的有效性。当然，从三河闸现有消力池底板完好无损这一事实来看，滤层排水的有效性似乎得到确认，但上、下游水位差从未达到过6m，这一事实亦不能忽略。再者，有些水闸虽已超过危险指标而尚未破坏的事例也是存在的。因此，趁消力池加固之机，认真检查一下滤层排水的有效性，同时采取必要的措施保持排水孔的畅通，这是完全必要的。