平底板的工作条件和失稳破坏模式

水垫塘的混凝土衬砌防护形式主要有两种：其一是梯形复式断面水垫塘防护型式；其二是反拱形断面水垫塘防护型式。目前已经设计或运行的水垫塘多采用第一种型式（如二滩等），它在河道中央的护坦板为平铺底板（简称平底板），这种底板遵循重力式板块稳定设计准则，以底板浮升稳定为控制条件。为了抵抗巨大的动力压水，底板往往很厚，并要加抽排和锚固措施。

在射流冲击荷载的作用下，底板上表面产生动水压强，包括时均冲击压强和脉动压强。同时，动水压强沿缝隙传至底板的下部，底板上下表面动水荷载的合力称为上举力。因为底板上下表面动水荷载的随机性，在某一时刻，向上的上举力大于底板本身的自重（在不考虑锚固力的情况下），则板块就会浮升失稳。对于水垫塘底板易失稳位置的研究，众多的研究者都得出了一致的结论，即在水舌跌落区稍向下游一点。在冲击射流区底板上下表面的时均压强出现峰值，主要是因为高速射流到达底板后流向改变，所余动能一部分转化为势能，即对底板的冲击压强。上表面的压强比下表面的压强大，因而射流冲击区的板块在时均压强意义下处于稳定状态。时均压力峰区下游有一区域底面时均压力比上面大。其原因：一是因为水舌射入水垫后在下游形成巨大旋滚，挟带大量气体进入水体。一方面使水舌下游密度降低，一方面由于气泡上升所引起的浮力效应，非常直接地使作用在底板表面的压力降低，降到比该处的静水压力还要小，而后随流程逐渐恢复到静水位。二是因为自由水面的存在，即在冲击点下游侧，存在的有效水垫深度较下游水深小，且底板底面的动水压力是底板表面缝口点的压力值沿缝隙传递的结果，而与缝口点之外的其他表面点的动水压力无关。因为时均意义下的动水压强差的方向向上，所以这个区域板块最容易失稳。

平底板的失稳形式往往是单个板块的局部失稳，其破坏过程主要经历三个阶段：

（1）板块间的伸缩接缝部分或全部止水破坏。造成的主要原因有：水流的冲击与来流挟带砂石颗粒和杂物的磨损碰撞作用；脉动压力长期、反复地对止水片的交变作用等。

（2）脉动压力波通过板块止水破坏的接缝处钻入板块底面接缝层中，并沿缝隙层迅速传播开来，导致板块上不断地受到剧烈、强大的脉动上举力作用。在长期作用下，板块底面缝隙层不断地被扩张和贯通，最终导致板块整体或部分和基岩分割开来，其锚筋整体或部分与基岩松动而失去作用。

（3）与基岩脱离的板块，在水流脉动上举力作用下，其失稳出穴过程是一个随机振动过程，板块的起动过程特征与板块所受的脉动上举力特征密切相关。板块的出穴方式主要有浮升和翻转两种（图2.1），现发现还有部分出穴的断裂破坏和劈裂破坏，如图2.2所示。

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图2.1　浮升和翻转失稳形式示意

图2.2　破坏形式示意图

（a）断裂；（b）劈裂

板块能否浮升失稳，不仅仅取决于瞬时上举力的大小，还与瞬时上举力超过板块抗力出现的概率有关。当最大上举力超过抗力时，并不意味底板块一定会失稳，因而按最大上举力来作为底板块稳定的控制标准是偏于安全的。有研究结果表明，板块失稳时上举力大于和等于板块抗力出现的概率约为9%～13%，板块失稳情况下的抗力仅为最大上举力的50%～70%。促使板块出穴的主要动力是上举力的低频、大振幅分量，而那些作用时间短的高频大振幅的脉冲荷载对板块间止水的破坏、板块与座穴的分割、锚筋的松动等起作用。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2000），消力塘底板的稳定性由最不利运行工况控制，设计时主要考虑正常运行和检修放空两种不利工况，并以止水和排水的完好状况作为计算条件。

消力塘正常运行泄流工况中通常考虑的最不利情况是止水破坏且排水失效，此时需要考虑的荷载有自重、上举力、锚固力。而检修放空工况下则是以止水完好且排水失效作为稳定控制条件，需考虑的主要荷载有自重、扬压力、温度荷载、锚固力。