河床式地面廠房整體穩(wěn)定計算分析

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(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

河床式地面廠房整體穩(wěn)定計算分析

董丹丹，韓小鳴，張捷

(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

通過對某河床式地面廠房的整體穩(wěn)定和地基應力的計算，對廠房建筑物結構設計進行調(diào)整，解決了廠房機組段基底拉應力問題，以滿足規(guī)范要求。

河床式地面廠房；拉應力；地基應力

1 工程概況

某電站樞紐為Ⅲ等工程，其工程規(guī)模為中型，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。電站廠房主要建筑物包括主廠房、副廠房、安裝間、引水渠、尾水渠等。廠房壩段總長56.94m，順水流向長45.50m，主機間內(nèi)安裝4臺貫流燈泡式水輪機組，單機容量10MW，總裝機容量為40MW，采用兩機一縫的布置方式。左側機組段包括1號、2號機組，順壩向長度28.19m；右側包括3號、4號機組，發(fā)電機層以上順壩向長度28.73m。

2 廠區(qū)地質(zhì)條件評價

廠房建基面高程109.50m。地基巖體為白云巖，上部揭露高程110.14～112.59m，厚度6.1～10.9m,巖體較破碎，呈塊狀或碎塊狀，巖體泡狀孔洞發(fā)育。偶見泥灰?guī)r，厚度約2～4cm，下部巖體完整性差，揭露高程101.24～106.33m，最大揭露厚度23.2m。白云巖體為中硬巖，按巖體完整性分類：上層巖體為Ⅳ類；下層巖體為Ⅲ類。

3 設計參數(shù)

廠房混凝土與基巖接觸面主要為強風化白云巖， 抗剪斷強度系數(shù)f′取0.9，抗剪斷強度黏聚力c′取0.7MPa，允許承載力取1MPa。地震危險等級為6級，抗震設防烈度6度。

各特征水位如下：

水庫正常蓄水位139m，設計洪水位139m，相應下游水位136.23m；校核洪水位139.86m，相應下游水位137.75m；半臺機組發(fā)電尾水位126.62m，滿發(fā)尾水位129.47m。

4 計算原則與基本假定

a.由于地基內(nèi)部不存在對廠房整體穩(wěn)定有影響的軟弱夾層，根據(jù)規(guī)范要求可不進行廠房沿軟弱結構面的深層抗滑穩(wěn)定計算。

b.采用材料力學方法，考慮機組間分縫，分別對1號、2號機組段和3號、4號機組段進行抗滑、抗浮和地基應力計算。

c.根據(jù)《廠房設計規(guī)范》(SL 266—2001)條文說明之3.2.1“作用于廠房上的荷載未列入雪荷載和風荷載，因為該兩項荷載在抗滑穩(wěn)定計算中所占的比重很小，對廠房整體穩(wěn)定的影響可忽略不計”，在此次計算中不考慮該兩項荷載。當基底應力計算結果與地基承載力相近時，從安全考慮再加入雪荷載進行分析。

d.根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(DL 5073—2000)1.0.2條的規(guī)定，可不進行地震工況驗算。

e.計算抗滑穩(wěn)定時，將滑面簡化成一個平面考慮，即簡化基礎面；計算地基法向應力時，接觸截面也按同一個平面考慮。

穩(wěn)定計算基底計算簡圖見圖1。

圖1 穩(wěn)定計算基底計算簡圖單位：m

豎直向力：以向下為正，向上為負；

水平向力：與坐標軸相同為正，反向為負；

對基底各坐標軸彎矩：符合右手規(guī)則為正，反之為負。

5 荷載組合

荷載組成情況見表1。

表1工況、水位、荷載組合

a.結構自重、水重按實際體積計算，永久設備只考慮主要固定設備，不計附屬設備及非固定設備重量。

b.靜水壓力按三角形分布，計算考慮合力作用。

c.揚壓力。揚壓力分為浮托力和滲透力，采用揚壓力三維實體，查詢合力和合力點的方法進行揚壓力統(tǒng)計。在廠房基底上游側設有灌漿帷幕，由于《水電站廠房設計規(guī)范》(SL 266—2001)中沒有僅設灌漿帷幕無排水設施時的滲透壓力強度系數(shù)，故參考《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL 282—2003)附錄B.3-3，壩基僅設防滲帷幕、未設排水孔時，帷幕中心線處滲透壓力強度系數(shù)α1取0.6。

d.浪壓力根據(jù)《水工建筑物荷載設計規(guī)范》(DL 5077—1997)的計算方法計算。

e.泥沙壓力按淤沙最不利情況考慮，廠前泥沙淤積高程取進水口底高程為 116.80m進行計算。

f.土壓力。1號、2號機組段考慮與泄洪沖沙閘段相接，需計算沖沙閘下部的水平主動土壓力和附加土應力。3號、4號機組段考慮與安裝間相接，需計算安裝間下部的水平主動土壓力和附加土應力。

g.冰壓力。穩(wěn)定計算中只考慮可能持續(xù)作用較長的靜冰壓力，不計動冰壓力。已知工程所在地水面冰層厚0.66m(年最大)，查《水工建筑物荷載設計規(guī)范》(DL 5077—1997)，內(nèi)插得單位寬度靜冰壓力標準值為190.5kN/m。靜冰壓力垂直作用于結構物前沿，其作用點取冰面以下1/3冰厚處。浪壓力與冰壓力不同時組合。

6 計算分析

1號、2號機組段三維結構計算簡圖見圖2，3號、4號機組段三維結構計算簡圖見圖3。

圖2 1號、2號機組段三維結構計算簡圖

圖3 3號、4號機組段三維結構計算簡圖

經(jīng)初步計算，1號、2號機組段各工況下抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定和基底應力均能滿足規(guī)范要求。 3號、4號機組段正常運行兩工況下也滿足規(guī)范要求，在右側高填土和高外水的作用下，3號、4號機組段工況3——機組未安裝時，右側邊出現(xiàn)100kPa左右的拉應力(見表2)，不能滿足《水電站廠房設計規(guī)范》(SL 266—2001)中河床式電站除地震情況外不應出現(xiàn)拉應力的要求。

表2 3號、4號機組段機組未安裝工況穩(wěn)定分析

為此，經(jīng)多方案比較后，采用加厚該機組分段右側墻的方式來消除拉應力。具體調(diào)整如下：3號、4號機組分段右側墻加厚3m，自底部加高至126.00m高程(安裝間底板底面高程為131.00m，相距5m，為減小對安裝間沉降的影響，加厚的部分以45o斜面的形式與右側墻相接)。

圖4 3號、4號機組段右墻加厚3m后基底面計算簡圖單位：m

右墻加厚后的3號、4號機組分段基底計算簡圖見圖4，三維結構計算簡圖見圖5。

圖5 3號、4號機組段右墻加厚3m后三維結構計算簡圖

經(jīng)過上述調(diào)整后，計算結果見表3。

表3 調(diào)整后的計算結果

7 結 語

在初步驗算中，原設計方案在機組未安裝工況下在廠下游右角部位出現(xiàn)拉應力，不滿足規(guī)范規(guī)定。后經(jīng)調(diào)整廠房布置方案，使得各工況下抗滑、抗浮穩(wěn)定和基底應力均能滿足規(guī)范要求。

a.廠房抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合下不小于3.00，特殊組合I(機組檢修、機組未安裝和非常運行工況)不小于2.5。特殊組合II(地震工況)不小于2.3。

b.抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)任何情況下不小于1.10。

c.巖基廠房地基面上最大法向應力不超過地基巖允許承載力；最小法向應力都大于0。

[1]DL 5077—1997水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].

[2]SL 266—2001水電站廠房設計規(guī)范[S].

[3]SL 265—2001水閘設計規(guī)范[S].

CalculationandAnalysisofOverallStabilityinRiverbed-basedGroundWorkshop

DONG Dan-dan, HAN Xiao-ming, ZHANG Jie

(BeijingEngineeringCorporationLtd.ofHydroChinaConsultationGroup,Beijing100024,China)

By calculating overall stability and foundation stress of one riverbed-based ground workshop, the design of workshop building is adjusted, and floor stretch stress in the section of workshop is solved to meet the standard requests.

riverbed-based ground workshop; stretch stress; foundation stress

TV731

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1673-8241(2014)09-0045-04