溢洪道堰體穩(wěn)定計(jì)算探討

田 錚

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

1 基本情況

大慶水庫位于河北省承德市平泉縣城西北沙坨子鄉(xiāng)小廟村，距平泉縣城17 km，是灤河流域?yàn)春铀灯俸由嫌蔚囊蛔行退麡屑~工程，控制流域面積82 km2，總庫容1 170×104m3，是以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程。水庫樞紐建筑物主要由攔河壩、溢洪道、放水洞、水電站等組成。工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物攔河壩、溢洪道及放水洞為3級(jí)建筑物，次要建筑物泄洪渠等按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

溢洪道位于攔河壩右側(cè)，堰型為開敞式實(shí)用堰,堰頂高程663.8 m，凈寬70.0 m，無閘門控制。

溢洪道挑坎齒墻設(shè)計(jì)底高程639 m，基礎(chǔ)坐落于高程630.5～639.7 m強(qiáng)風(fēng)化巖體中，具中等透水性，容許承載力建議值為[σ0]=800 kPa；變形模量建議值2×103MPa；與混凝土接觸面抗剪斷強(qiáng)度建議值f′=0.55～0.6，c′=0.4 MPa。

2 堰體穩(wěn)定計(jì)算

2.1 荷載組合

根據(jù)溢洪道運(yùn)用條件及結(jié)構(gòu)布置形式，確定溢洪道堰體穩(wěn)定計(jì)算工況和荷載組合，見表1。

表1 荷載及荷載組合表

2.2 基底應(yīng)力計(jì)算

本地區(qū)土的最大基底承載力為800 kPa。

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379-2007)，按以下公式計(jì)算：

(1)

式中：Pmax、Pmin為溢洪道堰基底面應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；∑G為作用在堰上的全部豎向荷載；∑M為作用于建筑物基礎(chǔ)底面以上的全部水平向和豎向荷載對(duì)于垂直水流方向的型心軸的力矩，kN·m；b、h分別為堰基底面的寬度及堰長度，m。

運(yùn)用期溢洪道堰基底面上的垂直正應(yīng)力，應(yīng)滿足在各種荷載組合情況下(地震情況除外)，堰基底面上的最大正應(yīng)力ρmax應(yīng)小于基巖的容許壓應(yīng)力(計(jì)算時(shí)分別計(jì)入揚(yáng)壓力和不計(jì)入揚(yáng)壓力)；最小垂直正應(yīng)力ρmin應(yīng)大于零(計(jì)入揚(yáng)壓力)。

在各種計(jì)算情況下，堰體最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力800 kPa；除施工期和地震情況外，堰體基底不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

建筑物抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由下式計(jì)算：

(3)

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為堰體混凝土與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；與混凝土接觸面抗剪斷強(qiáng)度建議值f′= 0.55～0.6；c′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取0.4 MPa；∑W為作用于堰體上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量；∑P為作用于堰體上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量；A為堰體與基巖接觸面的截面積。

土基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值見表2。

2.4 計(jì)算過程

2.4.1 正常蓄水位工況

正常蓄水位工況下，堰體受力簡圖見圖1；基底應(yīng)力計(jì)算見表3；抗滑穩(wěn)定計(jì)算表見表4。

表2 基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值

圖1 正常蓄水位工況堰體受力簡圖

項(xiàng)目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計(jì)揚(yáng)壓力)Pmax(計(jì)揚(yáng)壓力)Pmix(計(jì)揚(yáng)壓力)自重558.221.246695.5419.589.0758.3631.16靜水壓力39.21.23348.35波浪壓力51.683.7001191.22揚(yáng)壓力1331.826242.86

表4 正常蓄水工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

2.4.2 設(shè)計(jì)洪水位工況

設(shè)計(jì)洪水位工況，堰體受力簡圖見圖2；基底應(yīng)力計(jì)算見表5；抗滑穩(wěn)定計(jì)算表見表6。

圖2 設(shè)計(jì)洪水位工況堰體受力簡圖

項(xiàng)目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計(jì)揚(yáng)壓力)Pmax(計(jì)揚(yáng)壓力)Pmix(計(jì)揚(yáng)壓力)自重558.221.246695.5419.5104.1546.7827.02靜水壓力100.521.233123.97波浪壓力19.793.70073.22揚(yáng)壓力351.030.875307.15水重143.40.29742.59

表6 設(shè)計(jì)洪水位工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

2.4.3 冰凍工況

冰凍工況，堰體受力簡圖見圖3；基底應(yīng)力計(jì)算見表7；抗滑穩(wěn)定計(jì)算表見表8。

圖3 冰凍工況堰體受力簡圖

項(xiàng)目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計(jì)揚(yáng)壓力)Pmax(計(jì)揚(yáng)壓力)Pmix(計(jì)揚(yáng)壓力)自重558.221.246695.5419.582.6352.4837.04靜水壓力39.21.23348.35揚(yáng)壓力1331.826242.86靜冰壓力108.752.65288.19

表8 冰凍工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

2.4.4 校核洪水位工況

校核洪水位工況，堰體受力簡圖見圖4；基底應(yīng)力計(jì)算見表9；抗滑穩(wěn)定計(jì)算表見表10。

圖4 校核洪水位工況堰體受力簡圖

項(xiàng)目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計(jì)揚(yáng)壓力)Pmax(計(jì)揚(yáng)壓力)Pmix(計(jì)揚(yáng)壓力)自重558.221.246695.5419.5105.3838.4426.76靜水壓力124.61.233153.67波浪壓力6.773.70025.05揚(yáng)壓力391.880.986386.39水重143.40.29742.59

表10 校核洪水位工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

3 結(jié) 論

溢洪道堰體基底應(yīng)力及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 溢洪道堰基底應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，滿足應(yīng)力及抗滑要求。