鶴崗市關門嘴子水庫大壩穩定及應力分析

溫　州，王秀麗，郭佳樂

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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鶴崗市關門嘴子水庫大壩穩定及應力分析

溫州，王秀麗，郭佳樂

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：文章根據水文、風速等資料，擬定了鶴崗市關門嘴子水庫重力壩基本斷面形式。并采用材料力學法、剛體極限平衡法對該重力壩壩體在不同荷載組合條件下的抗滑穩定及基底應力進行計算，得出了所擬斷面滿足規范要求的有益結論。

關鍵詞：重力壩；抗滑穩定；應力分析；溢流壩；防浪墻

0緒言

關門嘴子水庫是一座以城鎮供水、農業灌溉為主，結合防洪，兼顧發電等綜合利用的大(2)型水利樞紐。經過規模比選后，確定了水庫規模，進而確定了設計水位與校核水位。本文在此基礎上進行壩頂高程計算、大壩穩定及應力分析。

1壩頂高程確定

壩頂高程根據各種運行情況的水庫靜水位加上相應超高后的最大值確定，且應高于校核洪水位。壩頂超高△h按規范《混凝土重力壩設計規范》(SL319—2005)計算：

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：hc為安全加高，m；正常蓄水位情況取0.5m，校核洪水位情況取0.4m；h1%為波高，m；hz為波浪中心線至正常或校核洪水位的高差，m；h1%、hz按規范SL319-2005附錄B.6.3規定的公式計算。

經計算比較，鶴北林業局森林物候氣象站逐年1986～2012(4～10月)最大風速資料中，在與壩軸線法線方向成±45°范圍內，比較NW、NNW、N三個風向最大風速平均值對壩頂高程的影響，其中對水庫壩高影響最大的風向是NW方向。根據氣象站所處位置，考慮隱蔽系數等因素，庫面NW方向風的多年平均最大風速值取為15.44m/s。計算風速正常蓄水位工況取庫面風速的1.5倍，校核工況取庫面風速。壩頂高程計算成果見表1。

表1　壩頂超高計算成果

由表1知本工程防浪墻頂高程由校核洪水位控制，攔河壩防浪墻頂高程為150.45m，防浪墻高度為1.2m，可取壩頂高程為149.25m。

門庫壩段壩頂高程與溢流壩段墩頂高程相同為150.88m，不設防浪墻。

根據壩頂交通與布置需要，非溢流壩段壩頂寬度確定為7.0m。擬定設計斷面見圖1重力壩設計斷面圖。

2大壩穩定及應力計算

2.1計算方法

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL319—2005)，本階段壩基應力采用材料力學法計算，壩體穩定采用剛體極限平衡法。按基本荷載組合和特殊荷載組合進行驗算。

圖1重力壩設計斷面圖

2.2計算公式

1)重力壩壩基截面的垂直應力應按下式計算：

(2)

式中：σy為壩踵、壩趾垂直應力，kPa；∑M為作用于壩段上或1m壩長上全部荷載(包括揚壓力，下同)在壩基截面上法向力的總和，kN；∑M為作用于壩段上或1m壩長上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN；A為壩段或1m壩長的壩基截面面積，m2；x為壩基截面上計算點到形心軸的距離，m；J為壩段或者1m壩長的壩基截面對形心軸的慣性矩，m4。

2)抗滑穩定按抗剪斷強度公式進行計算：

(3)

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；C′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩基接觸面截面積，m2；∑W為作用于壩體上全部荷載(包括揚壓力，下同)對滑動平面的法向分值，kN；∑P作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，kN。

2.3計算基本數據

壩體混凝土容重γ=24kN/m3，淤沙高程124.5m，淤沙浮容量5 kN/m3，內摩擦角0°，多年平均年最大風速13.56 m/s，多年平均最大冰厚1.18m。滲透壓力強度系數取為0.25。

2.4計算工況及荷載組合

1)計算工況：本工程抗震設計烈度為7度，考慮地震作用。

計算工況共有六種組合，分別為上游正常蓄水位工況，設計洪水位工況、冰凍工況、校核洪水位工況、施工期工況和地震工況[1]。

2)荷載組合：根據不同工況，按照規范要求進行荷載組合，見表2。

表2　荷載組合

5)計算結果：

由于混凝土層面抗剪斷參數一般大于混凝土與建基面基巖間的抗剪斷參數，與混凝土層面比較，大壩抗滑穩定控制面為建基面，本次只列出大壩建基面抗滑穩定安全系數。

重力壩壩體沿壩基面抗滑穩定及基底應力計算成果見表3。

4結論

壩踵垂直應力在各種工況下均不出現拉應力，施工期，非溢流壩段壩趾垂直拉應力為32 kPa，小于規范規定的100 kPa；其它工況下，壩趾垂直應力均小于壩基允許承載力；故基底應力滿足規范要求，是安全的。壩體沿壩基抗滑穩定安全系數在基本組合荷載下均>3.0，在特殊組合荷載下均>2.5，故大壩沿建基面抗滑穩定滿足規范要求，是安全的。

表3　非溢流壩壩體沿壩基面抗滑穩定及基底應力計算成果

參考文獻：

[1]陳廣華.興隆崗水庫大壩穩定分析計算研究[J].黑龍江水利科技，2014(07)：32-33.

文章編號：1007-7596(2016)02-0041-02

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]溫州(1983-)，男，黑龍江省鶴崗人，工程師；王秀麗(1967-)，女，黑龍江省哈爾濱人，高級工程師；郭佳樂(1987-)，女，黑龍江省哈爾濱人，工程師。

中圖分類號：TV64

文獻標識碼：B