溢洪道堰體穩定計算探討

田 錚

(河北省水利水電勘測設計研究院，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小廟村，距平泉縣城17 km，是灤河流域灤河水系瀑河上游的一座中型水利樞紐工程，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級建筑物，次要建筑物泄洪渠等按4級建筑物設計。

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

溢洪道挑坎齒墻設計底高程639 m，基礎坐落于高程630.5～639.7 m強風化巖體中，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度建議值f′=0.55～0.6，c′=0.4 MPa。

2 堰體穩定計算

2.1 荷載組合

根據溢洪道運用條件及結構布置形式，確定溢洪道堰體穩定計算工況和荷載組合，見表1。

表1 荷載及荷載組合表

2.2 基底應力計算

本地區土的最大基底承載力為800 kPa。

根據《水工擋土墻設計規范》(SL 379-2007)，按以下公式計算：

(1)

式中：Pmax、Pmin為溢洪道堰基底面應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底面以上的全部水平向和豎向荷載對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。

運用期溢洪道堰基底面上的垂直正應力，應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力ρmax應小于基巖的容許壓應力(計算時分別計入揚壓力和不計入揚壓力)；最小垂直正應力ρmin應大于零(計入揚壓力)。

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

2.3 抗滑穩定計算

建筑物抗滑穩定安全系數由下式計算：

(3)

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為堰體混凝土與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數；與混凝土接觸面抗剪斷強度建議值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計算滑動面的法向分量；∑P為作用于堰體上的全部荷載對計算滑動面的切向分量；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定安全系數的允許值見表2。

2.4 計算過程

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；基底應力計算見表3；抗滑穩定計算表見表4。

表2 基底面抗滑穩定安全系數允許值

圖1 正常蓄水位工況堰體受力簡圖

項目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計揚壓力)Pmax(計揚壓力)Pmix(計揚壓力)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揚壓力1331.826242.86

表4 正常蓄水工況抗滑穩定計算表

2.4.2 設計洪水位工況

設計洪水位工況，堰體受力簡圖見圖2；基底應力計算見表5；抗滑穩定計算表見表6。

圖2 設計洪水位工況堰體受力簡圖

項目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計揚壓力)Pmax(計揚壓力)Pmix(計揚壓力)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揚壓力351.030.875307.15水重143.40.29742.59

表6 設計洪水位工況抗滑穩定計算表

2.4.3 冰凍工況

冰凍工況，堰體受力簡圖見圖3；基底應力計算見表7；抗滑穩定計算表見表8。

圖3 冰凍工況堰體受力簡圖

項目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計揚壓力)Pmax(計揚壓力)Pmix(計揚壓力)自重558.221.246695.5419.582.6352.4837.04靜水壓力39.21.23348.35揚壓力1331.826242.86靜冰壓力108.752.65288.19

表8 冰凍工況抗滑穩定計算表

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；基底應力計算見表9；抗滑穩定計算表見表10。

圖4 校核洪水位工況堰體受力簡圖

項目荷載型心矩彎矩寬度b長度hPmax(不計揚壓力)Pmax(計揚壓力)Pmix(計揚壓力)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揚壓力391.880.986386.39水重143.40.29742.59

表10 校核洪水位工況抗滑穩定計算表

3 結 論

溢洪道堰體基底應力及穩定計算結果見表11。

表11 溢洪道堰基底應力、穩定計算成果表

經計算，滿足應力及抗滑要求。