岸邊溢洪道泄槽段結構分析及內力計算

王向偉

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

溢洪道是水庫樞紐工程的重要組成部分，其主要任務是宣泄洪水以保證主體水工建筑物的安全[1]，溢洪道通常是由進口段、控制端、泄槽段以及消能防沖設施和水渠組成[2]。結合國內溢洪道設計情況及研究成果，岸邊溢洪道可分為正槽溢洪道、側槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等，正槽溢洪道被廣泛采用，也較為典型[3- 8]。本文以甘肅省平涼市莊浪縣花崖水庫水源地工程岸邊溢洪道的泄槽段為例，對設計泄槽的漸變段進行荷載分析、穩定計算和結構內力計算。

1 工程概況

甘肅省平涼市莊浪縣花崖水庫水源地工程總庫容204.20萬m3，興利庫容為131.30萬m3，年可供水量237.0萬m3，屬Ⅳ等小(1)型工程。溢洪道布置于左岸岸邊，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。泄槽段坡比為1∶10，泄槽漸變段長度為18m，側墻頂部寬為0.3m，側墻底部寬為0.65m，漸變段底寬由6.0m漸變為3.0m，漸變段側墻高度由3.5m漸變為2.0m，漸變段底板厚度為0.8m，漸變段后接泄槽槽身段，其長度為59m。泄槽段底板與邊墻為整體式現澆鋼筋混凝土結構，溢洪道最大下泄量為27.57m3/s。其結構形式如圖1所示。

圖1 溢洪道泄槽漸變段結構設計圖

2 泄槽段結構穩定計算

本工程溢洪道泄槽漸變段側墻上的基本荷載有：墻身自重、填土自重、土壓力、正常蓄水位時靜水壓力及揚壓力、設計洪水位時的動水壓力；特殊荷載主要包括校核洪水位時的靜水壓力及揚壓力、動水壓力等。溢洪道泄槽段斷面水深變化較大，為簡化計算，主要考慮基本荷載的作用，選用泄槽漸變段的斷面作為計算斷面。其計算簡圖如圖2所示。

墻后填土類型為碎石土，取γ土=20kN/m3，填土內摩擦角φ=42°，由于溢洪道泄槽段基礎為巖石，地基容許承載力[R]=450kN/m3，泄槽與基地的摩擦系數f=0.40。

圖2 溢洪道泄槽漸變段計算簡圖

作用力作用力名稱代號計算式作用力值/kN力臂/m力矩/(kN·m)↓→墻身G10.3×3.5×2526.25 3.1582.69 墻身G20.35×3.5×0.5×2515.31 3.4252.32 墻身G33.65×0.8×2573.00 1.83133.23 填土G40.35×3.5×0.5×2515.31 3.5354.10 土壓力Pa0.5×20×(4.3^2)×0.1980.0036.611.43 52.47合計 129.8836.61 322.33269.86

表2 A′點的力、力矩的計算表

2.1 主動土壓力的計算

(1)

(2)

泄槽側墻墻體及回填碎石土、土壓力對側墻底板A點產生的力、力矩計算見表1。

泄槽側墻墻體及回填碎石土、土壓力對側墻底板A′點產生的力、力矩計算見表2。

2.2 泄槽段的穩定計算

根據SL253- 2000《溢洪道設計規范》，按抗剪強度公式計算的抗滑穩定安全系數[Kc]=1.05，抗傾覆穩定安全系數[K0]=1.50，取單位長度1m進行計算，計算結果如下：

(1)抗滑穩定計算

(2)抗傾覆計算

3 荷載及結構內力計算

3.1 荷載計算

溢洪道在過水情況下，側向水壓力將抵消部分作用于側墻外側的土壓力，對結構受力有利，因此結構的計算控制工況應為溢洪道泄槽內無水時，即不考慮水壓力的作用，荷載組合為土壓力及結構自重[10]。以下計算的荷載，用于計算鋼筋混凝土結構承載能力極限狀態計算時所采用的內力設計值。

(1)作用于側墻頂部水平分布土壓力強度qt1、側墻底部水平分布土壓力強度qt2及側墻分布荷載強度總和q1、q2的計算。

(3)

(4)

式中，γG—垂直土壓力的作用分項系數，取1.1；γ—填土的濕重度，kN/m3；Hd—填土高度，m；φ—填土內摩擦角；H—側墻高度，m。

作用于側墻的分布荷載總和為水平分布土壓力、內水壓力、外水壓力之和。本工程內水壓力和外水壓力均為0，則q1a=qt1a=0，q2a=qt2a=19.99kN/m，q1b=qt1b=0，q2b=qt2b=11.42kN/m。見表3。

表3 水平分布土壓力強度計算表 單位：kN/m

(2)作用于底板底面垂直均布荷載總和q3的計算

作用于溢洪道漸變段底板底面的垂直均布荷載總和q3為地基反力和池內水重之和。因地基反力按均勻分布考慮，底板自重及池內水重均與其產生的地基反力相抵消，計算地基反力時可只考慮側墻重。本工程內水壓力為0，因此作用在底板底面的垂直均布荷載總和q3為側墻產生的地基反力之和，即：

(5)

式中，γG—自重力作用的分項系數，取1.05；γc—鋼筋混凝土重度，取25kN/m3；d—側墻厚度，m；B1—消力池寬度，m。

經計算，本工程溢洪道漸變段底板底面垂直均布荷載總和q3a、q3b分別為11.96kN/m和10.5kN/m。

3.2 結構內力計算

溢洪道泄槽段結構內力計算主要是側墻內力，側墻內力計算主要有側墻底部彎矩、側墻跨間最大彎矩。計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

經計算，本工程溢洪道漸變段側墻底部彎矩M分別為-16.33kN·m和-3.05kN·m；側墻頂部支撐反力Rc分別為6.99kN和2.28kN；側墻跨間最大彎矩Mmax分別為7.29kN·m和1.36kN·m。

4 結論

(1)在滿足溢洪道下泄流量的情況下，本文對溢洪道設計斷面進行了荷載分析、力矩計算、泄槽段的抗滑穩定和抗傾覆計算，其計算結果滿足規范要求。

(2)本工程溢洪道規模小，泄槽段結構內力計算值也相對較小，以矩形截面截面受彎構件計算溢洪道泄槽的結構內力，是偏于工程安全。

(3)莊浪縣花崖水庫水源地工程采用岸邊式溢洪道，經過水力學計算所采用的溢洪道斷面結構穩定，基本能夠保證水流平穩下泄，滿足設計要求。