某水電站溢流壩設計及結構計算

余昌華 彭建中

摘 要：介紹了某水電站工程概況及壩址區地質條件，結合規范要求對大壩左岸溢流壩段設計進行計算分析，并對溢流壩的穩定性進行論證，對其它類似工程設計和建設具有參考意義。

關鍵詞：溢流壩；結構設計；抗滑穩定性；應力

中圖分類號：TV652.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0094-03

Abstract： This paper introduces the general situation of a hydropower station project and the geological conditions of the dam site area， calculates and analyzes the design of the spillway section on the left bank of the dam in accordance with the requirements of the code， and demonstrates the stability of the spillway dam， which is of reference significance for the design and construction of other similar projects.

Keywords： overflow dam； structural design； anti-slide stability； stress

1 工程概況

某水電站樞紐工程地處湖北省宜昌市清江流域，壩址處河床高程198m，壩址以上集水面積114.5km2，河道長20.9km，加權平均坡降18.1‰。大壩水庫正常蓄水位203.80m，設計洪水位206.62m，校核洪水位208.16m，大壩左岸壩段為溢流壩段，溢流凈寬50.0m，右岸為非溢流壩段。工程以發電為主，水庫總庫容為15.7萬m3，工程規模為小（2）型，工程等級為V等。

壩址區兩岸地形不對稱，為橫向河谷，巖層傾向上游。不存在鄰谷滲漏問題。壩基巖體依據《水利水電工程地質勘察規范》分類為中硬質巖（BⅡ-BⅢ類），飽和抗壓強度30MP

2 溢流壩段設計

2.1 壩高確定

壩基河床高程198.0m，基巖面高程192.3m，弱風化下限高程191.7m。根據《混凝土重力壩設計規范》SL319-2005規定的一般布置原則，壩高低于30m時，可建在弱風化至強風化中上部基巖上，本工程壩高屬于低壩，基巖面可選擇弱風化部，取大壩最低建基面高程為190.5m。本工程堰頂高程與正常蓄水位取一致，為203.80m。根據堰頂高程和大壩建基面高程可以確定壩高為13.30m。

2.2 堰頂曲線段計算

我國多采用WES曲線[3]，其基本剖面見圖1。WES型溢流堰頂部曲線以堰頂為界分上游段和下游段兩部分，坐標原點設在堰頂最高點。

（1）堰頂上游段

上游段采用三圓弧曲線，三圓弧半徑及水平坐標值見表1。表中Hd為定型設計水頭[4]，一般為校核洪水位時堰頂水頭的75%～95%，堰頂水頭=校核洪水位-正常蓄水位=208.16m-203.80m=4.36m，取堰頂水頭80%，定型設計水頭為3.5m。

（2）堰頂下游段

2.3 壩體材料及分區

壩體結構根據不同的部位采用不同筑壩材料，壩體內采用C20埋石混凝土填筑。大壩基礎混凝土采用C20常態混凝土墊層，厚度1.5m，迎水面采用C20鋼筋混凝土澆筑，厚度1.0m。溢流堰堰面采用C25的鋼筋混凝土澆筑，厚度0.5m，混凝土均采用二級配。溢流壩剖面圖如圖2所示。

3 溢流壩穩定計算

3.1 抗滑穩定分析

（1）設計要求

壩體抗滑穩定計算主要核算壩基面滑動條件，壩體為混凝土，平均容重取2.4t/m3，泥砂容重取8t/m3，內摩擦角取12°。河床基礎允許承載應力取1.5MPa，壩體穩定計算采用抗剪斷公式計算，根據地質資料，取弱風化層的抗剪斷強度f1=1.0、C1=0.65MPa，設計要求在基本組合情況下，抗滑穩定安全系數KC≥3.0；在特殊組合情況下，抗滑穩定安全系數KC≥2.5。因溢流壩段標準剖面圖形不規則，采用偏于安全的近似計算方法，溢流面進行拉直折算后整體驗算大壩穩定，選取203.3m高程作為本次計算截面。

（2）荷載組合

（3）計算公式

式中：Kc-按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f1-壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數，取f1=1.0；C1-壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；C1=0.65MPa；A-壩基接觸面截面積，m2；？撞W-作用于壩體上全部荷載對滑動平面的總鉛直力（kN）；？撞P-作用于壩體上全部荷載對滑動平面的總水平力（kN）。

計算得正常蓄水位、設計洪水位（基本組合）情況時，Kc=4.58>3.0；校核洪水情況（特殊組合）時，Kc=2.66>2.5。表明大壩溢流壩段無論是基本組合還是特殊組合，抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

3.2 壩體應力分析

（1）壩址抗壓強度承載能力極限狀態

基本組合：取正常蓄水位工況下對應的設計狀況系數ψ=1.0，結構系數γd1=1.2，結構重要性系數γ0=0.9。

可知滿足承載力要求。

偶然組合：取校核洪水位工況下對應的設計狀況系數ψ=0.85，結構系數γd2=1.8，結構重要性系數γ0=0.9。

可知滿足規范要求。

（2）壩踵垂直應力不出現拉應力極限狀態驗算（正常使用極限狀態）

可知滿足規范要求。

4 結束語

（1）對水電站左岸溢流壩段進行了設計計算，確定壩底、堰頂高程、對壩體材料進行分區，采用WES堰頂曲線，通過計算曲線方程得到相應的特征點。

（2）對溢流壩體結構抗滑穩定性和應力進行分析計算。結果表明，在不同荷載組合工況條件下，壩體抗滑穩定安全系數和壩基面與壩體應力等特征指標均滿足規范要求。

參考文獻：

[1]孫勇.拐磨子灌區紅旗壩攔河壩優化設計研究[J].水利建設與管理，2018（01）.

[2]陳龍，羅秉珠，陶洪輝，等.樂灘水電站溢流壩設計優化[J].紅水河，2006（04）.

[3]史志鵬，張根廣，郭紅浩，等.溢流壩堰面曲線由化設計的研究[J].人民長江，2009（09）：34-40.

[4]寇榮賢.溢流壩水利設計中定型水頭Hd的確定方法[J].陜西水利，2010（3）：90-91.

[5]魯曉哲.鬧德海水庫大壩溢流面表面缺陷處理方案[J].科技創新與應用，2013（17）：182.