大石河攔河壩工程溢流壩面設(shè)計(jì)及壩體穩(wěn)定分析

馬 凱

(本溪市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 本溪117022)

1 工程概況

大石河為山區(qū)性河流，蜿蜒曲折，河道多急流淺灘。其河流域面積為140 m2，河道總長(zhǎng)30.2 km，河道平均比降為10.9‰。大石河攔河壩工程共3 座攔河壩，上游至下游編號(hào)為1#至3#攔河壩，本文以2#壩為例進(jìn)行說(shuō)明。2#壩由溢流壩段和擋水壩段組成。

溢流壩段長(zhǎng)60 m，堰頂高程為310.00 m，壩高為3.6 m，基礎(chǔ)埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。堰頭采用WES 曲線，迎水側(cè)為直立面，背水側(cè)直線段坡比1∶1.5，坡面布設(shè)景觀石。壩體采用C25F200毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面設(shè)600 mm 厚鋼筋混凝土面板，面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W4。溢流壩采用底流消能，下設(shè)消力池，池長(zhǎng)15 m，深0.8 m，池后設(shè)6.6 m 拋石護(hù)底。

擋水壩段總長(zhǎng)45 m，其中左岸擋水壩段34 m，右岸11 m。壩頂高程為313.55 m，壩頂寬為3 m，最大壩高6.73 m，基礎(chǔ)埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。擋水壩上游面直立，設(shè)0.6 m 厚鋼筋混凝土防滲面板，面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W4。下游面坡比為1∶1.5，折坡點(diǎn)高程為308.84 m，下游坡面布設(shè)景觀石［1］。

2 2#壩壩高及溢流斷面設(shè)計(jì)

2.1 壩頂高程確定

該工程位于內(nèi)陸峽谷地區(qū)，根據(jù)規(guī)范要求采用官?gòu)d公式計(jì)算，正常運(yùn)用時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)速取最大風(fēng)速的1.5 倍，17.55 m/s，非常運(yùn)用(校核洪水位)時(shí)取最大風(fēng)速11.70 m/s。波浪要素公式為:

式中:2hl為浪高，m;2Ll為波長(zhǎng)，m;vf為計(jì)算風(fēng)速，m/s;Df為 吹程，km。

2.2 波浪中心線至攔河壩靜水位的高度

波浪中心線至計(jì)算水位高度ho的計(jì)算，采用下列公式為:

式中:h0為波浪中心線至攔河壩靜水位的高度，m;Hl為壩前水深，m。

2.3 壩頂高程的確定

根據(jù)規(guī)范，壩頂至計(jì)算水位的高差Δh 采用下列公式，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

式中:Δh 為壩頂至攔河壩靜水位的高度，m;hc為安全超高，m。壩頂高程計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.4 溢流壩斷面設(shè)計(jì)

溢流壩段長(zhǎng)60 m，堰頂高程為310.00 m，壩高為3.6 m，基礎(chǔ)埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。堰頭采用WES 曲線，迎水側(cè)為直立面，背水側(cè)直線段坡比1∶1.5，坡面布設(shè)景觀石。壩體采用C25F200 毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面設(shè)600 mm厚鋼筋混凝土面板，面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W4。溢流壩采用底流消能，下設(shè)消力池，池長(zhǎng)15 m，深0.8 m，池后設(shè)6.6 m拋石護(hù)底。

表1 壩頂超高計(jì)算成果表 m

根據(jù)表1 計(jì)算成果，取計(jì)算水位312.43 m(P =10%設(shè)計(jì)洪水位)時(shí)超高計(jì)算成果，則本次設(shè)計(jì)擋水壩段壩頂高程為313.55 m。

溢流壩堰面曲線方程為:

式中:x、y 分別為以堰頂為原點(diǎn)的坐標(biāo);Hd為不包括行近流速水頭在內(nèi)的設(shè)計(jì)水頭;k、n 為與上游迎水面坡度有關(guān)的參數(shù)，由于上游迎水面鉛直，則k =2，n =1.85。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溢流壩堰面曲線表

3 2#壩體穩(wěn)定分析

3.1 溢流壩段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

3.1.1 荷載計(jì)算

穩(wěn)定分析采用《水利水電工程PC—程序集》(88版)中的“混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算程序”計(jì)算，荷載組合同擋水壩段。

3.1.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

溢流壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 溢流壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表3 可以看出，溢流壩段混凝土墊層與建基面及壩體混凝土墊層之間的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值。

3.1.3 壩踵、壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算成果見(jiàn)表5。計(jì)算公式為:

式中:σy為壩踵、壩趾垂直應(yīng)力，kN/m2;∑M 為全部作用力對(duì)壩基面形心的力矩之和，KN·m;J 為壩基面對(duì)形心軸的慣性距，m4;X 為壩基面截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m。計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 壩踵、壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算成果表

從表4 可見(jiàn)，壩踵計(jì)入揚(yáng)壓力和不計(jì)入揚(yáng)壓力的垂直應(yīng)力均大于零，壩趾計(jì)入揚(yáng)壓力和不計(jì)入揚(yáng)壓力的垂直應(yīng)力均遠(yuǎn)小于C20 素混凝土墊層允許抗壓強(qiáng)度及基巖抗壓強(qiáng)度72 MPa。

3.2 擋水壩段穩(wěn)定分析

擋水壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 擋水壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表5 可以看出，擋水壩段混凝土墊層與建基面及壩體與混凝土墊層之間的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值。

3.3 壩踵、壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算

壩踵、壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算采用規(guī)范公式同上，計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 壩踵、壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算成果表

從表6 可見(jiàn)，各種情況下壩踵的垂直應(yīng)力均大于零，壩趾的垂直應(yīng)力均遠(yuǎn)小于C20 素混凝土墊層允許抗壓強(qiáng)度及基巖抗壓強(qiáng)度72 MPa。

［1］劉金輝，奚晶瑩. 臺(tái)階式溢流壩的消能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.吉林水利，2009(08):59 －60.