某礦廠引水工程大壩設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

李 涌

（邵陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 邵陽(yáng)市 422000）

1 工程概況

某礦廠引水壩工程位于湖南省新寧縣某鄉(xiāng)境內(nèi)，資江水系夫夷水二級(jí)支流上游，距新寧縣城金石鎮(zhèn)25 km，壩址控制流域面積1.5 km2，壩址以上河流長(zhǎng)度1.6 km，河床平均坡降102‰。

本工程興建是以某礦廠生產(chǎn)、生活用水為主，供水規(guī)模為日供水300 m3，根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180-2003）規(guī)定，工程等級(jí)為Ⅴ等，主要建筑物為5 級(jí)建筑物，次要建筑物為5 級(jí)建筑物，主要建筑物為大壩、放空（沖砂）孔、引水鋼管、上壩公路等組成。

2 水 文

根據(jù)水文分析計(jì)算，引水壩壩址處20年一遇洪峰流量為22.5 m3/s，洪水總量為20.2 萬(wàn)m3，200年一遇洪峰流量為28.8 m3/s，洪水總量為30.1 萬(wàn)m3。

3 工程地質(zhì)

區(qū)域內(nèi)地貌類(lèi)型屬于低山峰脊峽谷，群山連綿，山峰高聳，山頂多呈小峰。區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)地震烈度為6 度，區(qū)域構(gòu)造場(chǎng)地穩(wěn)定。

壩址出露地層為：寒武系上統(tǒng)（∈3）褐紅、青灰色中層鈣質(zhì)板巖，壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。

4 大壩設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)基本資料

該壩為混凝土埋塊石重力壩，工程等級(jí)為Ⅴ等，大壩按5 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）確定：洪水重現(xiàn)期按20年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核。

表1 壩基巖石物理力學(xué)指標(biāo)推薦值表

（1）壩址特征水位與特征流量。

正常蓄水位：631.55 m，相應(yīng)下游水位：621.10 m。

設(shè)計(jì)洪水位：632.67 m，相應(yīng)下游水位：621.23 m，相應(yīng)的下泄流量：22.5 m3/s。

校核洪水位：632.87 m，相應(yīng)下游水位：621.36 m，相應(yīng)的下泄流量：28.8 m3/s。

死水位：629.00 m。

（2）泥沙資料。

對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)中的泥沙進(jìn)行分析計(jì)算，壩址處含沙量0.003 kg/m3，多年平均輸沙量為0.19 萬(wàn)m3。

（3）水文氣象資料。

根據(jù)流域內(nèi)各氣象站資料統(tǒng)計(jì)，歷年平均氣溫17℃，極端最低氣溫-8.8℃，極端最高氣溫39℃，多年平均相對(duì)濕度81%。

壩址以上流域多年平均降雨量1330.1 mm。

平均風(fēng)速2.1 m/s，最大風(fēng)速16.3 m/s。

（4）地震烈度。

壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮地震設(shè)防。

（5）地基特性及設(shè)計(jì)參數(shù)。

①壩基巖體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

②材料容重?；炷粒?.4 t/m3、混凝土埋塊石2.2 t/m3。

③安全系數(shù)?；窘M合：K≥1.0 （抗剪），K≥3.0（抗剪斷）；特殊組合：K≥1.0（抗剪），K≥2.5（抗剪斷）。

4.2 大壩斷面擬定

大壩斷面尺寸：內(nèi)坡垂直，外坡為折線形，外坡折點(diǎn)高程為632.00 m，折線坡度為1∶0.75，壩頂寬4 m，壩底最大寬度為10.93 m。壩體采用C15 埋塊石混凝土澆筑，臨水面澆0.3 m 厚C20 混凝土防滲面板，建基面澆0.3 m 厚C15 混凝土墊層，溢流面設(shè)0.5 m 厚C25 混凝土，引水壩設(shè)無(wú)閘門(mén)自流式溢流壩段，堰為實(shí)用堰，堰頂高程為631.55 m，溢流段位于擋水壩中部，采用挑流消能，溢流堰上設(shè)一交通便橋連接兩岸。放空建筑物為壩體內(nèi)現(xiàn)澆C20 混凝土圓管，管徑為0.6 m，管長(zhǎng)10.93 m。進(jìn)水口采用閘門(mén)控制，采用PGZ 0.6×0.7 鑄鐵定型閘門(mén)，啟閉機(jī)采用5 t 螺桿式式啟閉機(jī)，進(jìn)口高程為622.2 m，放水建筑物施工過(guò)程中兼作導(dǎo)流。

引水壩正常蓄水位631.55 m，設(shè)計(jì)洪水位632.67 m，校核洪水位632.87 m。壩頂超高根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319-2005）及《水工建筑物》中的有關(guān)公式規(guī)定計(jì)算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

h0——波浪中心高出靜水位的高度（m）；

hc——安全超高。設(shè)計(jì)洪水位0.4 m，校核洪水位0.3 m。

壩址區(qū)多年平均最大風(fēng)速為16.3 m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度為80 m。對(duì)于山區(qū)峽谷水庫(kù)，波浪的波高、平均波長(zhǎng)采用下式計(jì)算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

2Li——波長(zhǎng)（m）；

vf——計(jì)算風(fēng)速（m/s）；

Df——計(jì)算吹程（km）；

H1——平均水深（m）；

h0——波浪中心線超出水庫(kù)靜水位的風(fēng)雍高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位的壩頂高程見(jiàn)表2。

表2 壩頂超高計(jì)算成果表 m

計(jì)算壩頂高程為633.94 m，確定壩頂高程為634.0 m。

4.3 水力計(jì)算

4.3.1 溢流堰過(guò)流能力計(jì)算

式中 ε——側(cè)收縮系數(shù)，ε=0.95；

σ——淹沒(méi)系數(shù)，取1；

m——流量系數(shù)，根據(jù)a/H 查表得m=0.502；

n——孔數(shù)；

b——堰頂凈寬9 m；

h0——堰頂總水頭。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，溢流堰過(guò)流能力為22.52 m3/s，校核洪水位時(shí)，溢流堰過(guò)流能力為28.82 m3/s，均能滿(mǎn)足泄洪要求。

4.3.2 溢流壩段消能計(jì)算

根據(jù)挑流消能經(jīng)驗(yàn)公式估算預(yù)取反弧半徑R=3 m。然后對(duì)所預(yù)定的反弧半徑進(jìn)行復(fù)核。對(duì)挑距L、沖坑深Tk進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）挑距按下公式計(jì)算：

式中 L——挑射距離（m）；

V1——坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v 的1.1 倍計(jì)算，即（H0為水庫(kù)水位至坎頂?shù)穆洳?，m）；

θ——鼻坎的挑角；

h1——坎頂垂直方向水深，m，h1=h/cosθ（h 為坎頂平均水深，m）；

h2——坎頂至河床面高差，m；

φ——堰面流速系數(shù)；

q坎——坎頂單寬流量，m3/s；

E——上下游水位差，m。

最大沖坑深度按下公式計(jì)算：

式中 Tk——沖坑深度（m）；

q——單寬流量（m3/s）；

H——上下游水位差（m）；

t——下游水深（m）；

k——沖刷系數(shù)，取1.25。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最大沖坑深度計(jì)算結(jié)果

本引水壩壩基為鈣質(zhì)板巖，堅(jiān)硬完整，沖坑后坡均緩于1/3 的安全坡比，故認(rèn)為滿(mǎn)足抗沖要求。

4.4 大壩穩(wěn)定計(jì)算

4.4.1 計(jì)算工況及荷載組合

本工程位于湖南省新寧縣境內(nèi)，壩區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，無(wú)須進(jìn)行抗震設(shè)防，故按常規(guī)荷載組合如表4。

表4 引水壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算工況及荷載組合

4.4.2 計(jì)算方法

該壩座落于強(qiáng)風(fēng)化中帶巖基上，參照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行壩基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算公式如下：壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中 k——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

k′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑W——作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分值（kN）；

∑P——作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分值（kN）；

f——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪凝聚力（kPa）。

壩基面垂直正應(yīng)力：

式中 σy上、σy下——壩基面上、下游邊緣垂直正應(yīng)力（kPa）；

∑W——作用于計(jì)算壩段上全部荷載在壩基面截面上的法向分力總和（kN）；

∑M——作用于計(jì)算壩段上全部荷載在壩基面截面形心軸的力矩總和（kN·m）；

T——壩體計(jì)算截面沿上下游方向長(zhǎng)度（m）。

4.4.3 計(jì)算結(jié)果

大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 非溢流壩段基面穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果表

表6 溢流壩段基面穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果表

從以上計(jì)算成果可知，擬定的溢流壩段及非溢流壩段斷面在各種計(jì)算工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，壩基面應(yīng)力狀態(tài)均受壓，最大壓應(yīng)力值為556.88 kPa，基礎(chǔ)承載能力滿(mǎn)足要求。