汾河中下游液壓壩底板穩(wěn)定計算探討

梁倩倩

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游液壓壩底板穩(wěn)定計算探討

梁倩倩

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游工程是汾河流域生態(tài)修復工程的組成部分，擬在汾河二壩至介休市義棠鎮(zhèn)之間約80 km的汾河干流上修建15座液壓壩。液壓壩底板穩(wěn)定計算的探討對汾河中下游工程建設具有十分重要的意義，同時可為其他類似水利工程提供參考借鑒。

液壓壩；穩(wěn)定計算；汾河中下游

1 工程概況

工程擬在汾河二壩至介休市義棠鎮(zhèn)之間約80 km的汾河干流上修建15座液壓壩及蓄水區(qū)，其壩址分別位于太原市清徐縣，晉中市祁縣、平遙縣和介休市境內。依據(jù)工程總布置，液壓壩分為主槽段、左岸灘地段和右岸灘地段，主槽段液壓壩高分別為3.5 m（6號）、4.0 m（4號）、4.5 m（5號，7號，8號，12號）、5.0 m（1~3號、9~11號，13~15號），左右岸灘地段液壓壩高均為2.0 m，主槽壩高5.0 m的液壓壩數(shù)量較多，因此以1號液壓壩為例進行底板穩(wěn)定計算探討。1號液壓壩位于清徐縣西谷鄉(xiāng)東木莊村西南約500 m汾河干流上，壩頂高程761 m，正常蓄水位761 m，壩長234 m，其中主槽設計壩高5.0 m，長78 m，左岸灘地設計壩高2.0 m，長120 m，右岸灘地設計壩高2.0 m，長36 m。

2 計算依據(jù)及結構

1號液壓壩主槽壩高5 m，其底板分縫長度為12 m（5塊），18 m（1塊），左右岸灘地壩高均2 m，分縫長度6m。壩高2m，5m的底板順水流方向長度分別為5.5m，11 m，底板厚分別為1.5 m，2.3 m。依據(jù)要求，閘室穩(wěn)定計算宜取兩相鄰順水流向永久縫之間的閘段作為計算單元，故主槽液壓壩底板穩(wěn)定計算取12 m閘段作為計算單元，灘地液壓壩底板穩(wěn)定計算取6 m作為計算單元。

3 計算工況

一是完建工況（基本組合），上下游均無水，考慮荷載有底板自重、閘門重。二是正常蓄水工況（基本組合），上游為正常蓄水位，壩高2 m，5 m，下游水深分別為1 m，4 m，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力。三是檢修工況（特殊組合），上游為正常蓄水位，下游水深0 m，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力。四是地震工況（特殊組合），上游為正常蓄水位，壩高2 m，5 m，下游水深分別為1 m，4 m，其中水深均自閘底板頂高程算起，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力、地震力。

4 計算公式、過程及結果分析

4.1 計算公式

閘室基底應力采用公式（1）計算：

∑G——作用于閘室上的全部豎向荷載（包括閘室基礎底面上的揚壓力在內），kN；

∑M——作用于閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力距，kN·m；

A——閘室基底面的面積，m2；

W——閘室基底面對于該底面垂直水流方向

的形心軸的截面矩，m3。

基底應力不均勻分布系數(shù)采用公式（2）計算：

式中：[η]——基底應力不均勻分布系數(shù)容許值；

抗滑穩(wěn)定系數(shù)采用公式（3）計算：

式中：f——閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.4；

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

4.2 計算過程

4.2.1 底板自重

經(jīng)計算得壩高2.0 m時，L=5.5 m，t=1.5 m，B=6 m；壩高5.0 m時，L=11m，t=2.3 m，B=12 m。

4.2.2 水重

經(jīng)計算得壩高2.0 m時，L1=3.2 m；壩高5.0 m時，L1=5 m；

4.2.3 閘門重

一扇閘門寬度為6 m，2.0 m高液壓壩底板計算寬度為6 m，包括1扇閘門重，5.0 m計算寬度均為12 m，包括2扇閘門重。經(jīng)計算，壩高2.0 m時，閘門重4.77 t；壩高5.0 m時，閘門重45 t。

4.2.4 靜水壓力

液壓壩底板上游有鋼筋混凝土鋪蓋，下游有鋼筋混凝土消力池，均與底板之間有止水。止水以上的水平水壓力按靜水壓力分布考慮，止水以下縫內的水平水壓力按下述方法計算：由于滲流區(qū)內任一點的水壓力強度等于該點的靜水壓強（相對于下游水位）與滲透壓強之和，由于止水以下的縫內水流狀態(tài)可以認為是靜止的，故縫內滲透壓強相等，其數(shù)值即為縫底這一點的滲透壓強，而縫內靜水壓強按一般方法計算。

4.2.5 揚壓力

浮托力：P1=γ水htLB，KN；

滲透壓力：本工程地基采用水泥土地連墻圍封處理防滲與地基液化問題，防滲墻處滲透壓強相應進行折減，P2=γ水·S1·B，KN，S1為底板滲透壓力分布面積。

4.2.6 波浪壓力

當浪壓力參與基本組合時，計算風速取重現(xiàn)期為50年的年最大風速，33 m/s；當浪壓力參與特殊組合時，計算風速取多年平均年最大風速，22 m/s。

風區(qū)長度取300 m，風區(qū)內平均水深閘前水深均按各計算工況相應壩前水深取值。

4.2.7 地震力

本工程設計抗震烈度為8度，水工建筑物級別為4級，依據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》可只考慮水平向地震作用。地震慣性力采用擬靜力法計算地震作用效應時，沿建筑物高度作用于質點的水平向地震慣性力代表值按公式（4）計算：

式中：Fi——作用在質點i的水平向地震慣性力代表值；

ah——水平向設計地震加速度代表值，取值0.2g。

ξ——地震作用的效應折減系數(shù)，取0.25；

GEi——集中在質點i的重力作用標準值；

ai——質點i的動態(tài)分布系數(shù)，取1.5；

g——重力加速度。

地震動水壓力，總地震動水壓力F0=0.65 ahξρωH12，其中H1為壩前水深，m。作用點位于水面以下0.54 H1處。各工況荷載和穩(wěn)定計算結果見表1。

表1 荷載計算及穩(wěn)定計算結果

4.3 結果分析

本工程建筑物級別為4級，基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值為1.20，特殊組合一（檢修工況）的允許值為1.05，特殊組合二（地震工況）的允許值為1.00，計算結果滿足規(guī)范要求。

依據(jù)地質資料，地基允許承載力為80～90 kPa，在各種計算情況下，閘室平均基底應力均不大于地基允許承載力，最大基底應力均不大于地基允許承載力的1.2倍，故計算結果滿足規(guī)范要求。

本工程地基經(jīng)處理后可認為是堅實的地基土質，基本組合和特殊組合時，閘室基底應力的最大值與最小值之比即不均勻系數(shù)的允許值分別為2.50，3.00，因此計算結果可認為滿足規(guī)范要求。

TV640.39

C

1004-7042（2017）01-0036-02

梁倩倩（1985-），女，2011年畢業(yè)于武漢大學水工結構工程專業(yè)，工程師。

2016-11-08；

2016-12-16