某水利工程碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)

張思遠(yuǎn)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

某水利工程碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)

張思遠(yuǎn)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

本工程等別為Ⅲ等，屬于中型水利工程。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩軸線方位角為N87.662°W。壩頂高程為1257.30m，河床段建基面高程1197.70m，最大壩高59.6m，最大底寬57.37m，壩頂寬度6.0m，壩頂長(zhǎng)317.8m。大壩通過(guò)計(jì)算確定壩頂及建基面高程及大壩壩基面的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，最終完成重力壩設(shè)計(jì)。

碾壓混凝土；重力壩；應(yīng)力計(jì)算；穩(wěn)定計(jì)算

1 工程布置

本工程等別為Ⅲ等，屬于中型水利工程，永久建筑物：大壩、溢洪道、取水兼放空隧洞等主要建筑物為3級(jí)建筑物，其中比較常見的主要建筑物為提水泵站、供水工程等，而次要建筑物則為四季建筑物，比較常見的為供水管道。臨時(shí)建筑物：圍堰、導(dǎo)流洞等臨時(shí)建筑物為5級(jí)建筑物。樞紐布置為大壩(碾壓重力壩)+壩頂溢洪道+放空兼沖沙底孔+取水口+壩后提水泵站+高位水池組成。碾壓混凝土重力壩，壩軸線方位角為N87.662°W。壩頂高程為1257.30m，河床段建基面高程1197.70m，最大壩高59.6m，最大底寬57.37m，壩頂寬度6.0m，壩頂長(zhǎng)317.8m，其中左岸非溢流壩段長(zhǎng)100.8m，河床溢流壩段長(zhǎng)20m，右岸非溢流壩段長(zhǎng)197m，上游壩坡1∶0.3，折坡點(diǎn)高程1223.70m，下游壩坡1∶0.85，折坡點(diǎn)高程1248.90m，溢洪道邊墻折坡點(diǎn)高程1244.67m，壩基坐落在弱風(fēng)化中下部。上壩公路布置于右岸，引接進(jìn)入河頭上村的鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路路口，部分改造河頭上村村寨公路，至該村寨時(shí)拐向由村子背后通過(guò)至右壩端。

壩體材料分區(qū)為：壩體主體材料采用C9015三級(jí)配碾壓混凝土，抗?jié)B等級(jí)W4，抗凍等級(jí)F50；上游迎水面設(shè)一層0.5m厚的C9020二級(jí)配變態(tài)混凝土；壩體的主要防滲層采用C9020二級(jí)配碾壓混凝土(富膠凝)，1220.95m高程以上厚度1.5m，1220.95m高程以下厚度2.0m，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F100；下游壩面為一層厚0.5m的C9015二級(jí)配變態(tài)混凝土；為加強(qiáng)基礎(chǔ)與基巖的連接作用，大壩底部在河床段設(shè)厚1.0m的C9015常態(tài)混凝土墊層，在岸坡段設(shè)厚1.0m的C9015變態(tài)混凝土墊層。

2 重力壩設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 壩頂及建基面高程確定

大壩為3級(jí)建筑物，洪水標(biāo)準(zhǔn)按50a一遇洪水設(shè)計(jì)，500a一遇洪水校核。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，大壩校核洪水位(P=0.2%)1255.75m，相應(yīng)下游校核水位為1214.67m；設(shè)計(jì)洪水位(P=2.0%)1254.59m，相應(yīng)下游設(shè)計(jì)水位為1214.00m；消能防沖洪水位(P=3.33%)1254.44m，相應(yīng)下游水位為1213.88m；正常蓄水位為1254.00m。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005)，壩頂高程=水庫(kù)靜水位+△h，其中△h為壩頂距水庫(kù)靜水位(正常蓄水位或校核洪水位)的高度，△h由下式確定：

△h=h1%+hz-hc

(1)

式中：△h為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%為表示100a一遇的高坡，m，計(jì)算依據(jù)官?gòu)d公式完成；hz為波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟睿琺；hc為安全超高，m，本工程大壩的安全級(jí)別為3級(jí)，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005規(guī)定，正常蓄水位時(shí)取0.4m，核洪洪水位時(shí)取0.3m。

波浪要素按官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算：

(2)

計(jì)算結(jié)果表明，壩頂高程由校核洪水位工況控制，最終選定壩頂高程為 1257.30m。根據(jù)地質(zhì)提供的壩址處巖層參數(shù)及巖體風(fēng)化深度，結(jié)合壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果，將壩基置于弱風(fēng)化的中下部，即大壩建基面高程為1197.70m，上游壩踵底高程為1192.70m。

2.2 大壩壩基面的應(yīng)力和穩(wěn)定分析

根據(jù)擬定大壩斷面尺寸，進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。河頭上水庫(kù)工程大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高 59.6 m，大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算和應(yīng)力分析主要采用常規(guī)的極限剛體平衡和材料力學(xué)法計(jì)算。分別選擇溢流壩段、非溢流壩段 2個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算內(nèi)容包括：壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定計(jì)算、壩基、壩體強(qiáng)度計(jì)算。

2.2.1 大壩應(yīng)力及穩(wěn)定控制指標(biāo)

1)控制壩體應(yīng)力指標(biāo)。

依據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則規(guī)定，壩體中各項(xiàng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力要滿足以要求：①在具體運(yùn)行過(guò)程中，不同類型的荷載組合，壩址垂直應(yīng)力不得超過(guò)壩基允許的最大應(yīng)力值，壩踵垂直應(yīng)力不得出現(xiàn)拉應(yīng)力；②壩趾垂直應(yīng)力可以存在拉應(yīng)力，但是該拉應(yīng)力不得超過(guò) 0.1MPa；③壩體上游面垂直不得出現(xiàn)揚(yáng)壓力避免對(duì)壩體造成破壞；④壩體存在的主壓力最大值必須要小于混凝土結(jié)構(gòu)允許的最大壓力；⑤壩體中的每一個(gè)截面上的主壓應(yīng)力都要小于混凝土結(jié)構(gòu)允許的最大壓力；⑥壩體下游面的主拉應(yīng)力必須要控制在0.2MPa以內(nèi)。

2)大壩抗滑穩(wěn)定控制指標(biāo)。

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算沿壩建基面及深層軟弱夾層滑動(dòng)條件。建基面抗滑穩(wěn)定控制指標(biāo)如表1所示。

表1 各工況下穩(wěn)定安全系數(shù)要求

2.2.2 壩體應(yīng)力及穩(wěn)定計(jì)算

1)根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005)中的相關(guān)規(guī)定，在不同荷載組合下，對(duì)壩體間的各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：σy為—壩踵、壩址垂直應(yīng)力，MPa；∑W為壩段上的荷載，KN；∑M為壩段上的荷載對(duì)壩基截面形心軸的力矩總和，KN·m；A為壩段(或者1m壩長(zhǎng))的截面積大小，m2；x為壩基截面上計(jì)算與形心軸之間的距離，m；J為壩段(或1m壩長(zhǎng))截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4。最終的計(jì)算結(jié)果內(nèi)容如表2所示。

表2 大壩應(yīng)力計(jì)算成果表 MPa

2)沿大壩建基面滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算。

沿建基面滑動(dòng)按照抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：K＇為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。按規(guī)范要求，計(jì)算之K＇值需滿足：基本組合>3.0，特殊組合>2.5；f＇、c＇分別為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力，MPa，根據(jù)地質(zhì)資料取值；A為計(jì)算壩段壩基接觸面截面積，m2。

根據(jù)地質(zhì)資料，壩址處混凝土與壩基，巖石抗剪斷參數(shù)為：f＇=0.75，c＇=0.5 MPa。

根據(jù)以上不同工況及荷載組合，從計(jì)算成果可知，基本組合情況K/>3.0，特殊組合情況K/>2.5，故壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)計(jì)算確定大壩的壩頂高程和壩基高程后初擬大壩體型，在根據(jù)規(guī)范及實(shí)際情況確定荷載組合及大壩應(yīng)力指標(biāo)，最后進(jìn)行大壩的應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算，最終完成重力壩設(shè)計(jì)。

[1]王小杰.車家壩河水利杻紐碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)[J].河南科技，2014(02)：71-72.

[2]曹駿.哮天龍水庫(kù)碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)[J].貴州水力發(fā)電，2011(02)：17-19.

1007-7596(2017)08-0084-02

2017-07-26

張思遠(yuǎn)(1981-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事水工建筑工作。

TV642.2

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