某水電站溢流壩設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算

余昌華 彭建中

摘 要：介紹了某水電站工程概況及壩址區(qū)地質(zhì)條件，結(jié)合規(guī)范要求對(duì)大壩左岸溢流壩段設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)溢流壩的穩(wěn)定性進(jìn)行論證，對(duì)其它類似工程設(shè)計(jì)和建設(shè)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：溢流壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗滑穩(wěn)定性；應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TV652.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)20.9km，加權(quán)平均坡降18.1‰。大壩水庫(kù)正常蓄水位203.80m，設(shè)計(jì)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(fā)電為主，水庫(kù)總庫(kù)容為15.7萬m3，工程規(guī)模為?。?）型，工程等級(jí)為V等。

壩址區(qū)兩岸地形不對(duì)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(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》分類為中硬質(zhì)巖（BⅡ-BⅢ類），飽和抗壓強(qiáng)度30MP

2 溢流壩段設(shè)計(jì)

2.1 壩高確定

壩基河床高程198.0m，基巖面高程192.3m，弱風(fēng)化下限高程191.7m。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005規(guī)定的一般布置原則，壩高低于30m時(shí)，可建在弱風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化中上部基巖上，本工程壩高屬于低壩，基巖面可選擇弱風(fēng)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(jù)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(jì)算

我國(guó)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(biāo)原點(diǎn)設(shè)在堰頂最高點(diǎn)。

（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(biāo)值見表1。表中Hd為定型設(shè)計(jì)水頭[4]，一般為校核洪水位時(shí)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(shè)計(jì)水頭為3.5m。

（2）堰頂下游段

2.3 壩體材料及分區(qū)

壩體結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的部位采用不同筑壩材料，壩體內(nèi)采用C20埋石混凝土填筑。大壩基礎(chǔ)混凝土采用C20常態(tài)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(jí)配。溢流壩剖面圖如圖2所示。

3 溢流壩穩(wěn)定計(jì)算

3.1 抗滑穩(wěn)定分析

（1）設(shè)計(jì)要求

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面滑動(dòng)條件，壩體為混凝土，平均容重取2.4t/m3，泥砂容重取8t/m3，內(nèi)摩擦角取12°。河床基礎(chǔ)允許承載應(yīng)力取1.5MPa，壩體穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷公式計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)資料，取弱風(fēng)化層的抗剪斷強(qiáng)度f1=1.0、C1=0.65MPa，設(shè)計(jì)要求在基本組合情況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC≥3.0；在特殊組合情況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC≥2.5。因溢流壩段標(biāo)準(zhǔn)剖面圖形不規(guī)則，采用偏于安全的近似計(jì)算方法，溢流面進(jìn)行拉直折算后整體驗(yàn)算大壩穩(wěn)定，選取203.3m高程作為本次計(jì)算截面。

（2）荷載組合

（3）計(jì)算公式

式中：Kc-按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f1-壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，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(duì)滑動(dòng)平面的總鉛直力（kN）；？撞P-作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的總水平力（kN）。

計(jì)算得正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位（基本組合）情況時(shí)，Kc=4.58>3.0；校核洪水情況（特殊組合）時(shí)，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(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2 壩體應(yīng)力分析

（1）壩址抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)

基本組合：取正常蓄水位工況下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ=1.0，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd1=1.2，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)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(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ=0.85，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd2=1.8，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9。

可知滿足規(guī)范要求。

（2）壩踵垂直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力極限狀態(tài)驗(yàn)算（正常使用極限狀態(tài)）

可知滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

（1）對(duì)水電站左岸溢流壩段進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定壩底、堰頂高程、對(duì)壩體材料進(jìn)行分區(qū)，采用WES堰頂曲線，通過計(jì)算曲線方程得到相應(yīng)的特征點(diǎn)。

（2）對(duì)溢流壩體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性和應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明，在不同荷載組合工況條件下，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基面與壩體應(yīng)力等特征指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

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