遼河水庫擋水建筑物設(shè)計(jì)分析

王洪波

(黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

遼河流域大部分地區(qū)屬溫帶半濕潤半干旱的季風(fēng)氣候。遼寧省強(qiáng)降水集中在7—8月，而且多為強(qiáng)降雨，降雨的時(shí)空分布不均勻造成了遼河水資源的浪費(fèi)[1]。近45a來遼寧的干旱有增加趨勢、洪澇減少[2]。由于氣候影響，遼河流域內(nèi)洪水頻繁，遼河水無法存活生物，無法用于灌溉，更無法供人畜飲用。據(jù)統(tǒng)計(jì)遼寧省糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在400億斤，但是遼寧省的水庫問題已經(jīng)逐漸的制約著遼寧糧食產(chǎn)量的發(fā)展，如果不加以解決，必將影響糧食的產(chǎn)量[3]。的遼河水庫樞紐設(shè)計(jì)采用混凝土重力壩設(shè)計(jì)符合國內(nèi)外水利開發(fā)形勢要求，且滿足當(dāng)前發(fā)展階段的技術(shù)要求。水電站包括擋水建筑物，泄水建筑物，閘門，用水建筑物，廠房等，擋水建筑物是用提高上游水位，調(diào)蓄流量，攔截水流，阻擋河流泛濫而建造的，文章針對遼河水庫的擋水建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。水利工程施工過程中, 擋水及導(dǎo)流建筑物能否可靠攔泄洪水與安全度汛, 直接關(guān)系到工程進(jìn)度、質(zhì)量、造價(jià)甚至工程成敗。

1.工程概況

遼河水庫重力壩樞紐位于遼寧省內(nèi)。水庫的主要任務(wù)是以農(nóng)田灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚，并考慮水量的年中用量分配，兼季節(jié)性發(fā)電，使水庫達(dá)到綜合利用目的。根據(jù)水利經(jīng)濟(jì)計(jì)算及調(diào)洪演算，水庫最大庫容為1.86億m3，根據(jù)農(nóng)田水利規(guī)劃，可灌水田1.67萬hm2，旱田8667hm2。水庫校核洪水位為62.7m，相應(yīng)下泄量2500m3/s，下游水位38.0m；水庫設(shè)計(jì)洪水位為61.35m，相應(yīng)下泄量1800m3/s，下游水位36.5m；水庫正常水位為60.0m，死水位高程為43.0m，吹程為2.7km，多年平均最大風(fēng)速為17m/s。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 壩型選擇與主要建筑物的選擇

混凝土重力壩工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發(fā)揮工程效益；膠凝材料用量少，不設(shè)縱縫，可使用大型通用施工機(jī)械設(shè)備，降低工程造價(jià)。因此綜合各方面因素考慮，本設(shè)計(jì)選擇修建混凝土重力壩。

2.2 樞紐布置

1)溢流壩段：凈寬 B=60m，位置在(0+178-0+248)樁號內(nèi)，閘門采用弧形鋼閘門，露頂式，型號為 SDJB—78；閘門尺寸：半徑為 R=8.4m，共 5 孔。

則閘門總寬為：

B總=nb+(n-1)

(1)

式中：B總為閘門總寬度；n為閘門孔數(shù)，n=5；b為閘門寬，b=12m；t為閘墩厚，t=2.0m

因此，閘門總寬為68m。

2)擋水壩段：位于溢流壩段兩側(cè)。

3)輸水洞：設(shè)置在河床右岸(0+133)處，出口高程 37m。

4)電站：采用河床電站，使其起到擋水作用，從而節(jié)省擋水建筑物的投資。設(shè)置在河床右岸(0+138-0+178)處，共 4 臺機(jī)組，裝機(jī)容量為 320 千瓦，尺寸為 5×18m2。

5)開挖巖石高程 27m。

2.3 擋水建筑物的設(shè)計(jì)

2.3.1 擋水建筑物的選擇

考慮各方面壓力影響選擇類似梯形斷面的混凝土重力壩,上部為矩形截面防浪墻。上游和下游坡面分別采用不同的坡比，以更好的承載上下游水位的不同而產(chǎn)生的不同大小的水壓力?；炷林亓我蚱漭^好的強(qiáng)度和穩(wěn)定條件，現(xiàn)普遍適用于國內(nèi)外各種大中小型水利工程。

2.3.2 擋水建筑物的尺寸設(shè)計(jì)

2.3.2.1 確定壩頂高程

1)波浪壓力：

波浪壓力的計(jì)算采用官廳水庫公式：

(2)

L=10.4(hl)0.8

(3)

(4)

式中：hl為波高；L為波長；hz為波浪中心線高于靜水面產(chǎn)生的雍高；V0為計(jì)算風(fēng)速=1.5倍的多年平均最大風(fēng)速，取1.5×17m/s=25.5m/s；D為吹程=2.7km

計(jì)算得到：hl=1.324m；L=13.02m；hz=0.41m

官廳公式gD/V02=41.52，位于20-250之間，因此累計(jì)頻率 5%的波高h(yuǎn)5%=1.324m，則h1%=1.24h5%，可得h1%為1.642m；在校核洪水期，取V0=V=17m/s，則hl=0.79m；L=8.28m；hz=0.211m；此時(shí)gD/V02=93.43。位于20-250之間，累計(jì)頻率 5%的波高h(yuǎn)5%=0.79m，則h1%=1.24h5%，可得h1%為0.98m。

2)壩頂高程的確定：

壩頂高程一般高于校核洪水位，且上游防浪墻高程高于波浪頂高程。

△h=h1%+hz+hc

(5)

式中：△h為防浪墻頂至設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差；h1%為累計(jì)頻率為1%時(shí)的波浪高度；h2為波浪中心線到靜水位的高度；hc為安全加高。按表1取得。

表1 安全加高h(yuǎn)c

△h設(shè)=h1%+hz+hc

(6)

hf設(shè)=hd+△h設(shè)

(7)

△h校=h1%+hz+hc

(8)

hf校=hx+△h校

(9)

其中：hf設(shè)為設(shè)計(jì)洪水位對應(yīng)防浪墻高程；hd為計(jì)洪水位；hf校為校核洪水位對應(yīng)防浪墻高程；hx為校核洪水位防浪墻高程選用較大值，因此壩頂高程為65m確定壩頂寬度壩頂寬度取壩高的8%-10%，在5.44-6.5m之間，取6m。

解得：△h設(shè)=2.525m；對應(yīng)防浪墻高程為63.875m；△h校為1.591m；對應(yīng)防浪墻高程為64.291m。

2.2.3.2 確定壩體斷面

1)壩基強(qiáng)度條件：

(10)

式中：γ為漿砌石容重，取22kN/m3；γ0為水的容重=9.8kN/m3假定λ=0，α=0.5，可以得到: 壩基強(qiáng)度條件B/H=0.757

2)壩基穩(wěn)定條件K：

(11)

式中：f為混凝土砌體與基巖間摩擦系數(shù)，取0.68；k為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，取3.0。解得壩基穩(wěn)定條件B/H=2.3887。由于穩(wěn)定條件大于強(qiáng)度條件，因此將穩(wěn)定條件作為控制因素進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3.3 確定壩體斷面尺寸

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，上游壩坡坡率取n=0.2(0-0.2)，下游壩坡率m=0.8(0.6-0.8)，則底寬B=25×0.2+6+28×0.8=33.4m。

2.3.3 重力壩穩(wěn)定分析

2.3.3.1 設(shè)計(jì)情況下的荷載計(jì)算

1)壩體自重：

(12)

式中：G1為主壩重量；V1為主壩體積；G2、G3為付壩重量；V1、V2為付壩體積。解得G1=5392kN；G2=664.7kN；G3=7212.8kN。

2)水平水壓力：

(13)

(14)

式中：P1為上游水壓力；P2為下游水壓力；γ0為容重9.8；上游壩高H1為35.35m；下游壩高H2為9.5m。

解得：上游水壓力P1為6123.15kN；下游水壓力P2為442.23kN。

3)水重：

Q1=γ0V1

(15)

Q2=γ0V2

(16)

Q3=γ0V3

(17)

式中：Q1為主壩水重；Q2、Q3為下游水重。

解得Q1=507.15kN；Q2=612.5kN；Q3=353.78kN。

4)浪壓力：

由于壩前水深H1=35.5>L/2，所以為深水坡：

(18)

P1靜水面以下=γ0(L/2)2/2

(19)

式中：L為為波長13.15m；h1為波高1.341m；hz為波浪中心線高于靜水面產(chǎn)生的雍高0.43m；

解得：P1靜水面以上=268.96kN；P1靜水面以下=211.89kN。

5)泥沙壓力：

水平方向泥沙壓力計(jì)算公式為：

PH=γ浮h2tan2(45°-φ/2)/2

(20)

γ浮=γ飽-γ0

(21)

式中：γ浮為淤沙浮容重；H為淤沙高度，取16m；Φ為淤沙內(nèi)摩擦角，取φ=16°。計(jì)算得PH=486.98kN；γ浮為6.7kN。

垂直方向泥沙壓力：

Pv=γ浮nh2/2

(22)

式中：n為孔隙率，取n=0.2。

計(jì)算得Pv=171.52kN。

6)揚(yáng)壓力：

帷幕到上游面的距離一般應(yīng)取壩面作用水頭的0.05-0.1倍，并且≥ 3m。采用分部計(jì)算，計(jì)算過程如下：

U1=γ0BH2

(23)

式中：B為壩底寬度，m；H為上下游水位差，m。

計(jì)算得U1=9.8×9.5×33,4=3109.54kN

U2=γ0α2H(B-b1-b2)/2

(24)

式中：α2為排水處消減系數(shù)，一般取0.2-0.4，本設(shè)計(jì)取0.3；b1為帷幕上游

邊到上游壩面的距離；b2為帷幕下游邊到排水設(shè)備的距離。

計(jì)算得U2=961.39kN

U3=γ0(α1H+α2H)b2/2

(25)

式中：α1為灌漿處消減系數(shù)，一般取0.45-0.6，本設(shè)計(jì)取0.5。

計(jì)算得U3=152kN

U4=γ0(α1H+H)×b1/2

=(0.5×25.85+25.85)×5×0.5×9.8=950kN

(26)

2.3.3.2 設(shè)計(jì)情況下的穩(wěn)定計(jì)算

上游水位61.35m，相應(yīng)下游水位36.5m，則抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Km≥1.05，因此滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3 結(jié) 論

遼河水庫樞紐根據(jù)收集到水文資料和工程地質(zhì)資料進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)計(jì)，其中擋水建筑物進(jìn)行了相應(yīng)荷載計(jì)算和穩(wěn)定分析，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滿足強(qiáng)度要求。在充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件和地質(zhì)條件的情況下，本設(shè)計(jì)盡可能的充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，節(jié)省工程預(yù)算和工程投資。根據(jù)水文地質(zhì)情況綜合分析結(jié)果及其特殊的地形位置條件，決定采用混凝土重力壩。選擇修建混凝土重力壩能夠充分滿足水庫的正常運(yùn)行。結(jié)合地形條件進(jìn)行樞紐布置，各部分建筑物布置合理且盡最大程度減少工程投資。充分利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源，在盡量不影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的情況下，發(fā)揮其最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。