论石河水库溢流坝的加固设计

康迎宾 郑艳丽 王威威

1 工程概况

石河水库位于秦皇岛市山海关西北5 km处。坝型为浆砌石重力坝。中间主河槽为溢流坝段,两边为挡水坝段,坝顶长度356 m,其中挡水坝段275 m。最大底宽36.6 m,上游坝坡1∶0.1,下游坝坡1∶0.69,坝顶宽5 m,溢流坝段长90 m,底宽40.5 m,上游坡与挡水坝段一致,堰顶高程 47 m,其上设宽 8 m、高 10.2 m升卧式平板钢闸门9扇,闸门总净宽72 m。大坝附属建筑物有泄洪洞、输水洞、发电洞和新建成的坝后式水电站一座。

现状溢流坝抗滑稳定采用抗剪公式计算结果为:在原设计扬压力的渗压折减系数α=0.65时,32.0 m高程断面及特殊荷载组合情况下均不满足抗滑稳定系数K≥1.00的要求。当采用规范规定的情况α=1.00时,抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。溢流坝各个计算断面的上游坝面处,计及扬压力作用时,上游边缘处的正应力及主应力在1000年一遇校核洪水位时均出现拉应力,混凝土心墙上游侧在扬压力折减系数α=0.65,α=1.00时均有拉应力出现,不满足规范要求。

2 溢流坝水力计算

2.1 规范推荐公式法

根据SL 319-2005混凝土重力坝设计规范附录A及武汉大学李伟主编的《水力计算手册(第二版)》进行相关水力计算。

1)泄流能力。溢流坝加固后,堰面曲线发生改变,重新计算溢流坝泄流能力,结果见表1。

表1 溢流坝水位—泄量关系

3)最大冲坑计算。计算公式如下:tk=kq0.5H0.25。其中,tk为水垫厚度,自水面算至坑底,m;q为单宽流量;H为上下游水位差;k为冲坑系数,按坚硬但完整性较差的基岩取k=1.0。计算得,设计洪水时冲坑深度6.8 m,校核洪水时8.7 m。

4)安全校核。设计和校核洪水时,挑距与冲坑深度之比分别为8.4和7.8,冲坑不致危及大坝安全。

2.2 数值计算法

1)模型建立。根据石河水库溢流坝堰型实际尺寸建立模型。其模拟区域由库区、堰、挑坎及下游出流区四个部分组成。模型见图1。2)数值计算方法。计算选用K—ε紊流模型;对于库区水气交界面的处理,采用VOF方法予以追踪;偏微分方程的离散,采用有限体积法,动量、紊动能和紊动耗散率采用二阶迎风格式,压力—速度耦合采用PISO算法。3)计算结果。从库水位47.0 m～60.0 m,模拟了7个库水位的泄流情况,水位流量关系曲线见图2。设计洪水及校核洪水工况水面线及流场见图3,图4。

2.3 成果选取

通过规范推荐公式计算和数值模拟计算结果对比,数值模拟计算结果泄流能力稍大于公式法,但相差不大,为安全计,采用规范推荐公式法成果。

3 溢流坝的稳定分析

3.1 计算滑面的选取

根据SL 25-2006砌石坝设计规范关于坝体稳定计算内容的要求,结合本工程的实际,共考虑五种情况。

3.2 计算公式

大坝抗滑稳定计算公式采用SL 25-2006砌石坝设计规范中(3.2-1),(3.2-2)公式计算:

不同荷载组合情况下,根据抗剪断公式和抗剪公式计算的抗滑安全系数见表2。

从表2中可以看出:基本荷载组合情况下抗剪断稳定安全系数最小值为3.76,大于3.00,抗剪安全系数最小值1.26,大于1.05;特殊荷载组合情况下抗剪断稳定安全系数最小值为3.21,大于2.50,抗剪安全系数最小值为 1.00,满足稳定要求。

4 溢流坝的应力分析

4.1 计算方法

表2 抗滑稳定安全系数表

根据《砌石坝设计规范》规定,坝体应力计算采用材料力学法为基本分析方法。坝体应力计算公式参见SL 319-2005混凝土重力坝设计规范附录C。本次初设按照坝体各向同性均质体来进行应力计算。坝体应力计算公式如下:

上游面垂直正应力:

下游面垂直正应力:

上游面主应力:

下游面主应力:

4.2 计算结果

不同工况下不同截面位置下的计算结果表明:最大应力出现在断面16.0 m高程不计扬压力时下游面垂直正应力及第一主应力均为697.92 kPa,小于坝体材料的容许抗压强度,无拉应力出现,故溢流坝满足应力要求。

5 结语

结合石河水库加固设计工程实例在对水库溢流坝的加固设计上进行了分析,对现状溢流坝进行抗滑稳定计算以及应力分析发现所得结果不能满足规范要求。溢流坝加固设计中对溢流坝的水力计算采用了规范推荐公式和数值模拟两种方法来进行计算,同时对溢流坝加固进行了稳定分析以及应力分析,使得本次加固设计所提出的设计方案安全、合理。经过计算与分析证明了文章所提出的加固设计方案是可行的,并且已被采用。

[1]SL 319-2005,混凝土重力坝设计规范[S].

[2]SL 25-2006,砌石坝设计规范[S].

[3]SL 265-2001,水闸设计规范[S].

[4]李 宁.英那河水库溢流坝加高设计与施工[J].东北水利水电,2007(7):8-11.

[5]林继镛.水工建筑物[M].第 4版.北京:中国水利水电出版社,2006.