某矿厂引水工程大坝设计计算与分析

李 涌

（邵阳市水利水电勘测设计院 邵阳市 422000）

1 工程概况

某矿厂引水坝工程位于湖南省新宁县某乡境内，资江水系夫夷水二级支流上游，距新宁县城金石镇25 km，坝址控制流域面积1.5 km2，坝址以上河流长度1.6 km，河床平均坡降102‰。

本工程兴建是以某矿厂生产、生活用水为主，供水规模为日供水300 m3，根据《水电枢纽工程等级划分及安全标准》（DL 5180-2003）规定，工程等级为Ⅴ等，主要建筑物为5 级建筑物，次要建筑物为5 级建筑物，主要建筑物为大坝、放空（冲砂）孔、引水钢管、上坝公路等组成。

2 水 文

根据水文分析计算，引水坝坝址处20年一遇洪峰流量为22.5 m3/s，洪水总量为20.2 万m3，200年一遇洪峰流量为28.8 m3/s，洪水总量为30.1 万m3。

3 工程地质

区域内地貌类型属于低山峰脊峡谷，群山连绵，山峰高耸，山顶多呈小峰。区内地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应地震烈度为6 度，区域构造场地稳定。

坝址出露地层为：寒武系上统（∈3）褐红、青灰色中层钙质板岩，坝基岩体物理力学参数推荐值见表1。

4 大坝设计

4.1 设计基本资料

该坝为混凝土埋块石重力坝，工程等级为Ⅴ等，大坝按5 级建筑物设计。根据《水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）确定：洪水重现期按20年一遇设计，200年一遇校核。

表1 坝基岩石物理力学指标推荐值表

（1）坝址特征水位与特征流量。

正常蓄水位：631.55 m，相应下游水位：621.10 m。

设计洪水位：632.67 m，相应下游水位：621.23 m，相应的下泄流量：22.5 m3/s。

校核洪水位：632.87 m，相应下游水位：621.36 m，相应的下泄流量：28.8 m3/s。

死水位：629.00 m。

（2）泥沙资料。

对现有水库中的泥沙进行分析计算，坝址处含沙量0.003 kg/m3，多年平均输沙量为0.19 万m3。

（3）水文气象资料。

根据流域内各气象站资料统计，历年平均气温17℃，极端最低气温-8.8℃，极端最高气温39℃，多年平均相对湿度81%。

坝址以上流域多年平均降雨量1330.1 mm。

平均风速2.1 m/s，最大风速16.3 m/s。

（4）地震烈度。

坝址区地震基本烈度为Ⅵ度，不考虑地震设防。

（5）地基特性及设计参数。

①坝基岩体物理力学指标见表1。

②材料容重。混凝土：2.4 t/m3、混凝土埋块石2.2 t/m3。

③安全系数。基本组合：K≥1.0 （抗剪），K≥3.0（抗剪断）；特殊组合：K≥1.0（抗剪），K≥2.5（抗剪断）。

4.2 大坝断面拟定

大坝断面尺寸：内坡垂直，外坡为折线形，外坡折点高程为632.00 m，折线坡度为1∶0.75，坝顶宽4 m，坝底最大宽度为10.93 m。坝体采用C15 埋块石混凝土浇筑，临水面浇0.3 m 厚C20 混凝土防渗面板，建基面浇0.3 m 厚C15 混凝土垫层，溢流面设0.5 m 厚C25 混凝土，引水坝设无闸门自流式溢流坝段，堰为实用堰，堰顶高程为631.55 m，溢流段位于挡水坝中部，采用挑流消能，溢流堰上设一交通便桥连接两岸。放空建筑物为坝体内现浇C20 混凝土圆管，管径为0.6 m，管长10.93 m。进水口采用闸门控制，采用PGZ 0.6×0.7 铸铁定型闸门，启闭机采用5 t 螺杆式式启闭机，进口高程为622.2 m，放水建筑物施工过程中兼作导流。

引水坝正常蓄水位631.55 m，设计洪水位632.67 m，校核洪水位632.87 m。坝顶超高根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2005）及《水工建筑物》中的有关公式规定计算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

h0——波浪中心高出静水位的高度（m）；

hc——安全超高。设计洪水位0.4 m，校核洪水位0.3 m。

坝址区多年平均最大风速为16.3 m/s，风区长度为80 m。对于山区峡谷水库，波浪的波高、平均波长采用下式计算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

2Li——波长（m）；

vf——计算风速（m/s）；

Df——计算吹程（km）；

H1——平均水深（m）；

h0——波浪中心线超出水库静水位的风雍高度（m）。

经计算，设计洪水位与校核洪水位的坝顶高程见表2。

表2 坝顶超高计算成果表 m

计算坝顶高程为633.94 m，确定坝顶高程为634.0 m。

4.3 水力计算

4.3.1 溢流堰过流能力计算

式中 ε——侧收缩系数，ε=0.95；

σ——淹没系数，取1；

m——流量系数，根据a/H 查表得m=0.502；

n——孔数；

b——堰顶净宽9 m；

h0——堰顶总水头。

经过计算，设计洪水位时，溢流堰过流能力为22.52 m3/s，校核洪水位时，溢流堰过流能力为28.82 m3/s，均能满足泄洪要求。

4.3.2 溢流坝段消能计算

根据挑流消能经验公式估算预取反弧半径R=3 m。然后对所预定的反弧半径进行复核。对挑距L、冲坑深Tk进行计算。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）挑距按下公式计算：

式中 L——挑射距离（m）；

V1——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v 的1.1 倍计算，即（H0为水库水位至坎顶的落差，m）；

θ——鼻坎的挑角；

h1——坎顶垂直方向水深，m，h1=h/cosθ（h 为坎顶平均水深，m）；

h2——坎顶至河床面高差，m；

φ——堰面流速系数；

q坎——坎顶单宽流量，m3/s；

E——上下游水位差，m。

最大冲坑深度按下公式计算：

式中 Tk——冲坑深度（m）；

q——单宽流量（m3/s）；

H——上下游水位差（m）；

t——下游水深（m）；

k——冲刷系数，取1.25。

计算结果见表3。

表3 最大冲坑深度计算结果

本引水坝坝基为钙质板岩，坚硬完整，冲坑后坡均缓于1/3 的安全坡比，故认为满足抗冲要求。

4.4 大坝稳定计算

4.4.1 计算工况及荷载组合

本工程位于湖南省新宁县境内，坝区地震基本烈度为Ⅵ度，无须进行抗震设防，故按常规荷载组合如表4。

表4 引水坝稳定应力计算工况及荷载组合

4.4.2 计算方法

该坝座落于强风化中带岩基上，参照有关设计规范进行坝基抗滑稳定及应力计算，计算公式如下：坝基面抗滑稳定安全系数：

式中 k——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；

k′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

∑W——作用于坝体上全部荷载对滑动面的法向分值（kN）；

∑P——作用于坝体上全部荷载对滑动面的切向分值（kN）；

f——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；

f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；

c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪凝聚力（kPa）。

坝基面垂直正应力：

式中 σy上、σy下——坝基面上、下游边缘垂直正应力（kPa）；

∑W——作用于计算坝段上全部荷载在坝基面截面上的法向分力总和（kN）；

∑M——作用于计算坝段上全部荷载在坝基面截面形心轴的力矩总和（kN·m）；

T——坝体计算截面沿上下游方向长度（m）。

4.4.3 计算结果

大坝抗滑稳定安全系数及坝基面应力计算结果见表5、表6。

表5 非溢流坝段基面稳定应力计算成果表

表6 溢流坝段基面稳定应力计算成果表

从以上计算成果可知，拟定的溢流坝段及非溢流坝段断面在各种计算工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求，坝基面应力状态均受压，最大压应力值为556.88 kPa，基础承载能力满足要求。