漳泽水库溢洪道闸室抗震复核计算分析

李 杰 蔺彬彬

（山西省漳泽水库管理局，山西 长治 046021）

漳泽水库溢洪道闸室抗震复核计算分析

李 杰 蔺彬彬

（山西省漳泽水库管理局，山西 长治 046021）

针对漳泽水库溢洪道闸室在地震情况下，抗滑稳定及地基应力进行复核计算。稳定计算采用刚体极限平衡法，应力计算采用整体分析方法。结果表明：地震工况下，漳泽水库溢洪道闸室抗震能力满足现行规范要求。

溢洪道闸室；抗滑稳定；地基应力；漳泽水库

1 工程概况

漳泽水库地处长治市北郊浊漳河南源干流上，属海河流域上游漳卫南运河水系，为均质土坝，控制流域面积3 176.0 km2。漳泽水库是以工业和城市供水、防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖和旅游等综合利用的大（二）型水库，总库容4.27亿m3，兴利库容1.1亿m3，调洪库容3.3亿m3。枢纽工程主要包括主坝、副坝、溢洪道、泄水洞和输水洞等。

溢洪道布置于大坝右岸，中心线位于坝轴线桩号0+078 m处，为浊漳河南源主河道所在位置。1992—1995年，溢洪道第3次改建后形成现有溢洪道规模，其最大可下泄量为2 100 m3/s。溢洪道由上游护坦、铺盖、闸室段、陡槽段、挑流段组成，宽44.8 m，长314.0 m。闸室段长16 m，范围为溢桩号0+003～0+013，堰型为顶部设胸墙的低驼峰堰，堰顶高程897.0 m，胸墙底高程903.6 m，闸墩顶高程911.2 m。闸室设4孔弧形钢闸门，每孔尺寸9.2×6.6 m，启闭设备为2×400 kN的油压启闭机。闸室上游为宽7.8 m的工作桥，其上建有启闭机房，下游为宽7.0 m的公路桥。

2 计算内容和方法

本文主要对溢洪道闸室抗滑稳定及地基应力在地震工况下进行复核。稳定计算采用工程中常用的刚体极限平衡法，地基应力计算采用整体分析方法。计算公式如下：

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000），闸室基底面的抗滑稳定安全系数采用公式（1）计算:

式中：K——抗滑稳定安全系数；

f′——堰体混凝土与地基接触面的抗剪断摩擦系数，根据现有地质参数、工程经验及初设报告，取0.38；

c′——堰体混凝土与地基接触面的抗剪断凝聚力，kPa，取0；

ΣW——堰体上的总荷载在计算滑动面上的法向分量，kN；

ΣP——堰体上的总荷载在计算滑动面上的切向分量，kN；

A——堰体与地基接触面的截面积，m2。

利用材料力学法来计算闸室基底的正应力，根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）采用公式（2）计算：

式中：σ——闸室基底正应力，kPa；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；

∑M——闸室上的全部荷载（竖向和水平向）在基底面垂直水流方向的形心轴力矩，kN·m；

A——闸室的基面面积，m2；

W——截面矩，m3。

3 计算参数

溢洪道基础为第四系下更新统（Q1）河湖相沉积物，为灰绿色低液限粘土，呈硬塑状态，结构较密实，局部夹粘土质砂。由于无法对溢洪道底板进行钻孔取样，所以本次地质勘探没有对地基承载力提出建议值。水库初建时地基承载力建议值为300.0 kPa，水库改建（1989—1995年）初设时地基承载力建议值为190.0 kPa～240.0 kPa，随着地基的固结，目前地基承载力应比以前有所提高。综合考虑，本次地基承载力值取240.0 kPa。溢洪道闸室抗震复核荷载组合见表1。

表1 溢洪道闸室抗震复核荷载组合表

3.1 自重

计入闸室结构及永久设备重量，钢筋混凝土重度取24 kN/m3，单个弧形闸门自重274.00 kN，单个检修闸门块体自重22.76 kN。

3.2 静水压力

静水压力采用公式pwr＝γwH计算，式中：pwr为静水压强（计算点），kN/m2；H为作用水头（计算点），m；γw为水的重度，取9.81 kN/m3。

3.3 扬压力

闸室基础未设帷幕及排水孔，但闸室上游设有20 m长的钢筋混凝土护坦，护坦分块之间及闸室与护坦连接处装有塑料止水。

根据规范正常条件下护坦上游边线处的扬压力作用水头为库水位，基底面下游（堰趾）处为0 m。但大坝加高前、后监测资料表明：溢洪道闸墩部位闸前底板扬压力一般仅比库水位低1～2 m；闸后扬压力一般为0 m。故本次计算考虑两种工况，一种工况为护坦分块之间及护坦与闸室之间塑料止水正常，即护坦上游边线处的扬压力作用水头为库水位，基底面下游（堰趾）处为0 m，其间以直线连接；另一种为止水部分失效（与目前溢洪道扬压力监测资料对应），即H1取值为库水位减去1～2 m，H2取值为0，其间以直线连接。

3.4 淤沙压力

水平淤沙压力采用公式计算，其中，为淤沙浮重度，取7.8 kN/m3；hs为堰前淤沙深度，取2 m；s为淤沙的内摩擦角，取10°。

3.5 浪压力

设计洪水工况计算风速取22 m/s，相应库水位的吹程为14 km；校核洪水工况计算风速取20 m/s，吹程16 km，波浪要素按莆田公式计算。

3.6 动水压力

作用在堰面上动水压力按过流面上各点动水压强的合力计算。

作用于堰面上的时均压强按公式ptr=ρwghcosθ计算，其中，ptr为过流面上计算点的时均压强，N/m2；ρw为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为计算点的水深，m；θ为堰面与水平面的夹角，6.42°。

作用于堰面反弧段底面上的动水离心力压强按公式pcr=qρwV/R计算，其中，pcr为水流离心力压强，N/m2；q为水的密度，取1 000 kg/m3；v为反弧段上的单宽流量，m3/（s·m）；R为反弧段最低点处的断面流速，m/s2；为反弧半径。

3.7 地震作用力

根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）计算。计算地震作用效应利用拟静力法，方向为建筑物高度，作用于质点i的水平向地震惯性力代表值根据公式Fi=αhξGEiαi/g计算，其中，Fi为地震惯性力代表值；αh为设计地震加速度在水平向代表值，取0.1 g；ξ为地震作用效应的折减系数，除另有规定外，取0.25；GEi为集中在质点i的重力作用标准值；g为质点i的动态分布系数；为重力加速度，取9.81 m/s2；

对于单位宽度坝面的总地震动水压力，在水面以下0.54H0处时，其代表值F0应按公式计算，其中，F0为单位宽度坝面的总地震动水压力代表值；ρw为水体质量密度标准值；H0为水深。

4 抗震复核计算

溢洪道闸室只有1道永久缝，设置于溢洪道闸室中心线，且溢洪道闸室荷载均匀分布，任取其中一半闸室进行抗震复核即可。闸室基础未设帷幕及排水孔，但闸室上游设有20 m长的钢筋混凝土护坦，护坦分块之间及闸室和护坦中间装有塑料止水。

正常条件下护坦上游边线处的扬压力作用水头为库水位，基底面下游（堰趾）处为0 m。但大坝加高前、后监测资料表明：溢洪道闸墩部位闸前底板扬压力一般仅比库水位低1～2 m；闸后扬压力一般为0 m。故本次计算考虑两种工况，一种工况为护坦分块之间及护坦与闸室之间塑料止水正常，即护坦上游边线处的扬压力作用水头为库水位，基底面下游（堰趾）处为0 m，其间以直线连接；另一种为止水部分失效（与目前溢洪道扬压力监测资料对应），即H1取值为库水位减去1～2 m，H2取值为0，其间以直线连接。

4.1 护坦止水正常

抗震复核计算结果见表2、表3。

表2 设计条件下闸室基底抗滑稳定计算成果表

表3 设计条件下闸室基底正应力计算成果表

从表2可知，地震工况下，闸室基底的抗滑稳定安全系数要比规范值大，满足规范要求。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000），地震工况下闸室基底可允许出现不大于0.1 MPa的垂直拉应力，最大垂直正应力应小于地基承载力240 kPa。由表3可知，地震工况下闸基下最小压应力为168.64 kPa，最大应力为190.39 kPa，均小于地基承载力240 kPa，满足规范要求。

4.2 护坦止水部分失效

抗震复核计算结果见表4、表5。

表4 止水部分失效的闸室基底抗滑稳定计算成果表

表5 止水部分失效的闸室基底正应力计算成果表

从表4可知，地震工况下，闸室基底的抗滑稳定安全系数要比规范值大，满足规范要求。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2000），地震工况下闸室基底可允许出现不大于0.1 MPa的垂直拉应力，最大垂直正应力应小于地基的容许压力240 kPa。由表5可知，地震工况下闸基下最小压应力为136.46 kPa，最大应力为190.39 kPa，均小于地基承载力240 kPa，满足规范要求。

5 结语

综上所述，地震工况下护坦止水正常（设计情况）和止水部分失效（目前实际情况）时漳泽水库溢洪道闸室基底抗滑稳定及地基应力均能满足现行规范要求。

TV651.1

C

1004-7042（2017）11-0046-02

李杰（1982-），男，2005年毕业于山西建筑职业技术学院工程造价管理专业，助理工程师。

2017-09-15；

2017-10-18