溢洪道堰体稳定计算探讨

田 铮

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300000)

1 基本情况

大庆水库位于河北省承德市平泉县城西北沙坨子乡小庙村，距平泉县城17 km，是滦河流域滦河水系瀑河上游的一座中型水利枢纽工程，控制流域面积82 km2，总库容1 170×104m3，是以防洪为主，兼顾灌溉、养殖等综合利用的水利工程。水库枢纽建筑物主要由拦河坝、溢洪道、放水洞、水电站等组成。工程等别为Ⅲ等，其主要建筑物拦河坝、溢洪道及放水洞为3级建筑物，次要建筑物泄洪渠等按4级建筑物设计。

溢洪道位于拦河坝右侧，堰型为开敞式实用堰,堰顶高程663.8 m，净宽70.0 m，无闸门控制。

溢洪道挑坎齿墙设计底高程639 m，基础坐落于高程630.5～639.7 m强风化岩体中，具中等透水性，容许承载力建议值为[σ0]=800 kPa；变形模量建议值2×103MPa；与混凝土接触面抗剪断强度建议值f′=0.55～0.6，c′=0.4 MPa。

2 堰体稳定计算

2.1 荷载组合

根据溢洪道运用条件及结构布置形式，确定溢洪道堰体稳定计算工况和荷载组合，见表1。

表1 荷载及荷载组合表

2.2 基底应力计算

本地区土的最大基底承载力为800 kPa。

根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379-2007)，按以下公式计算：

(1)

式中：Pmax、Pmin为溢洪道堰基底面应力的最大值或最小值，kPa；∑G为作用在堰上的全部竖向荷载；∑M为作用于建筑物基础底面以上的全部水平向和竖向荷载对于垂直水流方向的型心轴的力矩，kN·m；b、h分别为堰基底面的宽度及堰长度，m。

运用期溢洪道堰基底面上的垂直正应力，应满足在各种荷载组合情况下(地震情况除外)，堰基底面上的最大正应力ρmax应小于基岩的容许压应力(计算时分别计入扬压力和不计入扬压力)；最小垂直正应力ρmin应大于零(计入扬压力)。

在各种计算情况下，堰体最大基底应力不大于地基允许承载力800 kPa；除施工期和地震情况外，堰体基底不应出现拉应力。

2.3 抗滑稳定计算

建筑物抗滑稳定安全系数由下式计算：

(3)

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为堰体混凝土与岩基接触面的抗剪断摩擦系数；与混凝土接触面抗剪断强度建议值f′= 0.55～0.6；c′为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，取0.4 MPa；∑W为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；∑P为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量；A为堰体与基岩接触面的截面积。

土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值见表2。

2.4 计算过程

2.4.1 正常蓄水位工况

正常蓄水位工况下，堰体受力简图见图1；基底应力计算见表3；抗滑稳定计算表见表4。

表2 基底面抗滑稳定安全系数允许值

图1 正常蓄水位工况堰体受力简图

项目荷载型心矩弯矩宽度b长度hPmax(不计扬压力)Pmax(计扬压力)Pmix(计扬压力)自重558.221.246695.5419.589.0758.3631.16静水压力39.21.23348.35波浪压力51.683.7001191.22扬压力1331.826242.86

表4 正常蓄水工况抗滑稳定计算表

2.4.2 设计洪水位工况

设计洪水位工况，堰体受力简图见图2；基底应力计算见表5；抗滑稳定计算表见表6。

图2 设计洪水位工况堰体受力简图

项目荷载型心矩弯矩宽度b长度hPmax(不计扬压力)Pmax(计扬压力)Pmix(计扬压力)自重558.221.246695.5419.5104.1546.7827.02静水压力100.521.233123.97波浪压力19.793.70073.22扬压力351.030.875307.15水重143.40.29742.59

表6 设计洪水位工况抗滑稳定计算表

2.4.3 冰冻工况

冰冻工况，堰体受力简图见图3；基底应力计算见表7；抗滑稳定计算表见表8。

图3 冰冻工况堰体受力简图

项目荷载型心矩弯矩宽度b长度hPmax(不计扬压力)Pmax(计扬压力)Pmix(计扬压力)自重558.221.246695.5419.582.6352.4837.04静水压力39.21.23348.35扬压力1331.826242.86静冰压力108.752.65288.19

表8 冰冻工况抗滑稳定计算表

2.4.4 校核洪水位工况

校核洪水位工况，堰体受力简图见图4；基底应力计算见表9；抗滑稳定计算表见表10。

图4 校核洪水位工况堰体受力简图

项目荷载型心矩弯矩宽度b长度hPmax(不计扬压力)Pmax(计扬压力)Pmix(计扬压力)自重558.221.246695.5419.5105.3838.4426.76静水压力124.61.233153.67波浪压力6.773.70025.05扬压力391.880.986386.39水重143.40.29742.59

表10 校核洪水位工况抗滑稳定计算表

3 结 论

溢洪道堰体基底应力及稳定计算结果见表11。

表11 溢洪道堰基底应力、稳定计算成果表

经计算，满足应力及抗滑要求。