康迎賓 鄭艷麗 王威威

1 工程概況

石河水庫位于秦皇島市山海關(guān)西北5 km處。壩型為漿砌石重力壩。中間主河槽為溢流壩段,兩邊為擋水壩段,壩頂長度356 m,其中擋水壩段275 m。最大底寬36.6 m,上游壩坡1∶0.1,下游壩坡1∶0.69,壩頂寬5 m,溢流壩段長90 m,底寬40.5 m,上游坡與擋水壩段一致,堰頂高程 47 m,其上設(shè)寬 8 m、高 10.2 m升臥式平板鋼閘門9扇,閘門總凈寬72 m。大壩附屬建筑物有泄洪洞、輸水洞、發(fā)電洞和新建成的壩后式水電站一座。

現(xiàn)狀溢流壩抗滑穩(wěn)定采用抗剪公式計(jì)算結(jié)果為:在原設(shè)計(jì)揚(yáng)壓力的滲壓折減系數(shù)α=0.65時,32.0 m高程斷面及特殊荷載組合情況下均不滿足抗滑穩(wěn)定系數(shù)K≥1.00的要求。當(dāng)采用規(guī)范規(guī)定的情況α=1.00時,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。溢流壩各個計(jì)算斷面的上游壩面處,計(jì)及揚(yáng)壓力作用時,上游邊緣處的正應(yīng)力及主應(yīng)力在1000年一遇校核洪水位時均出現(xiàn)拉應(yīng)力,混凝土心墻上游側(cè)在揚(yáng)壓力折減系數(shù)α=0.65,α=1.00時均有拉應(yīng)力出現(xiàn),不滿足規(guī)范要求。

2 溢流壩水力計(jì)算

2.1 規(guī)范推薦公式法

根據(jù)SL 319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A及武漢大學(xué)李偉主編的《水力計(jì)算手冊(第二版)》進(jìn)行相關(guān)水力計(jì)算。

1)泄流能力。溢流壩加固后,堰面曲線發(fā)生改變,重新計(jì)算溢流壩泄流能力,結(jié)果見表1。

表1 溢流壩水位—泄量關(guān)系

3)最大沖坑計(jì)算。計(jì)算公式如下:tk=kq0.5H0.25。其中,tk為水墊厚度,自水面算至坑底,m;q為單寬流量;H為上下游水位差;k為沖坑系數(shù),按堅(jiān)硬但完整性較差的基巖取k=1.0。計(jì)算得,設(shè)計(jì)洪水時沖坑深度6.8 m,校核洪水時8.7 m。

4)安全校核。設(shè)計(jì)和校核洪水時,挑距與沖坑深度之比分別為8.4和7.8,沖坑不致危及大壩安全。

2.2 數(shù)值計(jì)算法

1)模型建立。根據(jù)石河水庫溢流壩堰型實(shí)際尺寸建立模型。其模擬區(qū)域由庫區(qū)、堰、挑坎及下游出流區(qū)四個部分組成。模型見圖1。2)數(shù)值計(jì)算方法。計(jì)算選用K—ε紊流模型;對于庫區(qū)水氣交界面的處理,采用VOF方法予以追蹤;偏微分方程的離散,采用有限體積法,動量、紊動能和紊動耗散率采用二階迎風(fēng)格式,壓力—速度耦合采用PISO算法。3)計(jì)算結(jié)果。從庫水位47.0 m～60.0 m,模擬了7個庫水位的泄流情況,水位流量關(guān)系曲線見圖2。設(shè)計(jì)洪水及校核洪水工況水面線及流場見圖3,圖4。

2.3 成果選取

通過規(guī)范推薦公式計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果泄流能力稍大于公式法,但相差不大,為安全計(jì),采用規(guī)范推薦公式法成果。

3 溢流壩的穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算滑面的選取

根據(jù)SL 25-2006砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于壩體穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容的要求,結(jié)合本工程的實(shí)際,共考慮五種情況。

3.2 計(jì)算公式

大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式采用SL 25-2006砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中(3.2-1),(3.2-2)公式計(jì)算:

不同荷載組合情況下,根據(jù)抗剪斷公式和抗剪公式計(jì)算的抗滑安全系數(shù)見表2。

從表2中可以看出:基本荷載組合情況下抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為3.76,大于3.00,抗剪安全系數(shù)最小值1.26,大于1.05;特殊荷載組合情況下抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為3.21,大于2.50,抗剪安全系數(shù)最小值為 1.00,滿足穩(wěn)定要求。

4 溢流壩的應(yīng)力分析

4.1 計(jì)算方法

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法為基本分析方法。壩體應(yīng)力計(jì)算公式參見SL 319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄C。本次初設(shè)按照壩體各向同性均質(zhì)體來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。壩體應(yīng)力計(jì)算公式如下:

上游面垂直正應(yīng)力:

下游面垂直正應(yīng)力:

上游面主應(yīng)力:

下游面主應(yīng)力:

4.2 計(jì)算結(jié)果

不同工況下不同截面位置下的計(jì)算結(jié)果表明:最大應(yīng)力出現(xiàn)在斷面16.0 m高程不計(jì)揚(yáng)壓力時下游面垂直正應(yīng)力及第一主應(yīng)力均為697.92 kPa,小于壩體材料的容許抗壓強(qiáng)度,無拉應(yīng)力出現(xiàn),故溢流壩滿足應(yīng)力要求。

5 結(jié)語

結(jié)合石河水庫加固設(shè)計(jì)工程實(shí)例在對水庫溢流壩的加固設(shè)計(jì)上進(jìn)行了分析,對現(xiàn)狀溢流壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算以及應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果不能滿足規(guī)范要求。溢流壩加固設(shè)計(jì)中對溢流壩的水力計(jì)算采用了規(guī)范推薦公式和數(shù)值模擬兩種方法來進(jìn)行計(jì)算,同時對溢流壩加固進(jìn)行了穩(wěn)定分析以及應(yīng)力分析,使得本次加固設(shè)計(jì)所提出的設(shè)計(jì)方案安全、合理。經(jīng)過計(jì)算與分析證明了文章所提出的加固設(shè)計(jì)方案是可行的,并且已被采用。

[1]SL 319-2005,混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL 25-2006,砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]SL 265-2001,水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]李 寧.英那河水庫溢流壩加高設(shè)計(jì)與施工[J].東北水利水電,2007(7):8-11.

[5]林繼鏞.水工建筑物[M].第 4版.北京:中國水利水電出版社,2006.