李 杰 藺彬彬

（山西省漳澤水庫管理局，山西 長治 046021）

漳澤水庫溢洪道閘室抗震復(fù)核計(jì)算分析

李 杰 藺彬彬

（山西省漳澤水庫管理局，山西 長治 046021）

針對漳澤水庫溢洪道閘室在地震情況下，抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法，應(yīng)力計(jì)算采用整體分析方法。結(jié)果表明：地震工況下，漳澤水庫溢洪道閘室抗震能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

溢洪道閘室；抗滑穩(wěn)定；地基應(yīng)力；漳澤水庫

1 工程概況

漳澤水庫地處長治市北郊濁漳河南源干流上，屬海河流域上游漳衛(wèi)南運(yùn)河水系，為均質(zhì)土壩，控制流域面積3 176.0 km2。漳澤水庫是以工業(yè)和城市供水、防洪、灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的大（二）型水庫，總庫容4.27億m3，興利庫容1.1億m3，調(diào)洪庫容3.3億m3。樞紐工程主要包括主壩、副壩、溢洪道、泄水洞和輸水洞等。

溢洪道布置于大壩右岸，中心線位于壩軸線樁號0+078 m處，為濁漳河南源主河道所在位置。1992—1995年，溢洪道第3次改建后形成現(xiàn)有溢洪道規(guī)模，其最大可下泄量為2 100 m3/s。溢洪道由上游護(hù)坦、鋪蓋、閘室段、陡槽段、挑流段組成，寬44.8 m，長314.0 m。閘室段長16 m，范圍為溢樁號0+003～0+013，堰型為頂部設(shè)胸墻的低駝峰堰，堰頂高程897.0 m，胸墻底高程903.6 m，閘墩頂高程911.2 m。閘室設(shè)4孔弧形鋼閘門，每孔尺寸9.2×6.6 m，啟閉設(shè)備為2×400 kN的油壓啟閉機(jī)。閘室上游為寬7.8 m的工作橋，其上建有啟閉機(jī)房，下游為寬7.0 m的公路橋。

2 計(jì)算內(nèi)容和方法

本文主要對溢洪道閘室抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力在地震工況下進(jìn)行復(fù)核。穩(wěn)定計(jì)算采用工程中常用的剛體極限平衡法，地基應(yīng)力計(jì)算采用整體分析方法。計(jì)算公式如下：

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000），閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用公式（1）計(jì)算:

式中：K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——堰體混凝土與地基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)參數(shù)、工程經(jīng)驗(yàn)及初設(shè)報(bào)告，取0.38；

c′——堰體混凝土與地基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa，取0；

ΣW——堰體上的總荷載在計(jì)算滑動面上的法向分量，kN；

ΣP——堰體上的總荷載在計(jì)算滑動面上的切向分量，kN；

A——堰體與地基接觸面的截面積，m2。

利用材料力學(xué)法來計(jì)算閘室基底的正應(yīng)力，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）采用公式（2）計(jì)算：

式中：σ——閘室基底正應(yīng)力，kPa；

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；

∑M——閘室上的全部荷載（豎向和水平向）在基底面垂直水流方向的形心軸力矩，kN·m；

A——閘室的基面面積，m2；

W——截面矩，m3。

3 計(jì)算參數(shù)

溢洪道基礎(chǔ)為第四系下更新統(tǒng)（Q1）河湖相沉積物，為灰綠色低液限粘土，呈硬塑狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，局部夾粘土質(zhì)砂。由于無法對溢洪道底板進(jìn)行鉆孔取樣，所以本次地質(zhì)勘探?jīng)]有對地基承載力提出建議值。水庫初建時(shí)地基承載力建議值為300.0 kPa，水庫改建（1989—1995年）初設(shè)時(shí)地基承載力建議值為190.0 kPa～240.0 kPa，隨著地基的固結(jié)，目前地基承載力應(yīng)比以前有所提高。綜合考慮，本次地基承載力值取240.0 kPa。溢洪道閘室抗震復(fù)核荷載組合見表1。

表1 溢洪道閘室抗震復(fù)核荷載組合表

3.1 自重

計(jì)入閘室結(jié)構(gòu)及永久設(shè)備重量，鋼筋混凝土重度取24 kN/m3，單個(gè)弧形閘門自重274.00 kN，單個(gè)檢修閘門塊體自重22.76 kN。

3.2 靜水壓力

靜水壓力采用公式pwr＝γwH計(jì)算，式中：pwr為靜水壓強(qiáng)（計(jì)算點(diǎn)），kN/m2；H為作用水頭（計(jì)算點(diǎn)），m；γw為水的重度，取9.81 kN/m3。

3.3 揚(yáng)壓力

閘室基礎(chǔ)未設(shè)帷幕及排水孔，但閘室上游設(shè)有20 m長的鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦分塊之間及閘室與護(hù)坦連接處裝有塑料止水。

根據(jù)規(guī)范正常條件下護(hù)坦上游邊線處的揚(yáng)壓力作用水頭為庫水位，基底面下游（堰趾）處為0 m。但大壩加高前、后監(jiān)測資料表明：溢洪道閘墩部位閘前底板揚(yáng)壓力一般僅比庫水位低1～2 m；閘后揚(yáng)壓力一般為0 m。故本次計(jì)算考慮兩種工況，一種工況為護(hù)坦分塊之間及護(hù)坦與閘室之間塑料止水正常，即護(hù)坦上游邊線處的揚(yáng)壓力作用水頭為庫水位，基底面下游（堰趾）處為0 m，其間以直線連接；另一種為止水部分失效（與目前溢洪道揚(yáng)壓力監(jiān)測資料對應(yīng)），即H1取值為庫水位減去1～2 m，H2取值為0，其間以直線連接。

3.4 淤沙壓力

水平淤沙壓力采用公式計(jì)算，其中，為淤沙浮重度，取7.8 kN/m3；hs為堰前淤沙深度，取2 m；s為淤沙的內(nèi)摩擦角，取10°。

3.5 浪壓力

設(shè)計(jì)洪水工況計(jì)算風(fēng)速取22 m/s，相應(yīng)庫水位的吹程為14 km；校核洪水工況計(jì)算風(fēng)速取20 m/s，吹程16 km，波浪要素按莆田公式計(jì)算。

3.6 動水壓力

作用在堰面上動水壓力按過流面上各點(diǎn)動水壓強(qiáng)的合力計(jì)算。

作用于堰面上的時(shí)均壓強(qiáng)按公式ptr=ρwghcosθ計(jì)算，其中，ptr為過流面上計(jì)算點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)，N/m2；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為計(jì)算點(diǎn)的水深，m；θ為堰面與水平面的夾角，6.42°。

作用于堰面反弧段底面上的動水離心力壓強(qiáng)按公式pcr=qρwV/R計(jì)算，其中，pcr為水流離心力壓強(qiáng)，N/m2；q為水的密度，取1 000 kg/m3；v為反弧段上的單寬流量，m3/（s·m）；R為反弧段最低點(diǎn)處的斷面流速，m/s2；為反弧半徑。

3.7 地震作用力

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）計(jì)算。計(jì)算地震作用效應(yīng)利用擬靜力法，方向?yàn)榻ㄖ锔叨龋饔糜谫|(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值根據(jù)公式Fi=αhξGEiαi/g計(jì)算，其中，F(xiàn)i為地震慣性力代表值；αh為設(shè)計(jì)地震加速度在水平向代表值，取0.1 g；ξ為地震作用效應(yīng)的折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25；GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；g為質(zhì)點(diǎn)i的動態(tài)分布系數(shù)；為重力加速度，取9.81 m/s2；

對于單位寬度壩面的總地震動水壓力，在水面以下0.54H0處時(shí)，其代表值F0應(yīng)按公式計(jì)算，其中，F(xiàn)0為單位寬度壩面的總地震動水壓力代表值；ρw為水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值；H0為水深。

4 抗震復(fù)核計(jì)算

溢洪道閘室只有1道永久縫，設(shè)置于溢洪道閘室中心線，且溢洪道閘室荷載均勻分布，任取其中一半閘室進(jìn)行抗震復(fù)核即可。閘室基礎(chǔ)未設(shè)帷幕及排水孔，但閘室上游設(shè)有20 m長的鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦分塊之間及閘室和護(hù)坦中間裝有塑料止水。

正常條件下護(hù)坦上游邊線處的揚(yáng)壓力作用水頭為庫水位，基底面下游（堰趾）處為0 m。但大壩加高前、后監(jiān)測資料表明：溢洪道閘墩部位閘前底板揚(yáng)壓力一般僅比庫水位低1～2 m；閘后揚(yáng)壓力一般為0 m。故本次計(jì)算考慮兩種工況，一種工況為護(hù)坦分塊之間及護(hù)坦與閘室之間塑料止水正常，即護(hù)坦上游邊線處的揚(yáng)壓力作用水頭為庫水位，基底面下游（堰趾）處為0 m，其間以直線連接；另一種為止水部分失效（與目前溢洪道揚(yáng)壓力監(jiān)測資料對應(yīng)），即H1取值為庫水位減去1～2 m，H2取值為0，其間以直線連接。

4.1 護(hù)坦止水正常

抗震復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表2 設(shè)計(jì)條件下閘室基底抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 設(shè)計(jì)條件下閘室基底正應(yīng)力計(jì)算成果表

從表2可知，地震工況下，閘室基底的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要比規(guī)范值大，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000），地震工況下閘室基底可允許出現(xiàn)不大于0.1 MPa的垂直拉應(yīng)力，最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于地基承載力240 kPa。由表3可知，地震工況下閘基下最小壓應(yīng)力為168.64 kPa，最大應(yīng)力為190.39 kPa，均小于地基承載力240 kPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 護(hù)坦止水部分失效

抗震復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 止水部分失效的閘室基底抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

表5 止水部分失效的閘室基底正應(yīng)力計(jì)算成果表

從表4可知，地震工況下，閘室基底的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要比規(guī)范值大，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000），地震工況下閘室基底可允許出現(xiàn)不大于0.1 MPa的垂直拉應(yīng)力，最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于地基的容許壓力240 kPa。由表5可知，地震工況下閘基下最小壓應(yīng)力為136.46 kPa，最大應(yīng)力為190.39 kPa，均小于地基承載力240 kPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

綜上所述，地震工況下護(hù)坦止水正常（設(shè)計(jì)情況）和止水部分失效（目前實(shí)際情況）時(shí)漳澤水庫溢洪道閘室基底抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

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1004-7042（2017）11-0046-02

李杰（1982-），男，2005年畢業(yè)于山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程造價(jià)管理專業(yè)，助理工程師。

2017-09-15；

2017-10-18