某水电站溢流坝设计及结构计算

2018-09-12余昌华彭建中

科技创新与应用 2018年22期

余昌华彭建中

摘要：介绍了某水电站工程概况及坝址区地质条件，结合规范要求对大坝左岸溢流坝段设计进行计算分析，并对溢流坝的稳定性进行论证，对其它类似工程设计和建设具有参考意义。

关键词：溢流坝；结构设计；抗滑稳定性；应力

中图分类号：TV652.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0094-03

Abstract： This paper introduces the general situation of a hydropower station project and the geological conditions of the dam site area， calculates and analyzes the design of the spillway section on the left bank of the dam in accordance with the requirements of the code， and demonstrates the stability of the spillway dam， which is of reference significance for the design and construction of other similar projects.

Keywords： overflow dam； structural design； anti-slide stability； stress

1 工程概况

某水电站枢纽工程地处湖北省宜昌市清江流域，坝址处河床高程198m，坝址以上集水面积114.5km2，河道长20.9km，加权平均坡降18.1‰。大坝水库正常蓄水位203.80m，设计洪水位206.62m，校核洪水位208.16m，大坝左岸坝段为溢流坝段，溢流净宽50.0m，右岸为非溢流坝段。工程以发电为主，水库总库容为15.7万m3，工程规模为小（2）型，工程等级为V等。

坝址区两岸地形不对称，为横向河谷，岩层倾向上游。不存在邻谷渗漏问题。坝基岩体依据《水利水电工程地质勘察规范》分类为中硬质岩（BⅡ-BⅢ类），饱和抗压强度30MP

2 溢流坝段设计

2.1 坝高确定

坝基河床高程198.0m，基岩面高程192.3m，弱风化下限高程191.7m。根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005规定的一般布置原则，坝高低于30m时，可建在弱风化至强风化中上部基岩上，本工程坝高属于低坝，基岩面可选择弱风化部，取大坝最低建基面高程为190.5m。本工程堰顶高程与正常蓄水位取一致，为203.80m。根据堰顶高程和大坝建基面高程可以确定坝高为13.30m。

2.2 堰顶曲线段计算

我国多采用WES曲线[3]，其基本剖面见图1。WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分上游段和下游段两部分，坐标原点设在堰顶最高点。

（1）堰顶上游段

上游段采用三圆弧曲线，三圆弧半径及水平坐标值见表1。表中Hd为定型设计水头[4]，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%～95%，堰顶水頭=校核洪水位-正常蓄水位=208.16m-203.80m=4.36m，取堰顶水头80%，定型设计水头为3.5m。

（2）堰顶下游段

2.3 坝体材料及分区

坝体结构根据不同的部位采用不同筑坝材料，坝体内采用C20埋石混凝土填筑。大坝基础混凝土采用C20常态混凝土垫层，厚度1.5m，迎水面采用C20钢筋混凝土浇筑，厚度1.0m。溢流堰堰面采用C25的钢筋混凝土浇筑，厚度0.5m，混凝土均采用二级配。溢流坝剖面图如图2所示。

3 溢流坝稳定计算

3.1 抗滑稳定分析

（1）设计要求

坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，坝体为混凝土，平均容重取2.4t/m3，泥砂容重取8t/m3，内摩擦角取12°。河床基础允许承载应力取1.5MPa，坝体稳定计算采用抗剪断公式计算，根据地质资料，取弱风化层的抗剪断强度f1=1.0、C1=0.65MPa，设计要求在基本组合情况下，抗滑稳定安全系数KC≥3.0；在特殊组合情况下，抗滑稳定安全系数KC≥2.5。因溢流坝段标准剖面图形不规则，采用偏于安全的近似计算方法，溢流面进行拉直折算后整体验算大坝稳定，选取203.3m高程作为本次计算截面。

（2）荷载组合

（3）计算公式

式中：Kc-按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f1-坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，取f1=1.0；C1-坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力；C1=0.65MPa；A-坝基接触面截面积，m2；？撞W-作用于坝体上全部荷载对滑动平面的总铅直力（kN）；？撞P-作用于坝体上全部荷载对滑动平面的总水平力（kN）。

计算得正常蓄水位、设计洪水位（基本组合）情况时，Kc=4.58>3.0；校核洪水情况（特殊组合）时，Kc=2.66>2.5。表明大坝溢流坝段无论是基本组合还是特殊组合，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.2 坝体应力分析

（1）坝址抗压强度承载能力极限状态

基本组合：取正常蓄水位工况下对应的设计状况系数ψ=1.0，结构系数γd1=1.2，结构重要性系数γ0=0.9。

可知满足承载力要求。

偶然组合：取校核洪水位工况下对应的设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd2=1.8，结构重要性系数γ0=0.9。

可知满足规范要求。

（2）坝踵垂直应力不出现拉应力极限状态验算（正常使用极限状态）

可知满足规范要求。

4 结束语

（1）对水电站左岸溢流坝段进行了设计计算，确定坝底、堰顶高程、对坝体材料进行分区，采用WES堰顶曲线，通过计算曲线方程得到相应的特征点。

（2）对溢流坝体结构抗滑稳定性和应力进行分析计算。结果表明，在不同荷载组合工况条件下，坝体抗滑稳定安全系数和坝基面与坝体应力等特征指标均满足规范要求。