大石河拦河坝工程溢流坝面设计及坝体稳定分析

马 凯

(本溪市水利电力勘测设计研究院，辽宁 本溪117022)

1 工程概况

大石河为山区性河流，蜿蜒曲折，河道多急流浅滩。其河流域面积为140 m2，河道总长30.2 km，河道平均比降为10.9‰。大石河拦河坝工程共3 座拦河坝，上游至下游编号为1#至3#拦河坝，本文以2#坝为例进行说明。2#坝由溢流坝段和挡水坝段组成。

溢流坝段长60 m，堰顶高程为310.00 m，坝高为3.6 m，基础埋深为岩面线下0.6 m(不含齿墙)。堰头采用WES 曲线，迎水侧为直立面，背水侧直线段坡比1∶1.5，坡面布设景观石。坝体采用C25F200毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面设600 mm 厚钢筋混凝土面板，面板混凝土强度等级C25，抗冻等级F200，抗渗等级W4。溢流坝采用底流消能，下设消力池，池长15 m，深0.8 m，池后设6.6 m 抛石护底。

挡水坝段总长45 m，其中左岸挡水坝段34 m，右岸11 m。坝顶高程为313.55 m，坝顶宽为3 m，最大坝高6.73 m，基础埋深为岩面线下0.6 m(不含齿墙)。挡水坝上游面直立，设0.6 m 厚钢筋混凝土防渗面板，面板混凝土强度等级C25，抗冻等级F200，抗渗等级W4。下游面坡比为1∶1.5，折坡点高程为308.84 m，下游坡面布设景观石［1］。

2 2#坝坝高及溢流断面设计

2.1 坝顶高程确定

该工程位于内陆峡谷地区，根据规范要求采用官厅公式计算，正常运用时设计计算风速取最大风速的1.5 倍，17.55 m/s，非常运用(校核洪水位)时取最大风速11.70 m/s。波浪要素公式为:

式中:2hl为浪高，m;2Ll为波长，m;vf为计算风速，m/s;Df为 吹程，km。

2.2 波浪中心线至拦河坝静水位的高度

波浪中心线至计算水位高度ho的计算，采用下列公式为:

式中:h0为波浪中心线至拦河坝静水位的高度，m;Hl为坝前水深，m。

2.3 坝顶高程的确定

根据规范，坝顶至计算水位的高差Δh 采用下列公式，计算成果见表1。

式中:Δh 为坝顶至拦河坝静水位的高度，m;hc为安全超高，m。坝顶高程计算结果见表1。

2.4 溢流坝断面设计

溢流坝段长60 m，堰顶高程为310.00 m，坝高为3.6 m，基础埋深为岩面线下0.6 m(不含齿墙)。堰头采用WES 曲线，迎水侧为直立面，背水侧直线段坡比1∶1.5，坡面布设景观石。坝体采用C25F200 毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面设600 mm厚钢筋混凝土面板，面板混凝土强度等级C25，抗冻等级F200，抗渗等级W4。溢流坝采用底流消能，下设消力池，池长15 m，深0.8 m，池后设6.6 m抛石护底。

表1 坝顶超高计算成果表 m

根据表1 计算成果，取计算水位312.43 m(P =10%设计洪水位)时超高计算成果，则本次设计挡水坝段坝顶高程为313.55 m。

溢流坝堰面曲线方程为:

式中:x、y 分别为以堰顶为原点的坐标;Hd为不包括行近流速水头在内的设计水头;k、n 为与上游迎水面坡度有关的参数，由于上游迎水面铅直，则k =2，n =1.85。计算结果见表2。

表2 溢流坝堰面曲线表

3 2#坝体稳定分析

3.1 溢流坝段结构稳定分析

3.1.1 荷载计算

稳定分析采用《水利水电工程PC—程序集》(88版)中的“混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算程序”计算，荷载组合同挡水坝段。

3.1.2 抗滑稳定计算

溢流坝抗滑稳定计算成果见表3。

表3 溢流坝抗滑稳定计算成果表

从表3 可以看出，溢流坝段混凝土垫层与建基面及坝体混凝土垫层之间的抗滑稳定安全系数均大于规范要求值。

3.1.3 坝踵、坝趾垂直应力计算

计算成果见表5。计算公式为:

式中:σy为坝踵、坝趾垂直应力，kN/m2;∑M 为全部作用力对坝基面形心的力矩之和，KN·m;J 为坝基面对形心轴的惯性距，m4;X 为坝基面截面上计算点到形心轴的距离，m。计算成果见表4。

表4 坝踵、坝趾垂直应力计算成果表

从表4 可见，坝踵计入扬压力和不计入扬压力的垂直应力均大于零，坝趾计入扬压力和不计入扬压力的垂直应力均远小于C20 素混凝土垫层允许抗压强度及基岩抗压强度72 MPa。

3.2 挡水坝段稳定分析

挡水坝段抗滑稳定计算成果见表5。

表5 挡水坝段抗滑稳定计算成果表

从表5 可以看出，挡水坝段混凝土垫层与建基面及坝体与混凝土垫层之间的抗滑稳定安全系数均大于规范要求值。

3.3 坝踵、坝趾垂直应力计算

坝踵、坝趾垂直应力计算采用规范公式同上，计算成果见表6。

表6 坝踵、坝趾垂直应力计算成果表

从表6 可见，各种情况下坝踵的垂直应力均大于零，坝趾的垂直应力均远小于C20 素混凝土垫层允许抗压强度及基岩抗压强度72 MPa。

［1］刘金辉，奚晶莹. 台阶式溢流坝的消能设计与试验［J］.吉林水利，2009(08):59 －60.