鹤岗市关门嘴子水库大坝稳定及应力分析

2016-06-12王秀丽郭佳乐

黑龙江水利科技 2016年2期

关键词：溢流坝应力分析重力坝

温　州，王秀丽，郭佳乐

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

鹤岗市关门嘴子水库大坝稳定及应力分析

温州，王秀丽，郭佳乐

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：文章根据水文、风速等资料，拟定了鹤岗市关门嘴子水库重力坝基本断面形式。并采用材料力学法、刚体极限平衡法对该重力坝坝体在不同荷载组合条件下的抗滑稳定及基底应力进行计算，得出了所拟断面满足规范要求的有益结论。

关键词：重力坝；抗滑稳定；应力分析；溢流坝；防浪墙

0绪言

关门嘴子水库是一座以城镇供水、农业灌溉为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽。经过规模比选后，确定了水库规模，进而确定了设计水位与校核水位。本文在此基础上进行坝顶高程计算、大坝稳定及应力分析。

1坝顶高程确定

坝顶高程根据各种运行情况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定，且应高于校核洪水位。坝顶超高△h按规范《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)计算：

△h=h1%+hz+hc

(1)

式中：hc为安全加高，m；正常蓄水位情况取0.5m，校核洪水位情况取0.4m；h1%为波高，m；hz为波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；h1%、hz按规范SL319-2005附录B.6.3规定的公式计算。

经计算比较，鹤北林业局森林物候气象站逐年1986～2012(4～10月)最大风速资料中，在与坝轴线法线方向成±45°范围内，比较NW、NNW、N三个风向最大风速平均值对坝顶高程的影响，其中对水库坝高影响最大的风向是NW方向。根据气象站所处位置，考虑隐蔽系数等因素，库面NW方向风的多年平均最大风速值取为15.44m/s。计算风速正常蓄水位工况取库面风速的1.5倍，校核工况取库面风速。坝顶高程计算成果见表1。

表1　坝顶超高计算成果

由表1知本工程防浪墙顶高程由校核洪水位控制，拦河坝防浪墙顶高程为150.45m，防浪墙高度为1.2m，可取坝顶高程为149.25m。

门库坝段坝顶高程与溢流坝段墩顶高程相同为150.88m，不设防浪墙。

根据坝顶交通与布置需要，非溢流坝段坝顶宽度确定为7.0m。拟定设计断面见图1重力坝设计断面图。

2大坝稳定及应力计算

2.1计算方法

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)，本阶段坝基应力采用材料力学法计算，坝体稳定采用刚体极限平衡法。按基本荷载组合和特殊荷载组合进行验算。

图1重力坝设计断面图

2.2计算公式

1)重力坝坝基截面的垂直应力应按下式计算：

(2)

式中：σy为坝踵、坝趾垂直应力，kPa；∑M为作用于坝段上或1m坝长上全部荷载(包括扬压力，下同)在坝基截面上法向力的总和，kN；∑M为作用于坝段上或1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN；A为坝段或1m坝长的坝基截面面积，m2；x为坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；J为坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。

2)抗滑稳定按抗剪断强度公式进行计算：

(3)

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；A为坝基接触面截面积，m2；∑W为作用于坝体上全部荷载(包括扬压力，下同)对滑动平面的法向分值，kN；∑P作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN。

2.3计算基本数据

坝体混凝土容重γ=24kN/m3，淤沙高程124.5m，淤沙浮容量5 kN/m3，内摩擦角0°，多年平均年最大风速13.56 m/s，多年平均最大冰厚1.18m。渗透压力强度系数取为0.25。

2.4计算工况及荷载组合

1)计算工况：本工程抗震设计烈度为7度，考虑地震作用。

计算工况共有六种组合，分别为上游正常蓄水位工况，设计洪水位工况、冰冻工况、校核洪水位工况、施工期工况和地震工况[1]。

2)荷载组合：根据不同工况，按照规范要求进行荷载组合，见表2。

表2　荷载组合

5)计算结果：

由于混凝土层面抗剪断参数一般大于混凝土与建基面基岩间的抗剪断参数，与混凝土层面比较，大坝抗滑稳定控制面为建基面，本次只列出大坝建基面抗滑稳定安全系数。

重力坝坝体沿坝基面抗滑稳定及基底应力计算成果见表3。

4结论

坝踵垂直应力在各种工况下均不出现拉应力，施工期，非溢流坝段坝趾垂直拉应力为32 kPa，小于规范规定的100 kPa；其它工况下，坝趾垂直应力均小于坝基允许承载力；故基底应力满足规范要求，是安全的。坝体沿坝基抗滑稳定安全系数在基本组合荷载下均>3.0，在特殊组合荷载下均>2.5，故大坝沿建基面抗滑稳定满足规范要求，是安全的。