岸边溢洪道泄槽段结构分析及内力计算

王向伟

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

溢洪道是水库枢纽工程的重要组成部分，其主要任务是宣泄洪水以保证主体水工建筑物的安全[1]，溢洪道通常是由进口段、控制端、泄槽段以及消能防冲设施和水渠组成[2]。结合国内溢洪道设计情况及研究成果，岸边溢洪道可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等，正槽溢洪道被广泛采用，也较为典型[3- 8]。本文以甘肃省平凉市庄浪县花崖水库水源地工程岸边溢洪道的泄槽段为例，对设计泄槽的渐变段进行荷载分析、稳定计算和结构内力计算。

1 工程概况

甘肃省平凉市庄浪县花崖水库水源地工程总库容204.20万m3，兴利库容为131.30万m3，年可供水量237.0万m3，属Ⅳ等小(1)型工程。溢洪道布置于左岸岸边，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流消能段组成。泄槽段坡比为1∶10，泄槽渐变段长度为18m，侧墙顶部宽为0.3m，侧墙底部宽为0.65m，渐变段底宽由6.0m渐变为3.0m，渐变段侧墙高度由3.5m渐变为2.0m，渐变段底板厚度为0.8m，渐变段后接泄槽槽身段，其长度为59m。泄槽段底板与边墙为整体式现浇钢筋混凝土结构，溢洪道最大下泄量为27.57m3/s。其结构形式如图1所示。

图1 溢洪道泄槽渐变段结构设计图

2 泄槽段结构稳定计算

本工程溢洪道泄槽渐变段侧墙上的基本荷载有：墙身自重、填土自重、土压力、正常蓄水位时静水压力及扬压力、设计洪水位时的动水压力；特殊荷载主要包括校核洪水位时的静水压力及扬压力、动水压力等。溢洪道泄槽段断面水深变化较大，为简化计算，主要考虑基本荷载的作用，选用泄槽渐变段的断面作为计算断面。其计算简图如图2所示。

墙后填土类型为碎石土，取γ土=20kN/m3，填土内摩擦角φ=42°，由于溢洪道泄槽段基础为岩石，地基容许承载力[R]=450kN/m3，泄槽与基地的摩擦系数f=0.40。

图2 溢洪道泄槽渐变段计算简图

作用力作用力名称代号计算式作用力值/kN力臂/m力矩/(kN·m)↓→墙身G10.3×3.5×2526.25 3.1582.69 墙身G20.35×3.5×0.5×2515.31 3.4252.32 墙身G33.65×0.8×2573.00 1.83133.23 填土G40.35×3.5×0.5×2515.31 3.5354.10 土压力Pa0.5×20×(4.3^2)×0.1980.0036.611.43 52.47合计 129.8836.61 322.33269.86

表2 A′点的力、力矩的计算表

2.1 主动土压力的计算

(1)

(2)

泄槽侧墙墙体及回填碎石土、土压力对侧墙底板A点产生的力、力矩计算见表1。

泄槽侧墙墙体及回填碎石土、土压力对侧墙底板A′点产生的力、力矩计算见表2。

2.2 泄槽段的稳定计算

根据SL253- 2000《溢洪道设计规范》，按抗剪强度公式计算的抗滑稳定安全系数[Kc]=1.05，抗倾覆稳定安全系数[K0]=1.50，取单位长度1m进行计算，计算结果如下：

(1)抗滑稳定计算

(2)抗倾覆计算

3 荷载及结构内力计算

3.1 荷载计算

溢洪道在过水情况下，侧向水压力将抵消部分作用于侧墙外侧的土压力，对结构受力有利，因此结构的计算控制工况应为溢洪道泄槽内无水时，即不考虑水压力的作用，荷载组合为土压力及结构自重[10]。以下计算的荷载，用于计算钢筋混凝土结构承载能力极限状态计算时所采用的内力设计值。

(1)作用于侧墙顶部水平分布土压力强度qt1、侧墙底部水平分布土压力强度qt2及侧墙分布荷载强度总和q1、q2的计算。

(3)

(4)

式中，γG—垂直土压力的作用分项系数，取1.1；γ—填土的湿重度，kN/m3；Hd—填土高度，m；φ—填土内摩擦角；H—侧墙高度，m。

作用于侧墙的分布荷载总和为水平分布土压力、内水压力、外水压力之和。本工程内水压力和外水压力均为0，则q1a=qt1a=0，q2a=qt2a=19.99kN/m，q1b=qt1b=0，q2b=qt2b=11.42kN/m。见表3。

表3 水平分布土压力强度计算表 单位：kN/m

(2)作用于底板底面垂直均布荷载总和q3的计算

作用于溢洪道渐变段底板底面的垂直均布荷载总和q3为地基反力和池内水重之和。因地基反力按均匀分布考虑，底板自重及池内水重均与其产生的地基反力相抵消，计算地基反力时可只考虑侧墙重。本工程内水压力为0，因此作用在底板底面的垂直均布荷载总和q3为侧墙产生的地基反力之和，即：

(5)

式中，γG—自重力作用的分项系数，取1.05；γc—钢筋混凝土重度，取25kN/m3；d—侧墙厚度，m；B1—消力池宽度，m。

经计算，本工程溢洪道渐变段底板底面垂直均布荷载总和q3a、q3b分别为11.96kN/m和10.5kN/m。

3.2 结构内力计算

溢洪道泄槽段结构内力计算主要是侧墙内力，侧墙内力计算主要有侧墙底部弯矩、侧墙跨间最大弯矩。计算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

经计算，本工程溢洪道渐变段侧墙底部弯矩M分别为-16.33kN·m和-3.05kN·m；侧墙顶部支撑反力Rc分别为6.99kN和2.28kN；侧墙跨间最大弯矩Mmax分别为7.29kN·m和1.36kN·m。

4 结论

(1)在满足溢洪道下泄流量的情况下，本文对溢洪道设计断面进行了荷载分析、力矩计算、泄槽段的抗滑稳定和抗倾覆计算，其计算结果满足规范要求。

(2)本工程溢洪道规模小，泄槽段结构内力计算值也相对较小，以矩形截面截面受弯构件计算溢洪道泄槽的结构内力，是偏于工程安全。

(3)庄浪县花崖水库水源地工程采用岸边式溢洪道，经过水力学计算所采用的溢洪道断面结构稳定，基本能够保证水流平稳下泄，满足设计要求。