論石河水庫溢流壩的加固設計

康迎賓 鄭艷麗 王威威

1 工程概況

石河水庫位于秦皇島市山海關西北5 km處。壩型為漿砌石重力壩。中間主河槽為溢流壩段,兩邊為擋水壩段,壩頂長度356 m,其中擋水壩段275 m。最大底寬36.6 m,上游壩坡1∶0.1,下游壩坡1∶0.69,壩頂寬5 m,溢流壩段長90 m,底寬40.5 m,上游坡與擋水壩段一致,堰頂高程 47 m,其上設寬 8 m、高 10.2 m升臥式平板鋼閘門9扇,閘門總凈寬72 m。大壩附屬建筑物有泄洪洞、輸水洞、發電洞和新建成的壩后式水電站一座。

現狀溢流壩抗滑穩定采用抗剪公式計算結果為:在原設計揚壓力的滲壓折減系數α=0.65時,32.0 m高程斷面及特殊荷載組合情況下均不滿足抗滑穩定系數K≥1.00的要求。當采用規范規定的情況α=1.00時,抗滑穩定安全系數均不滿足規范要求。溢流壩各個計算斷面的上游壩面處,計及揚壓力作用時,上游邊緣處的正應力及主應力在1000年一遇校核洪水位時均出現拉應力,混凝土心墻上游側在揚壓力折減系數α=0.65,α=1.00時均有拉應力出現,不滿足規范要求。

2 溢流壩水力計算

2.1 規范推薦公式法

根據SL 319-2005混凝土重力壩設計規范附錄A及武漢大學李偉主編的《水力計算手冊(第二版)》進行相關水力計算。

1)泄流能力。溢流壩加固后,堰面曲線發生改變,重新計算溢流壩泄流能力,結果見表1。

表1 溢流壩水位—泄量關系

3)最大沖坑計算。計算公式如下:tk=kq0.5H0.25。其中,tk為水墊厚度,自水面算至坑底,m;q為單寬流量;H為上下游水位差;k為沖坑系數,按堅硬但完整性較差的基巖取k=1.0。計算得,設計洪水時沖坑深度6.8 m,校核洪水時8.7 m。

4)安全校核。設計和校核洪水時,挑距與沖坑深度之比分別為8.4和7.8,沖坑不致危及大壩安全。

2.2 數值計算法

1)模型建立。根據石河水庫溢流壩堰型實際尺寸建立模型。其模擬區域由庫區、堰、挑坎及下游出流區四個部分組成。模型見圖1。2)數值計算方法。計算選用K—ε紊流模型;對于庫區水氣交界面的處理,采用VOF方法予以追蹤;偏微分方程的離散,采用有限體積法,動量、紊動能和紊動耗散率采用二階迎風格式,壓力—速度耦合采用PISO算法。3)計算結果。從庫水位47.0 m～60.0 m,模擬了7個庫水位的泄流情況,水位流量關系曲線見圖2。設計洪水及校核洪水工況水面線及流場見圖3,圖4。

2.3 成果選取

通過規范推薦公式計算和數值模擬計算結果對比,數值模擬計算結果泄流能力稍大于公式法,但相差不大,為安全計,采用規范推薦公式法成果。

3 溢流壩的穩定分析

3.1 計算滑面的選取

根據SL 25-2006砌石壩設計規范關于壩體穩定計算內容的要求,結合本工程的實際,共考慮五種情況。

3.2 計算公式

大壩抗滑穩定計算公式采用SL 25-2006砌石壩設計規范中(3.2-1),(3.2-2)公式計算:

不同荷載組合情況下,根據抗剪斷公式和抗剪公式計算的抗滑安全系數見表2。

從表2中可以看出:基本荷載組合情況下抗剪斷穩定安全系數最小值為3.76,大于3.00,抗剪安全系數最小值1.26,大于1.05;特殊荷載組合情況下抗剪斷穩定安全系數最小值為3.21,大于2.50,抗剪安全系數最小值為 1.00,滿足穩定要求。

4 溢流壩的應力分析

4.1 計算方法

表2 抗滑穩定安全系數表

根據《砌石壩設計規范》規定,壩體應力計算采用材料力學法為基本分析方法。壩體應力計算公式參見SL 319-2005混凝土重力壩設計規范附錄C。本次初設按照壩體各向同性均質體來進行應力計算。壩體應力計算公式如下:

上游面垂直正應力:

下游面垂直正應力:

上游面主應力:

下游面主應力:

4.2 計算結果

不同工況下不同截面位置下的計算結果表明:最大應力出現在斷面16.0 m高程不計揚壓力時下游面垂直正應力及第一主應力均為697.92 kPa,小于壩體材料的容許抗壓強度,無拉應力出現,故溢流壩滿足應力要求。

5 結語

結合石河水庫加固設計工程實例在對水庫溢流壩的加固設計上進行了分析,對現狀溢流壩進行抗滑穩定計算以及應力分析發現所得結果不能滿足規范要求。溢流壩加固設計中對溢流壩的水力計算采用了規范推薦公式和數值模擬兩種方法來進行計算,同時對溢流壩加固進行了穩定分析以及應力分析,使得本次加固設計所提出的設計方案安全、合理。經過計算與分析證明了文章所提出的加固設計方案是可行的,并且已被采用。

[1]SL 319-2005,混凝土重力壩設計規范[S].

[2]SL 25-2006,砌石壩設計規范[S].

[3]SL 265-2001,水閘設計規范[S].

[4]李 寧.英那河水庫溢流壩加高設計與施工[J].東北水利水電,2007(7):8-11.

[5]林繼鏞.水工建筑物[M].第 4版.北京:中國水利水電出版社,2006.