大石河攔河壩工程溢流壩面設計及壩體穩定分析

馬 凱

(本溪市水利電力勘測設計研究院，遼寧 本溪117022)

1 工程概況

大石河為山區性河流，蜿蜒曲折，河道多急流淺灘。其河流域面積為140 m2，河道總長30.2 km，河道平均比降為10.9‰。大石河攔河壩工程共3 座攔河壩，上游至下游編號為1#至3#攔河壩，本文以2#壩為例進行說明。2#壩由溢流壩段和擋水壩段組成。

溢流壩段長60 m，堰頂高程為310.00 m，壩高為3.6 m，基礎埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。堰頭采用WES 曲線，迎水側為直立面，背水側直線段坡比1∶1.5，坡面布設景觀石。壩體采用C25F200毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面設600 mm 厚鋼筋混凝土面板，面板混凝土強度等級C25，抗凍等級F200，抗滲等級W4。溢流壩采用底流消能，下設消力池，池長15 m，深0.8 m，池后設6.6 m 拋石護底。

擋水壩段總長45 m，其中左岸擋水壩段34 m，右岸11 m。壩頂高程為313.55 m，壩頂寬為3 m，最大壩高6.73 m，基礎埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。擋水壩上游面直立，設0.6 m 厚鋼筋混凝土防滲面板，面板混凝土強度等級C25，抗凍等級F200，抗滲等級W4。下游面坡比為1∶1.5，折坡點高程為308.84 m，下游坡面布設景觀石［1］。

2 2#壩壩高及溢流斷面設計

2.1 壩頂高程確定

該工程位于內陸峽谷地區，根據規范要求采用官廳公式計算，正常運用時設計計算風速取最大風速的1.5 倍，17.55 m/s，非常運用(校核洪水位)時取最大風速11.70 m/s。波浪要素公式為:

式中:2hl為浪高，m;2Ll為波長，m;vf為計算風速，m/s;Df為 吹程，km。

2.2 波浪中心線至攔河壩靜水位的高度

波浪中心線至計算水位高度ho的計算，采用下列公式為:

式中:h0為波浪中心線至攔河壩靜水位的高度，m;Hl為壩前水深，m。

2.3 壩頂高程的確定

根據規范，壩頂至計算水位的高差Δh 采用下列公式，計算成果見表1。

式中:Δh 為壩頂至攔河壩靜水位的高度，m;hc為安全超高，m。壩頂高程計算結果見表1。

2.4 溢流壩斷面設計

溢流壩段長60 m，堰頂高程為310.00 m，壩高為3.6 m，基礎埋深為巖面線下0.6 m(不含齒墻)。堰頭采用WES 曲線，迎水側為直立面，背水側直線段坡比1∶1.5，坡面布設景觀石。壩體采用C25F200 毛石混凝土砌筑，迎水面及溢流面設600 mm厚鋼筋混凝土面板，面板混凝土強度等級C25，抗凍等級F200，抗滲等級W4。溢流壩采用底流消能，下設消力池，池長15 m，深0.8 m，池后設6.6 m拋石護底。

表1 壩頂超高計算成果表 m

根據表1 計算成果，取計算水位312.43 m(P =10%設計洪水位)時超高計算成果，則本次設計擋水壩段壩頂高程為313.55 m。

溢流壩堰面曲線方程為:

式中:x、y 分別為以堰頂為原點的坐標;Hd為不包括行近流速水頭在內的設計水頭;k、n 為與上游迎水面坡度有關的參數，由于上游迎水面鉛直，則k =2，n =1.85。計算結果見表2。

表2 溢流壩堰面曲線表

3 2#壩體穩定分析

3.1 溢流壩段結構穩定分析

3.1.1 荷載計算

穩定分析采用《水利水電工程PC—程序集》(88版)中的“混凝土重力壩抗滑穩定及壩基應力計算程序”計算，荷載組合同擋水壩段。

3.1.2 抗滑穩定計算

溢流壩抗滑穩定計算成果見表3。

表3 溢流壩抗滑穩定計算成果表

從表3 可以看出，溢流壩段混凝土墊層與建基面及壩體混凝土墊層之間的抗滑穩定安全系數均大于規范要求值。

3.1.3 壩踵、壩趾垂直應力計算

計算成果見表5。計算公式為:

式中:σy為壩踵、壩趾垂直應力，kN/m2;∑M 為全部作用力對壩基面形心的力矩之和，KN·m;J 為壩基面對形心軸的慣性距，m4;X 為壩基面截面上計算點到形心軸的距離，m。計算成果見表4。

表4 壩踵、壩趾垂直應力計算成果表

從表4 可見，壩踵計入揚壓力和不計入揚壓力的垂直應力均大于零，壩趾計入揚壓力和不計入揚壓力的垂直應力均遠小于C20 素混凝土墊層允許抗壓強度及基巖抗壓強度72 MPa。

3.2 擋水壩段穩定分析

擋水壩段抗滑穩定計算成果見表5。

表5 擋水壩段抗滑穩定計算成果表

從表5 可以看出，擋水壩段混凝土墊層與建基面及壩體與混凝土墊層之間的抗滑穩定安全系數均大于規范要求值。

3.3 壩踵、壩趾垂直應力計算

壩踵、壩趾垂直應力計算采用規范公式同上，計算成果見表6。

表6 壩踵、壩趾垂直應力計算成果表

從表6 可見，各種情況下壩踵的垂直應力均大于零，壩趾的垂直應力均遠小于C20 素混凝土墊層允許抗壓強度及基巖抗壓強度72 MPa。

［1］劉金輝，奚晶瑩. 臺階式溢流壩的消能設計與試驗［J］.吉林水利，2009(08):59 －60.