某礦廠引水工程大壩設計計算與分析

李 涌

（邵陽市水利水電勘測設計院 邵陽市 422000）

1 工程概況

某礦廠引水壩工程位于湖南省新寧縣某鄉境內，資江水系夫夷水二級支流上游，距新寧縣城金石鎮25 km，壩址控制流域面積1.5 km2，壩址以上河流長度1.6 km，河床平均坡降102‰。

本工程興建是以某礦廠生產、生活用水為主，供水規模為日供水300 m3，根據《水電樞紐工程等級劃分及安全標準》（DL 5180-2003）規定，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物為5 級建筑物，次要建筑物為5 級建筑物，主要建筑物為大壩、放空（沖砂）孔、引水鋼管、上壩公路等組成。

2 水 文

根據水文分析計算，引水壩壩址處20年一遇洪峰流量為22.5 m3/s，洪水總量為20.2 萬m3，200年一遇洪峰流量為28.8 m3/s，洪水總量為30.1 萬m3。

3 工程地質

區域內地貌類型屬于低山峰脊峽谷，群山連綿，山峰高聳，山頂多呈小峰。區內地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應地震烈度為6 度，區域構造場地穩定。

壩址出露地層為：寒武系上統（∈3）褐紅、青灰色中層鈣質板巖，壩基巖體物理力學參數推薦值見表1。

4 大壩設計

4.1 設計基本資料

該壩為混凝土埋塊石重力壩，工程等級為Ⅴ等，大壩按5 級建筑物設計。根據《水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）確定：洪水重現期按20年一遇設計，200年一遇校核。

表1 壩基巖石物理力學指標推薦值表

（1）壩址特征水位與特征流量。

正常蓄水位：631.55 m，相應下游水位：621.10 m。

設計洪水位：632.67 m，相應下游水位：621.23 m，相應的下泄流量：22.5 m3/s。

校核洪水位：632.87 m，相應下游水位：621.36 m，相應的下泄流量：28.8 m3/s。

死水位：629.00 m。

（2）泥沙資料。

對現有水庫中的泥沙進行分析計算，壩址處含沙量0.003 kg/m3，多年平均輸沙量為0.19 萬m3。

（3）水文氣象資料。

根據流域內各氣象站資料統計，歷年平均氣溫17℃，極端最低氣溫-8.8℃，極端最高氣溫39℃，多年平均相對濕度81%。

壩址以上流域多年平均降雨量1330.1 mm。

平均風速2.1 m/s，最大風速16.3 m/s。

（4）地震烈度。

壩址區地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮地震設防。

（5）地基特性及設計參數。

①壩基巖體物理力學指標見表1。

②材料容重。混凝土：2.4 t/m3、混凝土埋塊石2.2 t/m3。

③安全系數。基本組合：K≥1.0 （抗剪），K≥3.0（抗剪斷）；特殊組合：K≥1.0（抗剪），K≥2.5（抗剪斷）。

4.2 大壩斷面擬定

大壩斷面尺寸：內坡垂直，外坡為折線形，外坡折點高程為632.00 m，折線坡度為1∶0.75，壩頂寬4 m，壩底最大寬度為10.93 m。壩體采用C15 埋塊石混凝土澆筑，臨水面澆0.3 m 厚C20 混凝土防滲面板，建基面澆0.3 m 厚C15 混凝土墊層，溢流面設0.5 m 厚C25 混凝土，引水壩設無閘門自流式溢流壩段，堰為實用堰，堰頂高程為631.55 m，溢流段位于擋水壩中部，采用挑流消能，溢流堰上設一交通便橋連接兩岸。放空建筑物為壩體內現澆C20 混凝土圓管，管徑為0.6 m，管長10.93 m。進水口采用閘門控制，采用PGZ 0.6×0.7 鑄鐵定型閘門，啟閉機采用5 t 螺桿式式啟閉機，進口高程為622.2 m，放水建筑物施工過程中兼作導流。

引水壩正常蓄水位631.55 m，設計洪水位632.67 m，校核洪水位632.87 m。壩頂超高根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2005）及《水工建筑物》中的有關公式規定計算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

h0——波浪中心高出靜水位的高度（m）；

hc——安全超高。設計洪水位0.4 m，校核洪水位0.3 m。

壩址區多年平均最大風速為16.3 m/s，風區長度為80 m。對于山區峽谷水庫，波浪的波高、平均波長采用下式計算：

式中 2h1——波浪高度（m）；

2Li——波長（m）；

vf——計算風速（m/s）；

Df——計算吹程（km）；

H1——平均水深（m）；

h0——波浪中心線超出水庫靜水位的風雍高度（m）。

經計算，設計洪水位與校核洪水位的壩頂高程見表2。

表2 壩頂超高計算成果表 m

計算壩頂高程為633.94 m，確定壩頂高程為634.0 m。

4.3 水力計算

4.3.1 溢流堰過流能力計算

式中 ε——側收縮系數，ε=0.95；

σ——淹沒系數，取1；

m——流量系數，根據a/H 查表得m=0.502；

n——孔數；

b——堰頂凈寬9 m；

h0——堰頂總水頭。

經過計算，設計洪水位時，溢流堰過流能力為22.52 m3/s，校核洪水位時，溢流堰過流能力為28.82 m3/s，均能滿足泄洪要求。

4.3.2 溢流壩段消能計算

根據挑流消能經驗公式估算預取反弧半徑R=3 m。然后對所預定的反弧半徑進行復核。對挑距L、沖坑深Tk進行計算。根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2005）挑距按下公式計算：

式中 L——挑射距離（m）；

V1——坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v 的1.1 倍計算，即（H0為水庫水位至坎頂的落差，m）；

θ——鼻坎的挑角；

h1——坎頂垂直方向水深，m，h1=h/cosθ（h 為坎頂平均水深，m）；

h2——坎頂至河床面高差，m；

φ——堰面流速系數；

q坎——坎頂單寬流量，m3/s；

E——上下游水位差，m。

最大沖坑深度按下公式計算：

式中 Tk——沖坑深度（m）；

q——單寬流量（m3/s）；

H——上下游水位差（m）；

t——下游水深（m）；

k——沖刷系數，取1.25。

計算結果見表3。

表3 最大沖坑深度計算結果

本引水壩壩基為鈣質板巖，堅硬完整，沖坑后坡均緩于1/3 的安全坡比，故認為滿足抗沖要求。

4.4 大壩穩定計算

4.4.1 計算工況及荷載組合

本工程位于湖南省新寧縣境內，壩區地震基本烈度為Ⅵ度，無須進行抗震設防，故按常規荷載組合如表4。

表4 引水壩穩定應力計算工況及荷載組合

4.4.2 計算方法

該壩座落于強風化中帶巖基上，參照有關設計規范進行壩基抗滑穩定及應力計算，計算公式如下：壩基面抗滑穩定安全系數：

式中 k——按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；

k′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；

∑W——作用于壩體上全部荷載對滑動面的法向分值（kN）；

∑P——作用于壩體上全部荷載對滑動面的切向分值（kN）；

f——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；

c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪凝聚力（kPa）。

壩基面垂直正應力：

式中 σy上、σy下——壩基面上、下游邊緣垂直正應力（kPa）；

∑W——作用于計算壩段上全部荷載在壩基面截面上的法向分力總和（kN）；

∑M——作用于計算壩段上全部荷載在壩基面截面形心軸的力矩總和（kN·m）；

T——壩體計算截面沿上下游方向長度（m）。

4.4.3 計算結果

大壩抗滑穩定安全系數及壩基面應力計算結果見表5、表6。

表5 非溢流壩段基面穩定應力計算成果表

表6 溢流壩段基面穩定應力計算成果表

從以上計算成果可知，擬定的溢流壩段及非溢流壩段斷面在各種計算工況下的抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，壩基面應力狀態均受壓，最大壓應力值為556.88 kPa，基礎承載能力滿足要求。