遼河水庫擋水建筑物設計分析

王洪波

(黑龍江大學建筑工程學院，哈爾濱 150080)

遼河流域大部分地區屬溫帶半濕潤半干旱的季風氣候。遼寧省強降水集中在7—8月，而且多為強降雨，降雨的時空分布不均勻造成了遼河水資源的浪費[1]。近45a來遼寧的干旱有增加趨勢、洪澇減少[2]。由于氣候影響，遼河流域內洪水頻繁，遼河水無法存活生物，無法用于灌溉，更無法供人畜飲用。據統計遼寧省糧食產量穩定在400億斤，但是遼寧省的水庫問題已經逐漸的制約著遼寧糧食產量的發展，如果不加以解決，必將影響糧食的產量[3]。的遼河水庫樞紐設計采用混凝土重力壩設計符合國內外水利開發形勢要求，且滿足當前發展階段的技術要求。水電站包括擋水建筑物，泄水建筑物，閘門，用水建筑物，廠房等，擋水建筑物是用提高上游水位，調蓄流量，攔截水流，阻擋河流泛濫而建造的，文章針對遼河水庫的擋水建筑物進行設計[4]。水利工程施工過程中, 擋水及導流建筑物能否可靠攔泄洪水與安全度汛, 直接關系到工程進度、質量、造價甚至工程成敗。

1.工程概況

遼河水庫重力壩樞紐位于遼寧省內。水庫的主要任務是以農田灌溉為主，結合防洪、養魚，并考慮水量的年中用量分配，兼季節性發電，使水庫達到綜合利用目的。根據水利經濟計算及調洪演算，水庫最大庫容為1.86億m3，根據農田水利規劃，可灌水田1.67萬hm2，旱田8667hm2。水庫校核洪水位為62.7m，相應下泄量2500m3/s，下游水位38.0m；水庫設計洪水位為61.35m，相應下泄量1800m3/s，下游水位36.5m；水庫正常水位為60.0m，死水位高程為43.0m，吹程為2.7km，多年平均最大風速為17m/s。

2 設計內容

2.1 壩型選擇與主要建筑物的選擇

混凝土重力壩工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發揮工程效益；膠凝材料用量少，不設縱縫，可使用大型通用施工機械設備，降低工程造價。因此綜合各方面因素考慮，本設計選擇修建混凝土重力壩。

2.2 樞紐布置

1)溢流壩段：凈寬 B=60m，位置在(0+178-0+248)樁號內，閘門采用弧形鋼閘門，露頂式，型號為 SDJB—78；閘門尺寸：半徑為 R=8.4m，共 5 孔。

則閘門總寬為：

B總=nb+(n-1)

(1)

式中：B總為閘門總寬度；n為閘門孔數，n=5；b為閘門寬，b=12m；t為閘墩厚，t=2.0m

因此，閘門總寬為68m。

2)擋水壩段：位于溢流壩段兩側。

3)輸水洞：設置在河床右岸(0+133)處，出口高程 37m。

4)電站：采用河床電站，使其起到擋水作用，從而節省擋水建筑物的投資。設置在河床右岸(0+138-0+178)處，共 4 臺機組，裝機容量為 320 千瓦，尺寸為 5×18m2。

5)開挖巖石高程 27m。

2.3 擋水建筑物的設計

2.3.1 擋水建筑物的選擇

考慮各方面壓力影響選擇類似梯形斷面的混凝土重力壩,上部為矩形截面防浪墻。上游和下游坡面分別采用不同的坡比，以更好的承載上下游水位的不同而產生的不同大小的水壓力。混凝土重力壩因其較好的強度和穩定條件，現普遍適用于國內外各種大中小型水利工程。

2.3.2 擋水建筑物的尺寸設計

2.3.2.1 確定壩頂高程

1)波浪壓力：

波浪壓力的計算采用官廳水庫公式：

(2)

L=10.4(hl)0.8

(3)

(4)

式中：hl為波高；L為波長；hz為波浪中心線高于靜水面產生的雍高；V0為計算風速=1.5倍的多年平均最大風速，取1.5×17m/s=25.5m/s；D為吹程=2.7km

計算得到：hl=1.324m；L=13.02m；hz=0.41m

官廳公式gD/V02=41.52，位于20-250之間，因此累計頻率 5%的波高h5%=1.324m，則h1%=1.24h5%，可得h1%為1.642m；在校核洪水期，取V0=V=17m/s，則hl=0.79m；L=8.28m；hz=0.211m；此時gD/V02=93.43。位于20-250之間，累計頻率 5%的波高h5%=0.79m，則h1%=1.24h5%，可得h1%為0.98m。

2)壩頂高程的確定：

壩頂高程一般高于校核洪水位，且上游防浪墻高程高于波浪頂高程。

△h=h1%+hz+hc

(5)

式中：△h為防浪墻頂至設計洪水位或校核洪水位的高差；h1%為累計頻率為1%時的波浪高度；h2為波浪中心線到靜水位的高度；hc為安全加高。按表1取得。

表1 安全加高hc

△h設=h1%+hz+hc

(6)

hf設=hd+△h設

(7)

△h校=h1%+hz+hc

(8)

hf校=hx+△h校

(9)

其中：hf設為設計洪水位對應防浪墻高程；hd為計洪水位；hf校為校核洪水位對應防浪墻高程；hx為校核洪水位防浪墻高程選用較大值，因此壩頂高程為65m確定壩頂寬度壩頂寬度取壩高的8%-10%，在5.44-6.5m之間，取6m。

解得：△h設=2.525m；對應防浪墻高程為63.875m；△h校為1.591m；對應防浪墻高程為64.291m。

2.2.3.2 確定壩體斷面

1)壩基強度條件：

(10)

式中：γ為漿砌石容重，取22kN/m3；γ0為水的容重=9.8kN/m3假定λ=0，α=0.5，可以得到: 壩基強度條件B/H=0.757

2)壩基穩定條件K：

(11)

式中：f為混凝土砌體與基巖間摩擦系數，取0.68；k為抗滑穩定安全系數，取3.0。解得壩基穩定條件B/H=2.3887。由于穩定條件大于強度條件，因此將穩定條件作為控制因素進行計算。

2.2.3.3 確定壩體斷面尺寸

依據工程經驗，上游壩坡坡率取n=0.2(0-0.2)，下游壩坡率m=0.8(0.6-0.8)，則底寬B=25×0.2+6+28×0.8=33.4m。

2.3.3 重力壩穩定分析

2.3.3.1 設計情況下的荷載計算

1)壩體自重：

(12)

式中：G1為主壩重量；V1為主壩體積；G2、G3為付壩重量；V1、V2為付壩體積。解得G1=5392kN；G2=664.7kN；G3=7212.8kN。

2)水平水壓力：

(13)

(14)

式中：P1為上游水壓力；P2為下游水壓力；γ0為容重9.8；上游壩高H1為35.35m；下游壩高H2為9.5m。

解得：上游水壓力P1為6123.15kN；下游水壓力P2為442.23kN。

3)水重：

Q1=γ0V1

(15)

Q2=γ0V2

(16)

Q3=γ0V3

(17)

式中：Q1為主壩水重；Q2、Q3為下游水重。

解得Q1=507.15kN；Q2=612.5kN；Q3=353.78kN。

4)浪壓力：

由于壩前水深H1=35.5>L/2，所以為深水坡：

(18)

P1靜水面以下=γ0(L/2)2/2

(19)

式中：L為為波長13.15m；h1為波高1.341m；hz為波浪中心線高于靜水面產生的雍高0.43m；

解得：P1靜水面以上=268.96kN；P1靜水面以下=211.89kN。

5)泥沙壓力：

水平方向泥沙壓力計算公式為：

PH=γ浮h2tan2(45°-φ/2)/2

(20)

γ浮=γ飽-γ0

(21)

式中：γ浮為淤沙浮容重；H為淤沙高度，取16m；Φ為淤沙內摩擦角，取φ=16°。計算得PH=486.98kN；γ浮為6.7kN。

垂直方向泥沙壓力：

Pv=γ浮nh2/2

(22)

式中：n為孔隙率，取n=0.2。

計算得Pv=171.52kN。

6)揚壓力：

帷幕到上游面的距離一般應取壩面作用水頭的0.05-0.1倍，并且≥ 3m。采用分部計算，計算過程如下：

U1=γ0BH2

(23)

式中：B為壩底寬度，m；H為上下游水位差，m。

計算得U1=9.8×9.5×33,4=3109.54kN

U2=γ0α2H(B-b1-b2)/2

(24)

式中：α2為排水處消減系數，一般取0.2-0.4，本設計取0.3；b1為帷幕上游

邊到上游壩面的距離；b2為帷幕下游邊到排水設備的距離。

計算得U2=961.39kN

U3=γ0(α1H+α2H)b2/2

(25)

式中：α1為灌漿處消減系數，一般取0.45-0.6，本設計取0.5。

計算得U3=152kN

U4=γ0(α1H+H)×b1/2

=(0.5×25.85+25.85)×5×0.5×9.8=950kN

(26)

2.3.3.2 設計情況下的穩定計算

上游水位61.35m，相應下游水位36.5m，則抗滑穩定安全系數Km≥1.05，因此滿足抗滑穩定要求。

3 結 論

遼河水庫樞紐根據收集到水文資料和工程地質資料進行了細致的設計，其中擋水建筑物進行了相應荷載計算和穩定分析，均滿足設計規范要求，滿足強度要求。在充分考慮當地氣候條件和地質條件的情況下，本設計盡可能的充分利用當地資源，節省工程預算和工程投資。根據水文地質情況綜合分析結果及其特殊的地形位置條件，決定采用混凝土重力壩。選擇修建混凝土重力壩能夠充分滿足水庫的正常運行。結合地形條件進行樞紐布置，各部分建筑物布置合理且盡最大程度減少工程投資。充分利用當地自然資源，在盡量不影響當地生態環境的情況下，發揮其最大的經濟效益和社會效益。