梁倩倩

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游液壓壩底板穩(wěn)定計算探討

梁倩倩

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游工程是汾河流域生態(tài)修復(fù)工程的組成部分，擬在汾河二壩至介休市義棠鎮(zhèn)之間約80 km的汾河干流上修建15座液壓壩。液壓壩底板穩(wěn)定計算的探討對汾河中下游工程建設(shè)具有十分重要的意義，同時可為其他類似水利工程提供參考借鑒。

液壓壩；穩(wěn)定計算；汾河中下游

1 工程概況

工程擬在汾河二壩至介休市義棠鎮(zhèn)之間約80 km的汾河干流上修建15座液壓壩及蓄水區(qū)，其壩址分別位于太原市清徐縣，晉中市祁縣、平遙縣和介休市境內(nèi)。依據(jù)工程總布置，液壓壩分為主槽段、左岸灘地段和右岸灘地段，主槽段液壓壩高分別為3.5 m（6號）、4.0 m（4號）、4.5 m（5號，7號，8號，12號）、5.0 m（1~3號、9~11號，13~15號），左右岸灘地段液壓壩高均為2.0 m，主槽壩高5.0 m的液壓壩數(shù)量較多，因此以1號液壓壩為例進行底板穩(wěn)定計算探討。1號液壓壩位于清徐縣西谷鄉(xiāng)東木莊村西南約500 m汾河干流上，壩頂高程761 m，正常蓄水位761 m，壩長234 m，其中主槽設(shè)計壩高5.0 m，長78 m，左岸灘地設(shè)計壩高2.0 m，長120 m，右岸灘地設(shè)計壩高2.0 m，長36 m。

2 計算依據(jù)及結(jié)構(gòu)

1號液壓壩主槽壩高5 m，其底板分縫長度為12 m（5塊），18 m（1塊），左右岸灘地壩高均2 m，分縫長度6m。壩高2m，5m的底板順水流方向長度分別為5.5m，11 m，底板厚分別為1.5 m，2.3 m。依據(jù)要求，閘室穩(wěn)定計算宜取兩相鄰順水流向永久縫之間的閘段作為計算單元，故主槽液壓壩底板穩(wěn)定計算取12 m閘段作為計算單元，灘地液壓壩底板穩(wěn)定計算取6 m作為計算單元。

3 計算工況

一是完建工況（基本組合），上下游均無水，考慮荷載有底板自重、閘門重。二是正常蓄水工況（基本組合），上游為正常蓄水位，壩高2 m，5 m，下游水深分別為1 m，4 m，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力。三是檢修工況（特殊組合），上游為正常蓄水位，下游水深0 m，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力。四是地震工況（特殊組合），上游為正常蓄水位，壩高2 m，5 m，下游水深分別為1 m，4 m，其中水深均自閘底板頂高程算起，考慮荷載有底板自重、水重、閘門重、靜水壓力、揚壓力、波浪壓力、地震力。

4 計算公式、過程及結(jié)果分析

4.1 計算公式

閘室基底應(yīng)力采用公式（1）計算：

∑G——作用于閘室上的全部豎向荷載（包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi)），kN；

∑M——作用于閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力距，kN·m；

A——閘室基底面的面積，m2；

W——閘室基底面對于該底面垂直水流方向

的形心軸的截面矩，m3。

基底應(yīng)力不均勻分布系數(shù)采用公式（2）計算：

式中：[η]——基底應(yīng)力不均勻分布系數(shù)容許值；

抗滑穩(wěn)定系數(shù)采用公式（3）計算：

式中：f——閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.4；

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

4.2 計算過程

4.2.1 底板自重

經(jīng)計算得壩高2.0 m時，L=5.5 m，t=1.5 m，B=6 m；壩高5.0 m時，L=11m，t=2.3 m，B=12 m。

4.2.2 水重

經(jīng)計算得壩高2.0 m時，L1=3.2 m；壩高5.0 m時，L1=5 m；

4.2.3 閘門重

一扇閘門寬度為6 m，2.0 m高液壓壩底板計算寬度為6 m，包括1扇閘門重，5.0 m計算寬度均為12 m，包括2扇閘門重。經(jīng)計算，壩高2.0 m時，閘門重4.77 t；壩高5.0 m時，閘門重45 t。

4.2.4 靜水壓力

液壓壩底板上游有鋼筋混凝土鋪蓋，下游有鋼筋混凝土消力池，均與底板之間有止水。止水以上的水平水壓力按靜水壓力分布考慮，止水以下縫內(nèi)的水平水壓力按下述方法計算：由于滲流區(qū)內(nèi)任一點的水壓力強度等于該點的靜水壓強（相對于下游水位）與滲透壓強之和，由于止水以下的縫內(nèi)水流狀態(tài)可以認為是靜止的，故縫內(nèi)滲透壓強相等，其數(shù)值即為縫底這一點的滲透壓強，而縫內(nèi)靜水壓強按一般方法計算。

4.2.5 揚壓力

浮托力：P1=γ水htLB，KN；

滲透壓力：本工程地基采用水泥土地連墻圍封處理防滲與地基液化問題，防滲墻處滲透壓強相應(yīng)進行折減，P2=γ水·S1·B，KN，S1為底板滲透壓力分布面積。

4.2.6 波浪壓力

當浪壓力參與基本組合時，計算風(fēng)速取重現(xiàn)期為50年的年最大風(fēng)速，33 m/s；當浪壓力參與特殊組合時，計算風(fēng)速取多年平均年最大風(fēng)速，22 m/s。

風(fēng)區(qū)長度取300 m，風(fēng)區(qū)內(nèi)平均水深閘前水深均按各計算工況相應(yīng)壩前水深取值。

4.2.7 地震力

本工程設(shè)計抗震烈度為8度，水工建筑物級別為4級，依據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》可只考慮水平向地震作用。地震慣性力采用擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時，沿建筑物高度作用于質(zhì)點的水平向地震慣性力代表值按公式（4）計算：

式中：Fi——作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值；

ah——水平向設(shè)計地震加速度代表值，取值0.2g。

ξ——地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；

GEi——集中在質(zhì)點i的重力作用標準值；

ai——質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)，取1.5；

g——重力加速度。

地震動水壓力，總地震動水壓力F0=0.65 ahξρωH12，其中H1為壩前水深，m。作用點位于水面以下0.54 H1處。各工況荷載和穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。

表1 荷載計算及穩(wěn)定計算結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

本工程建筑物級別為4級，基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值為1.20，特殊組合一（檢修工況）的允許值為1.05，特殊組合二（地震工況）的允許值為1.00，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

依據(jù)地質(zhì)資料，地基允許承載力為80～90 kPa，在各種計算情況下，閘室平均基底應(yīng)力均不大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力均不大于地基允許承載力的1.2倍，故計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

本工程地基經(jīng)處理后可認為是堅實的地基土質(zhì)，基本組合和特殊組合時，閘室基底應(yīng)力的最大值與最小值之比即不均勻系數(shù)的允許值分別為2.50，3.00，因此計算結(jié)果可認為滿足規(guī)范要求。

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1004-7042（2017）01-0036-02

梁倩倩（1985-），女，2011年畢業(yè)于武漢大學(xué)水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工程師。

2016-11-08；

2016-12-16