汾河中下游液压坝底板稳定计算探讨

梁倩倩

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游液压坝底板稳定计算探讨

梁倩倩

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河中下游工程是汾河流域生态修复工程的组成部分，拟在汾河二坝至介休市义棠镇之间约80 km的汾河干流上修建15座液压坝。液压坝底板稳定计算的探讨对汾河中下游工程建设具有十分重要的意义，同时可为其他类似水利工程提供参考借鉴。

液压坝；稳定计算；汾河中下游

1 工程概况

工程拟在汾河二坝至介休市义棠镇之间约80 km的汾河干流上修建15座液压坝及蓄水区，其坝址分别位于太原市清徐县，晋中市祁县、平遥县和介休市境内。依据工程总布置，液压坝分为主槽段、左岸滩地段和右岸滩地段，主槽段液压坝高分别为3.5 m（6号）、4.0 m（4号）、4.5 m（5号，7号，8号，12号）、5.0 m（1~3号、9~11号，13~15号），左右岸滩地段液压坝高均为2.0 m，主槽坝高5.0 m的液压坝数量较多，因此以1号液压坝为例进行底板稳定计算探讨。1号液压坝位于清徐县西谷乡东木庄村西南约500 m汾河干流上，坝顶高程761 m，正常蓄水位761 m，坝长234 m，其中主槽设计坝高5.0 m，长78 m，左岸滩地设计坝高2.0 m，长120 m，右岸滩地设计坝高2.0 m，长36 m。

2 计算依据及结构

1号液压坝主槽坝高5 m，其底板分缝长度为12 m（5块），18 m（1块），左右岸滩地坝高均2 m，分缝长度6m。坝高2m，5m的底板顺水流方向长度分别为5.5m，11 m，底板厚分别为1.5 m，2.3 m。依据要求，闸室稳定计算宜取两相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元，故主槽液压坝底板稳定计算取12 m闸段作为计算单元，滩地液压坝底板稳定计算取6 m作为计算单元。

3 计算工况

一是完建工况（基本组合），上下游均无水，考虑荷载有底板自重、闸门重。二是正常蓄水工况（基本组合），上游为正常蓄水位，坝高2 m，5 m，下游水深分别为1 m，4 m，考虑荷载有底板自重、水重、闸门重、静水压力、扬压力、波浪压力。三是检修工况（特殊组合），上游为正常蓄水位，下游水深0 m，考虑荷载有底板自重、水重、闸门重、静水压力、扬压力、波浪压力。四是地震工况（特殊组合），上游为正常蓄水位，坝高2 m，5 m，下游水深分别为1 m，4 m，其中水深均自闸底板顶高程算起，考虑荷载有底板自重、水重、闸门重、静水压力、扬压力、波浪压力、地震力。

4 计算公式、过程及结果分析

4.1 计算公式

闸室基底应力采用公式（1）计算：

∑G——作用于闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的扬压力在内），kN；

∑M——作用于闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力距，kN·m；

A——闸室基底面的面积，m2；

W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向

的形心轴的截面矩，m3。

基底应力不均匀分布系数采用公式（2）计算：

式中：[η]——基底应力不均匀分布系数容许值；

抗滑稳定系数采用公式（3）计算：

式中：f——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.4；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。

4.2 计算过程

4.2.1 底板自重

经计算得坝高2.0 m时，L=5.5 m，t=1.5 m，B=6 m；坝高5.0 m时，L=11m，t=2.3 m，B=12 m。

4.2.2 水重

经计算得坝高2.0 m时，L1=3.2 m；坝高5.0 m时，L1=5 m；

4.2.3 闸门重

一扇闸门宽度为6 m，2.0 m高液压坝底板计算宽度为6 m，包括1扇闸门重，5.0 m计算宽度均为12 m，包括2扇闸门重。经计算，坝高2.0 m时，闸门重4.77 t；坝高5.0 m时，闸门重45 t。

4.2.4 静水压力

液压坝底板上游有钢筋混凝土铺盖，下游有钢筋混凝土消力池，均与底板之间有止水。止水以上的水平水压力按静水压力分布考虑，止水以下缝内的水平水压力按下述方法计算：由于渗流区内任一点的水压力强度等于该点的静水压强（相对于下游水位）与渗透压强之和，由于止水以下的缝内水流状态可以认为是静止的，故缝内渗透压强相等，其数值即为缝底这一点的渗透压强，而缝内静水压强按一般方法计算。

4.2.5 扬压力

浮托力：P1=γ水htLB，KN；

渗透压力：本工程地基采用水泥土地连墙围封处理防渗与地基液化问题，防渗墙处渗透压强相应进行折减，P2=γ水·S1·B，KN，S1为底板渗透压力分布面积。

4.2.6 波浪压力

当浪压力参与基本组合时，计算风速取重现期为50年的年最大风速，33 m/s；当浪压力参与特殊组合时，计算风速取多年平均年最大风速，22 m/s。

风区长度取300 m，风区内平均水深闸前水深均按各计算工况相应坝前水深取值。

4.2.7 地震力

本工程设计抗震烈度为8度，水工建筑物级别为4级，依据《水工建筑物抗震设计规范》可只考虑水平向地震作用。地震惯性力采用拟静力法计算地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点的水平向地震惯性力代表值按公式（4）计算：

式中：Fi——作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；

ah——水平向设计地震加速度代表值，取值0.2g。

ξ——地震作用的效应折减系数，取0.25；

GEi——集中在质点i的重力作用标准值；

ai——质点i的动态分布系数，取1.5；

g——重力加速度。

地震动水压力，总地震动水压力F0=0.65 ahξρωH12，其中H1为坝前水深，m。作用点位于水面以下0.54 H1处。各工况荷载和稳定计算结果见表1。

表1 荷载计算及稳定计算结果

4.3 结果分析

本工程建筑物级别为4级，基本组合抗滑稳定安全系数的允许值为1.20，特殊组合一（检修工况）的允许值为1.05，特殊组合二（地震工况）的允许值为1.00，计算结果满足规范要求。

依据地质资料，地基允许承载力为80～90 kPa，在各种计算情况下，闸室平均基底应力均不大于地基允许承载力，最大基底应力均不大于地基允许承载力的1.2倍，故计算结果满足规范要求。

本工程地基经处理后可认为是坚实的地基土质，基本组合和特殊组合时，闸室基底应力的最大值与最小值之比即不均匀系数的允许值分别为2.50，3.00，因此计算结果可认为满足规范要求。

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C

1004-7042（2017）01-0036-02

梁倩倩（1985-），女，2011年毕业于武汉大学水工结构工程专业，工程师。

2016-11-08；

2016-12-16