二期围堰稳定计算.docx

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二期围堰稳定计算

小南海二期混凝土纵向围堰稳定及应力计算报告

1计算背景

小南海水电站二期导流拆除一期上、下游横向土石围堰进行左侧主河床截流，修建二期上、下游横向土石围堰形成二期基坑。

二期导流期间，江水由导流明渠下泄，船舶从导流明渠通行。

二期导流明渠左岸与坝身连接段为纵向混凝土围堰，基本体型见图l-lo

三期导流拆除二期上、下游横向土石围堰，封堵导流明渠，修建三期上、下游横向土石围堰形成三期基坑。

三期围堰与左岸大坝共同挡水后,第一批机组发电,船闸通航；江水由左岸24孔溢流坝下泄。

混凝土纵向围堰在三期机组发电时参与挡水，其中坝轴线下游纵向围堰与永久建筑物结合参与挡水。

二期混凝土纵向围堰在二期和三期导流时均要挡水，为了保证其安全性，有必要对其进行不同挡水条件下的围堰稳定计算及建基面应力分析,看其能否满足设计要求。

4

图纵向围堰剖面及剪切带分布

2计算资料

计算工况下的水位见表2-1,根据地质提供的资料建坝岩体向下游微倾或平缓卧于坝基下，层间剪切带发育,断层、裂隙等缓倾角结构面也有分布，坝基抗滑稳定问题突出。

从单滑面滑移模式来看，坝基范围分布的剪切带主要有3S603、3S602、3S601、3S502、3S501.3S418.3S417、3S416、3S415.3S414、3S413.3S412等。

其中多为剪切不充分的II类剪切带，仅3S602、3S502、3S412属剪切充分的I类剪切带。

纵向围堰建基面下面的剪切带主要有3S603、3S602、3S601、3S502、3S501.3S418等。

中坝址剪切带及结构面抗剪强度参数建议值见表2-2。

地质提供中坝址岩体物理力学参数建议值表见表2-3。

表2-1纵向围堰挡水时各计算水位

序号

项目

水位（m）

1

P二5%（二期过流场）

192.57

2

P二2%（二期过流场）

193.97

3

三期过流发电水位

197.00

4

P二5%（三期过流下纵）

193.19

5

P二2%（三期过流下纵）

194.60

«2-2中坝址剪切带及结构面抗剪强度參数建议值

剪切带或结构面类型

抗剪断强度

抗剪强度

特征描述

f，

cz（MPa）

f

c（MPa）

I类

泥夹岩屑或薄泥型

0.28〜0.30

0.06〜0.08

0.22〜

0.25

0

具泥化特征

II类

岩屑夹泥型

0.32〜0.35

0.1

0.3

0

岩屑、部公泥化

岩块岩屑型

0.35〜0.4

0.12

0.35

破碎岩块、岩屑

层理面

0.45〜0.55

0.15〜0.2

0.35〜0.4

0

软岩层面取低值

缓倾角断层

0.25〜0.28

0.05

0.2〜0.25

0

粘土岩中断层具泥tv

0.30〜0.32

0.08〜0.1

0.28〜

0.30

0

砂岩中断层破碎带

吉石名称

天然

重度

单轴湿F亢压强

变模

（Eo）

（J）

岩体本身抗实断强度

罟体抗卑再|昆癡土/岩体

混癡土/岩体

泊松

比

代表性

微、新岩体

弱风化

再风化

微、新岩体

kN/

m3

MP

MPa

（G

X

（GPa）

f'

C'

｛代AD、

f'

C1

（\

f・

c・

rKjID

f

C

f■

c・

fZD、\

f

C

f"Dn\

p

祜土岩、粉砂质粘土岩

24.5-25

5~6

0.6-0.75

1.5

~2

2〜2.5

0.65

0.3

0.45

0.2

0.30

0.05

0.40

0

0.60

0.25

0.4

0

0.32

0.36

J3s2、J3s4-1、J3s6、J2sl2

尼质粉砂弍粉砂

25.5-26

10-15

1-1.2

2.5

~3.0

3.0〜3.5

0.80

0.5

0.55

0.30

0.35

0.1

0.50

0

0.65

0.3

0.45

0

0.28

0.30

J3s3

.J3s4-2

氏石石英、砂岩、吉屑长石眇岩

25.5

40

~50

4~5

6~8

10〜12

1.0

1.0

0.70

0.80

0.45

0.4

0.65

0

0.8

0.8

0.6

0

0.22

0.24

J3sl

、J3s5

3计算原理

3・1围堰建基面抗滑稳定计算

围堰建基面抗滑稳定根据承载力极限状态确定，采用《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）及《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）推荐的公式计算：

a.基本组合

采用下列极限状态设计表达式：

1f

曲一R（宀5）

%rm

式中：

丫0—结构重要性系数f对于结构安全级别为］、II和II【级的结构或构件，可分别采用1.1、1.0、0.9;

V——设计状况系数”对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取用1.0、0.95、0.85；

作用效应函数S（・）=工几

抗滑稳定抗力函数恥）=几工％+也

式中：

"—坝基面上全部切向作用之和,kN；

——坝基面抗剪断摩擦系数；

c；——坝基面抗剪断占聚力，kPa。

Yc——永久作用分项系数”见表3-1；

rQ——可变作用分项系数”见表3-1；

Gk永久作用标准值；

2——可变作用标准值;

g—几何参数的标准值;

A—1才料性能的标准值;

Ym_料性能分项系数，见表3-2；

Ydi——基本组合结构系数，见表3-3；

b.偶然组合

采用下列极限状态设计表达式：

rQy/S（/GGK，rQQK,AK,aK）＜—R^,aK）

式中：

Ak—偶然作用代表值；

Yd2——偶然组合结构系数，见表3-3。

«3-1作用分项系数

序号

作用类别

分项系数

1

自重

1.0

2

水压力

1）静水压力

1.0

2）动水压力：

时均压力、离心力、冲击力、脉动压力

1.05、1.1、1.1、1.3

3

扬压力

1）渗透压力

1.2

2）浮托力

1.0

3）扬压力（有抽排）

1.1（甜水孔之前）

4）残余扬压力（有抽排）

1.2（甜水孔之后）

4

淤沙劭

1.2

5

浪压力

1.2

S3-2材料性能分项系数

序号

材料性能

分项系数

备注

1

抗剪断强度

1）混凝土/基岩

摩擦系数f‘R黏聚力JR

1.3

3.0

2）混凝±/混凝土

摩擦系数f‘c黏聚力c，C

1.3

3.0

常态混凝土层面

3）基岩/基岩

摩擦系数f‘d黏聚力C，d

1.4

3.2

4）软弱结构面

摩擦系数f‘d黏聚力C，d

1.5

3.4

2

混凝土强度

抗压强度fc

1.5

表3-3结构系数

序号

项目

组合类型

结构系数

备注

1

抗滑稳定极限状态设计式

基本组合偶然组合（校核洪水）

1.2

1.2

包括建基面、层面、深层滑动面

2

混凝土抗压极限状态设

计式

基本组合偶然组合（校核洪水）

1.8

1.8

3.2建基面（层面）应力

围堰体型跟重力坝体型相似，故围堰的稳定和应力计算参照重力坝规范进行计算。

围堰建面应力根据正常使用极限状态确定，采用《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）推荐的公式计算:

正常使用极限状态作用效应的短期组合采用下列设计表达式：

%Ss（Gk，©，人,

正常使用极限状态作用效应的长期组合采用下列设计表达式：

YqS、（Gk,pQk5CJ

式中：

Cl、C2——结构的功能限值；

Ss（XSi（）——作用效应的短期组合、长期组合时的效应函数；

沧、S——正常使用极限状态短期组合、长期组合时的结构系数；

P——可变作用标准值的长期组合系数,本工程取P=lo

长期、短期组合下坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）,计算公式为空+工MA二0

AeJ

式中：

IWr——围堰建基面法向作用之和,kN,向下为正；

IMr——全部作用对建基面形心的力矩之和,kN.m逆时针方向为正；

Ar建基面的面积，m2;

Tr——建基面形心轴到上游面的距离，m；

Jr——建基面对形心轴的惯性矩fm4o

长期组合下上游坝面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力），计算公式为^Wc*工McTc'>0

AcJc

式中：

p/c——计算截面上全部法向作用之和，kN,向下为正；

IWc——全部f乍用对计算截面形潮力矩之和,kN.m”逆时针方向为正；

Ac——计算截面的面积，m2;

Jc——计算截面面积对形心轴的惯性矩，m4;

Tc——计算截面形心轴到上游面的距离fm。

短期组合下游坝面的垂直拉应力计算公式为：

式中：

Tc——计算截面形心轴到下游面的距离。

3.3大坝沿软弱结构面深层抗滑稳定计算

坝基深层存在缓倾角软弱结构面时，具有单滑动面、双滑动面和多滑动面，可根据地质结构模型分析确定控制性滑动面，进行极限状态抗滑稳定分析。

双斜滑动面为最常见情况，如下示意图8・1。

图8-1双斜滑动面示意图

采用刚体极限平衡等K法，根据《混凝土重力坝设计规范》

（SL319-2005），按抗剪断强度公式和抗剪强度公式，计算抗滑稳定

安全系数。

1）采用抗剪断强度公式计算。

考虑ABD块的稳定，则有:

（E.0.2一

/；[（W+Gl）cosa-Hs]na-Qs]n（（p-a）-Ul+U3sina]+c；A1

（W+GJsina+Hcosa-/cosa-Qco^（p-a）

1）

考虑BCD块的稳定，则有：

（E.0.2-2）

K，f2\Picos0+Qsin（0+J3）-U2+UZsiii/7]+c\A2

Qcos©+0）-G?

sin0+〃3cos0

式中：

K,K\—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；基本组合：

KM3.0,特殊组合

（1）：

KM2.5,特殊组合

（2）：

KM2.3；

W—作用于坝体上全部荷载（不包插扬压力，下同）的垂直分值,kN：

H—作用于坝体上全部荷载的水平分值,kN；

Gi、G：

—分别为岩体ABD、ECD重量的垂直作用力,kN；

f\xf2一分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数;

C：

、C；—分别为AB、EC滑动面的抗剪断凝聚力,kPa：

AisA2—分别为AB、EC面的面积,m，：

a、B—分别为AB、EC面与水平面的夹角；

Ui、Un、5—分别为AB、EC、ED面上的扬压力,kN：

Q—分别为BD面上的作用力，KN；

（P-BD面上的作用力Q与水平面的夹角。

夹角q＞值需经论证后选用,从偏于

安全考虑（P可取0°0

2）采用抗剪强度公式计算。

对于采取工程措施后应用抗剪断强度公式计算仍无法满足要求的坝段，可采用抗剪强度公式（E.0.3-1）,公式（E.0.3-2）计算抗滑稳定安全系数。

考虑ABD块的稳定，则有：

（E.0.3-1）

K_/」（W+Gjcosa-//sina-Qsin（（p-a）-U{+U3sina\

1（W+Gjsina+Hcosa-U3cosa-Qcos（（p-a）

考虑ECD块的稳定，则有：

（E.0.3-2）

K_fz\p2cos/74-Qsin（＜p+J3）-U2+U3sin^]Qcos@+fl）-G2sin/3+U3cosft

式中：

Ki、Ki一一按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数：

基本组合：

K21.35,特殊组合

（1）：

K21.2,特殊组合

（2）：

K21.1；

A、f2一一分别为AB、EC滑动面的抗剪摩擦系数

4计算结果及分析

根据确定的宽顶堰过流量,按宽顶堰和台形堰两种计算原理进行上下游围堰拆除高程计算,以确定三期上下游围堰拆除的高程。

上游围堰堰前水位取大坝坝前水位,上游围堰堰后水位取溢流坝下游水位；下游围堰堰前水位取大坝下游水位，下游围堰堰后水位取大中坝（中坝址）州尾水位进行初略计算。

各平率洪水上下围堰过流流量见表4-1。

表各平率下围堰过流流量

洪水平率

总流量Q（m3/s）

上游围堰过流量Q（m7s）

下游围堰过流量Q（m7s）

5

42600

4039

4039

10

47800

4808

4808

20

52600

5050

5050

4・1上游围堰拆除计算

按照表4-1的泄流能力对三期上游围堰进行拆除，表4-2、4-3为分别用宽顶

堰和台形堰计算原理对上游围堰拆除高程的计算参数表,表4-4、4-5为计算结

表牛2上游围堰拆除高程水力计算参数（室顶堰原理）

洪水平率（年）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

流量系数加

淹没系数＜7

收缩系数£

过水宽度B

（m）

5

190.69

190.14

0.34

0.97

1

435.90

10

192.07

191.46

0.34

0.97

1

440.63

20

193.35

192.68

0.34

0.98

1

445.61

表牛M上游围堰拆除高程水力计算参数（台形堰原理）

洪水平率

（年）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

自由出流系数加卩

淹没出流系数蚣

过水宽度B

（m）

5

190.69

190.14

0.351

0.912

435.90

10

192.07

191.46

0.355

0.922

440.63

20

193.35

192.68

0.351

0.913

445.61

宽顶堰上下游坡度均取为1.5f在堰顶长度厶满足：

9加＜厶＜82加时,符合宽顶堰的计算条件，故可以按照宽顶堰公式进行计算。

表4-4为按宽顶堰原理计算开挖高程的成果表，表4-5为按台形堰公式计算的开挖高程计算成果表。

用宽顶堰计算的围堰上下游水深均小于用台形堰原理计算出来的水深，可知用台形堰原理计算的开挖高程更低。

表4-4上游围堰拆除高程计算成果（室顶堰原理）

洪水平率（年）

过流量

（m3/s）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

上游水头

（m）

下游水头

（m）

开挖处高程

（m）

5

4039

190.69

190.14

3.43

2.88

187.26

10

4808

192.07

191.46

3.82

3.21

188.25

20

5050

193.35

192.68

3.89

3.22

189.46

表@5上游围堰拆除高程计算成果（台形堰原理）

洪水平率（年）

过流量

（m3/s）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

上游水头

（m）

下游水头

（m）

开挖处高程

（m）

5

4039

190.69

190.14

3.65

3.10

187.04

10

4808

192.07

191.46

4.04

3.43

188.03

20

5050

193.35

192.68

4.10

3.43

189.25

4.2下游围堰拆除计算

按照表4-1的泄流能力要求分别对三期下游围堰进行拆除，表4-6、4-7为分别用宽顶堰和台形堰计算原理对上游围堰拆除高程的计算参数表，表4-8、4-9为计算结果表。

表4-6下游围堰拆除高程水力计算参数（室顶堰原理）

洪水平率

（年）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

流量系数加

淹没系数<7

收缩系数£

过水宽度B

（m）

5

190.14

189.28

0.34

1

1

433.82

10

191.46

190.65

0.34

1

1

43832

20

192.68

191.85

0.34

1

1

443.01

表4-7下游围堰拆除高程水力计算参数（台形堰原理）

洪水平率

（年）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

自由出流系数加卩

过渡出流系数必

过水宽度B

（m）

5

190.14

189.28

0.349

0.939

433.64

10

191.46

190.65

0.352

0.934

43&16

20

192.68

191.85

0.351

0.934

442.81

下游宽顶堰上下游坡度均取为L5,在堰顶长度厶满足：

9m

表4-8为按宽顶堰原理计算开挖高程的成果表”表4-9为按台形堰公式计算的开挖高程计算成果表。

用宽顶堰计算的围堰上下游水深均小于用台形堰原理计算出来的水深，可知用台形堰原理计算的开挖高程更低。

表4-8上游围堰拆除高程计算成果（室顶堰原理）

洪水平率（年）

过流量

（m3/s）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

上游水头

（m）

下游水头

（m）

开挖处高程

（m）

5

4039

190.14

189.28

3.37

2.51

186.77

10

4808

191.46

190.65

3.76

2.95

187.70

20

5050

192.68

191.85

3.86

3.03

188.82

表4-9上游围堰拆除高程计算成果（台形堰原理）

洪水平率（年）

过流量

（m3/s）

堰前水位

（m）

堰后水位

（m）

上游水头

（m）

下游水头

（m）

开挖处高程

（m）

5

4039

190.14

189.28

3.46

2.60

186.68

10

4808

191.46

190.65

3.84

3.03

187.62

20

5050

192.68

191.85

3.96

3.13

188.72

4・3结果分析

因为过水围堰这种特殊的过水建筑物，计算时分别用宽顶堰计算原理和台形堰计算原理对上下游围堰的拆除高度进行了计算分析上下游围堰拆除高度见表4-10o

表410上、下游围堰拆除高程计算成果表

洪水平率

（年）

上游围堰拆除高程（m）

下游围堰拆除高程（m）

宽顶堰公式计算

台形堰公式计算

宽顶堰公式计算

台形堰公式计算

5

187.26

187.04

186.77

186.68

10

188.25

188.03

187.70

187.62

20

189.46

189.25

188.82

188.72