王向偉

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

溢洪道是水庫樞紐工程的重要組成部分，其主要任務(wù)是宣泄洪水以保證主體水工建筑物的安全[1]，溢洪道通常是由進(jìn)口段、控制端、泄槽段以及消能防沖設(shè)施和水渠組成[2]。結(jié)合國內(nèi)溢洪道設(shè)計情況及研究成果，岸邊溢洪道可分為正槽溢洪道、側(cè)槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等，正槽溢洪道被廣泛采用，也較為典型[3- 8]。本文以甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣花崖水庫水源地工程岸邊溢洪道的泄槽段為例，對設(shè)計泄槽的漸變段進(jìn)行荷載分析、穩(wěn)定計算和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。

1 工程概況

甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣花崖水庫水源地工程總庫容204.20萬m3，興利庫容為131.30萬m3，年可供水量237.0萬m3，屬Ⅳ等小(1)型工程。溢洪道布置于左岸岸邊，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。泄槽段坡比為1∶10，泄槽漸變段長度為18m，側(cè)墻頂部寬為0.3m，側(cè)墻底部寬為0.65m，漸變段底寬由6.0m漸變?yōu)?.0m，漸變段側(cè)墻高度由3.5m漸變?yōu)?.0m，漸變段底板厚度為0.8m，漸變段后接泄槽槽身段，其長度為59m。泄槽段底板與邊墻為整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，溢洪道最大下泄量為27.57m3/s。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 溢洪道泄槽漸變段結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 泄槽段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

本工程溢洪道泄槽漸變段側(cè)墻上的基本荷載有：墻身自重、填土自重、土壓力、正常蓄水位時靜水壓力及揚(yáng)壓力、設(shè)計洪水位時的動水壓力；特殊荷載主要包括校核洪水位時的靜水壓力及揚(yáng)壓力、動水壓力等。溢洪道泄槽段斷面水深變化較大，為簡化計算，主要考慮基本荷載的作用，選用泄槽漸變段的斷面作為計算斷面。其計算簡圖如圖2所示。

墻后填土類型為碎石土，取γ土=20kN/m3，填土內(nèi)摩擦角φ=42°，由于溢洪道泄槽段基礎(chǔ)為巖石，地基容許承載力[R]=450kN/m3，泄槽與基地的摩擦系數(shù)f=0.40。

圖2 溢洪道泄槽漸變段計算簡圖

作用力作用力名稱代號計算式作用力值/kN力臂/m力矩/(kN·m)↓→墻身G10.3×3.5×2526.25 3.1582.69 墻身G20.35×3.5×0.5×2515.31 3.4252.32 墻身G33.65×0.8×2573.00 1.83133.23 填土G40.35×3.5×0.5×2515.31 3.5354.10 土壓力Pa0.5×20×(4.3^2)×0.1980.0036.611.43 52.47合計 129.8836.61 322.33269.86

表2 A′點(diǎn)的力、力矩的計算表

2.1 主動土壓力的計算

(1)

(2)

泄槽側(cè)墻墻體及回填碎石土、土壓力對側(cè)墻底板A點(diǎn)產(chǎn)生的力、力矩計算見表1。

泄槽側(cè)墻墻體及回填碎石土、土壓力對側(cè)墻底板A′點(diǎn)產(chǎn)生的力、力矩計算見表2。

2.2 泄槽段的穩(wěn)定計算

根據(jù)SL253- 2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，按抗剪強(qiáng)度公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[Kc]=1.05，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)[K0]=1.50，取單位長度1m進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下：

(1)抗滑穩(wěn)定計算

(2)抗傾覆計算

3 荷載及結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

3.1 荷載計算

溢洪道在過水情況下，側(cè)向水壓力將抵消部分作用于側(cè)墻外側(cè)的土壓力，對結(jié)構(gòu)受力有利，因此結(jié)構(gòu)的計算控制工況應(yīng)為溢洪道泄槽內(nèi)無水時，即不考慮水壓力的作用，荷載組合為土壓力及結(jié)構(gòu)自重[10]。以下計算的荷載，用于計算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計算時所采用的內(nèi)力設(shè)計值。

(1)作用于側(cè)墻頂部水平分布土壓力強(qiáng)度qt1、側(cè)墻底部水平分布土壓力強(qiáng)度qt2及側(cè)墻分布荷載強(qiáng)度總和q1、q2的計算。

(3)

(4)

式中，γG—垂直土壓力的作用分項系數(shù)，取1.1；γ—填土的濕重度，kN/m3；Hd—填土高度，m；φ—填土內(nèi)摩擦角；H—側(cè)墻高度，m。

作用于側(cè)墻的分布荷載總和為水平分布土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力之和。本工程內(nèi)水壓力和外水壓力均為0，則q1a=qt1a=0，q2a=qt2a=19.99kN/m，q1b=qt1b=0，q2b=qt2b=11.42kN/m。見表3。

表3 水平分布土壓力強(qiáng)度計算表 單位：kN/m

(2)作用于底板底面垂直均布荷載總和q3的計算

作用于溢洪道漸變段底板底面的垂直均布荷載總和q3為地基反力和池內(nèi)水重之和。因地基反力按均勻分布考慮，底板自重及池內(nèi)水重均與其產(chǎn)生的地基反力相抵消，計算地基反力時可只考慮側(cè)墻重。本工程內(nèi)水壓力為0，因此作用在底板底面的垂直均布荷載總和q3為側(cè)墻產(chǎn)生的地基反力之和，即：

(5)

式中，γG—自重力作用的分項系數(shù)，取1.05；γc—鋼筋混凝土重度，取25kN/m3；d—側(cè)墻厚度，m；B1—消力池寬度，m。

經(jīng)計算，本工程溢洪道漸變段底板底面垂直均布荷載總和q3a、q3b分別為11.96kN/m和10.5kN/m。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

溢洪道泄槽段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算主要是側(cè)墻內(nèi)力，側(cè)墻內(nèi)力計算主要有側(cè)墻底部彎矩、側(cè)墻跨間最大彎矩。計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

經(jīng)計算，本工程溢洪道漸變段側(cè)墻底部彎矩M分別為-16.33kN·m和-3.05kN·m；側(cè)墻頂部支撐反力Rc分別為6.99kN和2.28kN；側(cè)墻跨間最大彎矩Mmax分別為7.29kN·m和1.36kN·m。

4 結(jié)論

(1)在滿足溢洪道下泄流量的情況下，本文對溢洪道設(shè)計斷面進(jìn)行了荷載分析、力矩計算、泄槽段的抗滑穩(wěn)定和抗傾覆計算，其計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(2)本工程溢洪道規(guī)模小，泄槽段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算值也相對較小，以矩形截面截面受彎構(gòu)件計算溢洪道泄槽的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，是偏于工程安全。

(3)莊浪縣花崖水庫水源地工程采用岸邊式溢洪道，經(jīng)過水力學(xué)計算所采用的溢洪道斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，基本能夠保證水流平穩(wěn)下泄，滿足設(shè)計要求。