中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司 广西南宁 530007
摘要：尼泊尔MBK水电站为引水式水电站，挡水大坝为重力坝。挡水坝稳定应力计算过程参照使用的规范是“美国陆军工程兵团（United States Army Corps of Engineers，缩写USACE）”水电工程标准。本文介绍美规下稳定应力计算的思路和计算公式，可供类似计算参考。
关键词：美国陆军工程兵团；标准；MBK；重力坝；稳定；应力计算
一、工程概况
尼泊尔Middle BhoteKoshi（简写MBK）水电站工程位于尼泊尔中部发展区巴格玛蒂专区的辛杜帕尔乔克县，工程位于加德满都东北101km，贾库的渠首工程（坝址）沿阿兰尼科公路至加德满都有约3小时的车程。
MBK水电站为引水式水电站，总装机容量102MW，设计流量50.8m3/s，总有效水头235m。水电站主要由首部枢纽、引水系统、厂房及开关站组成，其中引水系统包含进水口、引水渠、沉沙池、前池、压力涵管入口、压力涵管、引水隧洞、调压井、压力钢岔管。首部枢纽的坝顶高程为1157.0m，坝顶全长109.0m，溢流坝段布置在右岸的主河槽内，溢流坝段由4孔溢流孔组成，其中3孔为髙堰溢流孔，1孔为低堰冲沙孔，最大坝高为25.0m。进水口及冲沙池布置在左岸的台地上，沉沙池后接前池及混凝土压力涵管，压力涵管长约380m，其末端接长约 7.6km的引水隧洞。厂房离首部枢纽约10km，布置于岸边，为地面式厂房，电站尾水注入BhoteKoshi 河，厂、坝间交通为Araniko公路。
二、计算说明
MBK水电站工程挡水重力坝稳定应力计算过程参照使用的规范是“美国陆军工程兵团（United States Army Corps of Engineers，缩写USACE）”水电工程标准。计算工况包括七种：（1）完建工况（2）正常运行工况（3）标准设计洪水工况（4）完建正常地震工况（5）正常运行正常地震工况（6）正常运行最大地震工况（7）最大洪水工况。
计算基准面为以重力坝模型投影到▽1132.00m高程水平面所得投影面（矩形面）。基准面中心为原点O，顺水流方向为X轴正向，左岸指向右岸为Y轴正向，竖直向下为Z轴正方向。计算过程中各个力的大小及形心位置均通过CAD三维建模后，放在同一坐标系中求得。地震作用效应可用拟静力法计算。
三、计算工况及相应荷载条件组合
1、完建工况（非正常荷载条件UN）：（1）大坝结构自重。
2、正常运行工况（正常荷载条件U）：（1）大坝结构自重（2）上游水重（3）上游回填土重（4）上游淤沙重（5）上游静水压力（6）上游回填土压力（7）淤沙压力（8）下游水重（9）下游静水压力（10）左侧静水压力（11）右侧静水压力（12）扬压力。
3、标准设计洪水工况（非正常荷载条件UN）：（1）大坝结构自重（2）上游水重（3）上游回填土重（4）上游淤沙重（5）上游静水压力（6）上游回填土压力（7）淤沙压力（8）下游水重（9）下游静水压力（10）左侧静水压力（11）右侧静水压力（12）扬压力。
4、完建正常地震工况（极端荷载条件E）：（1）大坝结构自重（2）上游水平地震加速度。
5、正常运行正常地震工况（非正常荷载条件UN）：（1）大坝结构自重（2）上游水重（3）上游回填土重（4）上游淤沙重（5）上游静水压力（6）上游回填土压力（7）淤沙压力（8）下游水重（9）下游静水压力（10）左侧静水压力（11）右侧静水压力（12）扬压力（13）下游水平地震加速度。
6、正常运行最大地震工况（极端荷载条件E）：（1）大坝结构自重（2）上游水重（3）上游回填土重（4）上游淤沙重（5）上游静水压力（6）上游回填土压力（7）淤沙压力（8）下游水重（9）下游静水压力（10）左侧静水压力（11）右侧静水压力（12）扬压力（13）下游水平地震加速度。
7、最大洪水工况（极端荷载条件E）：（1）大坝结构自重（2）上游水重（3）上游回填土重（4）上游淤沙重（5）上游静水压力（6）上游回填土压力（7）淤沙压力（8）下游水重（9）下游静水压力（10）左侧静水压力（11）右侧静水压力（12）扬压力。
四、计算过程
1、计算公式
（1）重量计算：
G=γ•V
其中：
G为重量（kN）；
γ为重度（kN/m3）；
V为体积（m3）。
（2）水压力、扬压力：
P=γ•V，U=γ•V
其中：
P、U分别为水压力、扬压力（kN）；
γ为重度，取9.81 kN/m3；
V为体积（m3）。
（3）主动土压力、淤沙压力：
P = K•γ•V
其中：
P为土压力、淤沙压力（kN）；
K为压力系数；
γ为重度（kN/m3）；
V为体积（m3）。
（4）水平地震惯性力：
F=kh•G
其中：
F为水平地震惯性力（kN）；
kh为水平地震加速度，正常地震时取0.13g，最大地震时取0.2g；
G为重量（kN）。
（5）地震动水压力：
P =[（7/12）kh•γ•h2]•b
其中：
P为地震动水压力（kN）；
kh为水平地震加速度；
γ为重度，取9.81 kN/m3；
h为水深（m）；
b为基准面宽度，取17.5m。
（6）回填土、淤沙地震晃动作用力：
△PAE=Kh•γ•h2/[2（tanα- tanβ）]
△PAE=Kh[（γs-γ）h2/（2tanα）]
其中：
△PAE为地震回填土、淤沙晃动作用力（kN）；
kh为水平地震加速度；
γ为天然重度（kN/m3）；
γs为饱和重度（kN/m3）；
α为滑动临界角（°）；
β为回填土、淤沙表面与水平面夹角，取0°。
（7）抗滑稳定：
Ks=（f’∑W+C'A）/∑H
其中：
Ks为抗滑稳定安全系数；
f’为滑动面的抗剪断摩擦系数，取0.6；
C'为混凝土与岩石的粘结力，取300 kPa；
A为基准面面积，取479.82 m2；
∑W为竖直向合力（kN）；
∑H为水平向合力（KN）。
（8）抗倾覆稳定：
L=∑M/∑W
其中：
L为合力作用点位置到坝趾线的距离（m）；
∑M为对坝趾线的合力矩（kN•m）；
∑W为竖直向合力（kN）。
（9）基准面应力计算：
P=∑W/A±[∑（Mx•y）]/Jx ±[∑（My•x）]/Jy
其中：
P为基准面上的法向应力（kPa）；
∑W为基准面上法向分力的总和（kN）；
∑Mx为全部荷载对基准面形心轴X的力矩总和（kN•m）；
∑My为全部荷载（包括扬压力）对基准面形心轴Y的力矩总和（kN•m）；
Jx、Jy分别为基准面对形心轴X、Y的惯性矩（m4）；
A为基准面面积（m2）；
x、y为计算截面上的计算点至形心轴Y、X的距离（m）。
五、计算结果
1、计算结果：
2、允许极限值：
Note：fc' is 1-year unconfined compressive strength of concrete.
3、计算结果分析：
在本工程中，挡水坝建在岩石上，在各种工况下的抗滑、抗倾覆稳定安全系数均满足规范相应要求；在基准面应力分析中，最大压（拉）应力均小于规范中相应工况下基础应力允许值，因此建筑物是稳定的。
六、结语
美国规范和国内规范的重力坝稳定应力计算公式差别不大，但是允许极限值的差别较大。本文结合尼泊尔MBK水电站工程挡水坝其中一个坝段的稳定应力分析，介绍了参照美国规范计算时的计算思路和计算公式，可供类似计算参考。
参考文献：
[1]EM 1110-2-2100，Stability Analysis of Concrete Structures [S].
[2]EM 1110-2-2200，Gravity Dam Design [S].
[3]ACI 318M-05，Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary [S].
论文作者:卢慧东
论文发表刊物:《基层建设》2015年26期供稿
论文发表时间:2016/3/18
标签：水压论文; 工况论文; 压力论文; 应力论文; 荷载论文; 重力坝论文; 水电站论文; 《基层建设》2015年26期供稿论文;