某供水水源水库大坝设计论文_莫永胜

广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院 广西河池 547000

摘要:2009年8月至2010年5月,我国西南地区云南、贵州、广西、四川、重庆等省(自治区、直辖市)发生了持续特大干旱,给人民生活特别是城乡居民饮水带来很大困难。我国西南地区水源充足,然而由于地方发展滞后,水利投资有限,造成工程性缺水。本工程通过新建水库拦截山槽来水,解决地方乡镇水源单一、水量不足的问题。我国西南地区水源充足,然而由于地方发展滞后,水利投资有限,造成工程性缺水。本工程通过新建水库拦截山槽来水,解决地方乡镇水源单一、水量不足的问题。希望能够为其他水源工程提供借鉴。

关键词:混凝土重力坝;坝高计算;大坝安全稳定

1.工程概况

新建水源水库位为截山槽支沟成库蓄水,通过引水管线供水受水区,工程的任务是以村镇供水为主,无其他工程用途。新建水库周边为山林地,主要种植杉木,植被条件好。集雨面积0.67km2,主河长1.94km,河道平均坡降67‰。多年平均来水量50.4万m³。

区域地貌为构造剥蚀中低山中切割地貌。地形起伏变化较大,高差悬殊,河流切割较深,山坡冲沟发育,呈“V”字型,坡降大于50‰。坝轴线河床高程约为410~425m,河床窄,坡降较大,局部基岩裸露。河床两岸山坡呈基本对称的“V”型溪谷,自然坡度为20~45°。上覆第四系主要为残坡积成因(Qel+dl)粘土,下伏基岩为三叠系中统百蓬组下段(T2b1)砂页岩,薄~中厚层状,岩层走向北西,倾向北东,倾角44~69°,全~弱风化。坝基岩体分为CⅢ及CⅤ两类。CⅢ类为弱风化砂页岩,

新建水库集雨面积0.67km2,总库容40万m3,兴利库容33.6万m3,为一座小(2)型水库。水库大坝为混凝土重力坝,最大坝高为29.5m,轴线长98m。工程等别为Ⅴ等工程,主要建筑物按5级设计,其他次要建筑物按5级设计。水库正常蓄水位450.00m,20年一遇设计水位450.86m,200年一遇校核洪水位451.16m,死水位432.00m。

2. 大坝设计

2.1 大坝布置

大坝为混凝土重力坝,由左、右岸非溢流坝段、河床溢流坝段组成,总长116m,坝顶高程452.50m,最大坝高29.5m,坝顶宽度5.0m。

河床溢流坝布置为主河槽上,段长8m,溢流堰堰型为“WES”型实用堰,为开敞式溢流堰,堰顶过流净宽6m(1孔×6m)。溢流坝堰顶高程450.00m,上游坝面垂直,下游坝面斜槽段坡度1:0.75,与非溢流坝面坡度相同,泻槽段两侧设导水墙,厚度1.0m,高出坝面2.0m。消能方式为底流消能,消力池底板高程427.00m。堰顶设置连接左右岸非溢流坝段的交通桥,交通桥采用梁板桥设置,桥面宽5.0m,桥面高程452.50m。

非溢流坝总长108m,其中左岸非溢流坝布置于左侧坡面上,长57m;右岸非溢流坝布置于右岸坡面上,长度51m;大坝由4道横向将大坝分为7个坝块,其中溢流坝及取水口放水塔布置于河槽中间的坝块上,左右两侧各布置两坝块。左右岸非溢流坝坝顶宽度为5.0m,坝顶高程为452.50m,最大坝高29.5m;大坝上游铅直,下游起坡点高程为447.00m,447.00m以上为垂直,以下坡比为1:0.75。

放水塔布置在大坝中部坝块靠右侧,进口底板高程432.00m,进口设拦污栅、事故闸门各1扇,下游设一道工作蝶阀。

2.2 坝体材料分区

挡水坝为混凝土重力坝,根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)及本工程的特点,将分成6个分区,分别为:

Ⅰ区—下游坝体外部表面混凝土,采用C15混凝土;

Ⅱ区—上游水位变化区的坝体外部表面混凝土,采用C20混凝土;

Ⅲ区—上游最低水位以下坝体外部表面混凝土,采用C20混凝土;

Ⅳ区—坝体基础混凝土,采用C20混凝土;

Ⅴ区—坝体内部混凝土,采用C15混凝土;

Ⅵ区—抗冲刷部位的混凝土,采用C25混凝土;

2.3 坝基处理

拦河坝坝防渗处理拟采用坝基帷幕灌浆,拦河坝坝基帷幕灌浆采用单排防渗帷幕,其河床段深度伸入透水率为5Lu的岩体以下5m,防渗帷幕长度延伸至正常蓄水位与地下水相交处,并与河床部位的帷幕保持连续性。

3.坝顶高程计算

(1)计算方法

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)规定,坝顶应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程,其与正常蓄水位或校核洪水位的高差,应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。

Δh=h1%十hZ+hc(5.6.8-1)

Z防浪墙顶=Z静+Δh (5.6.8-2)

式中:Δh——坝顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差(m);

h1%——积频率为1%的波高(m);

hZ————波浪中心线至正常或校核洪水位的高差 (m);

hC——安全超高(m);

Z防浪墙顶——防浪墙顶高程(m);

Z静——静水位,正常蓄水位或校核洪水位(m);

本工程拦河坝按5级建筑物,正常蓄水位hc取为0.4m,校核洪水位hc取为0.3m。

波浪计算按《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)附录B.6有关公式计算。

① 波浪计算

式中:h一波浪中心线至计算水位的高度(m);

Hcr一使波浪破碎的临界水深(m);

H1%一累积频率为1%的波高(m);

H—挡水建筑物迎水面前的水深((m);

Lm—平均波长(m);

② 波浪要素计算

内陆峡谷水库波浪要素按官厅公式计算

式中: h一当gD/V02=20-250时,为累积频率5%的波高h5%;当gD/V02=250~ 1000时,为累积频率10%的波高h10%;

g一重力加速度9.81(m/s2);

D一风区长度(有效吹程)(m),取D=400m(设计)、450m(校核);

V0一计算风速(m/s),设计水位时取V0=16.5m/s,校核洪水位时取V0=11m/s,计算结果见表5.6.8-1。

根据现场调查,本工程左岸有较多的经济林,林业部门要求设计时适当考虑大坝左右两岸交通连通的问题。本工程考虑设计坝顶宽度5.0m,以满足坝顶交通要求,同时溢洪道顶部设置交通桥,连通左右岸非溢流坝,故坝顶高程除满足工程挡水要求外,还需要与交通桥桥面基本持平。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG.D60-2004)规定:“桥下水位应根据计算水位(设计水位计入壅水、浪高等)或最高流冰水位加安全超高确定”。本工程所在地极端最低温度为-5℃,河(库水)面基本不会结冰,最高流冰水位按校核洪水位计。洪水期无大漂流物,安全超高取设计洪水时取0.5m,校核洪水时取0.75m,交通桥设计桥板梁高度0.6m,则溢洪道交通桥桥面高程可按以下公式计算:

本次设计桥面高程取452.50m,由于需要考虑左右按交通问题,本次设计坝顶高程取452.50m。

4 大坝稳定安全计算

(1) 计算方法

按照《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)有关公式进行抗滑稳定及应力计算,计算工况及荷载组合见表4-1。

根据大坝剖面,对溢流坝段,非溢流坝段按抗剪断强度公式,沿建基面进行抗滑稳定及应力计算。

坝体抗滑稳定按下式计算:

式中:K/——抗剪断计算的抗滑稳定安全系数;

f/——沿滑动面上的抗剪断摩擦系数;

C/——沿滑动面上的抗剪断凝聚力;

A——建基面上截面积;

W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载(包括扬压力)对滑动平面的法向分值;

ΣP——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面上的切向分值。重力坝坝基截面的垂直应力应按材料力学公式计算:

式中:ΣW——计算截面上全部垂直力之和;

A——计算截面面积;

ΣM.X——计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和;

J——计算截面面积矩。

(2)计算简图

(3)计算成果与结论

上述计算结果表明,大坝抗剪断公式计算正常工况K’均大于3.0,校核工况K’大于2.5重力坝抗滑稳定满足要求。坝基上游端均未出现拉应力,坝基最大压应力为391KPa,小于其承载力标准值2000KPa坝基承载力满足要求。

5 结束语

本工程于2016年开工建设,截至2019年3月大坝工程已建成完工。待管线工程完工后即可发挥其供水功能,解决区域供水水源单一,供水水量不足的问题。

参考文献

[1]《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005);

[2] 中国水利水电出版社 《水工设计手册》(第二版);

[3] 中国水利水电出版社 《水力计算手册》(第二版)

论文作者:莫永胜

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第07期

论文发表时间:2019/9/3

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