溢洪道除险加固设计.doc

5.3.2溢洪道除险加固设计5.3.2.1 溢洪道除险加固布置根据大坝安全评价报告的结论：溢洪道边墙高度不满足规范，边墙抗滑、抗倾覆系数及基底应力均满足规范要求。底板有多处裂缝，无泄槽和消能设施。为了保证溢洪道泄洪畅通，确保大坝的安全，拟对溢洪道进行修整加固，新建控制段、泄槽段、消力池及尾水渠段。溢洪道除险加固按30年一遇洪水标准设计，300年一遇洪水标准校核。其水位分别为157.63m和158.31m,相应溢洪道最大下泄流量分别为7.45m3/s和14.03m3/s。溢洪道由进水渠、控制段、泄槽段、消力池及尾水渠段组成。溢洪道总长115.797m，其中进口段40.067m，控制段10.0m，泄槽段45.73m，消力池段长10.0m，尾水渠段10.0m。本次加固对原溢洪道进水渠边墙加高，墙顶高程159.15m，拟对原进水渠底板进行修补，拆除下游进水渠约4.0m的风化石，在进水渠端部设一道齿墙，齿墙深1.5m。新建控制段长10.0m，宽3.0m，墙顶高程159.15m，底板高程为156.35m，齿墙深0.8m，底板采用C25砼400厚，新建泄槽45.728m，坡降为1：3.59，泄槽底部高程为144.08m，底板采用C25钢筋砼300厚，新建消力池，消力池池长10.0m，消力坎高0.5m，消力池底高程144.08m，消力坎顶高程144.58m，消力池底板下铺一层厚500mm的C25钢筋混凝土，消力池边墙为M7.5浆砌石边墙，为重力式挡土墙，挡土墙高2.0m，顶宽500mm，临水侧垂直，背水坡1：0.4；消力池后接尾水渠，底板及边墙为M7.5浆砌石。5.3.2.2溢洪道水力计算（1）进口段进口段水力设计应使本段内水流平顺、稳定，水面波动及横向水面比降小，应避免回流和漩涡。（2）控制段1、计算公式：采用溢洪道设计规范（SL253-2000）中宽顶堰流计算公式计算，公式为：Q =m B式中：Q流量，m3/s；B 溢洪道净宽，3m；H0 计入行进流速的堰上总水头；m 流量系数，查表得0.85； 闸墩侧收缩系数，=1；2、计算结果（1）设计水位情况:Q =m B=10.3853（210）0.5 1.541.5=7.48 m3/s计算求出的Q19.78m3/sQ设4.89 m3/s，满足泄流能力要求。（2）校核水位情况:Q =m B=10.3853（210）0.5 2.51.5=14.17m3/s计算求出的Q214.17m3/sQ校14.03 m3/s，满足泄流能力要求。根据溢洪道设计规范（SL253-2000）规定，开敞式溢洪道控制段墙顶高程，要求在下泄校核洪水时不低于校核洪水位加安全超高值；挡水时不应低于设计洪水位或正常蓄水位加波浪的计算高度和安全超高值。校核洪水+安全超高=158.85m+0.3m159.15m现状溢洪道控制段边墙顶部高程为158.54m，边墙顶高程不满足规范要求。现拟拆除原控制堰边墙，新建控制堰边墙顶高程为159.15m，可满足规范要求。（3）泄槽泄槽采用直线、等宽、对称布置。泄槽宽度选择与控制段宽度一致，净宽均为3.0m，坡比为1：3.59。泄槽的水面线根据能量方程用分段求和法计算。水流从水库经宽顶堰排至泄槽中，必然经过临界水深断面，这个断面可近似的认为是宽顶堰的最后一个断面。临界水深hk =式中：Q 相应水位下溢洪道下泄流量，m3/s； B 溢洪道宽度， m；断面1 - 1的水深h1=hkcos，为泄槽底板与水平面的夹角。根据能量方程L=Es/(i - ) =(Es1 - Es2)/(i - )式中：Es2 下游断面的断面单位能量，即 (h2+2v22)Es1 上游断面的断面单位能量，即 (h2+1v12)i 底坡坡度 平均水力坡降 L 分段长泄槽水流掺气水深按下式计算，以泄槽起始断面为0+000桩号，泄槽水流渗气水深计算结果见表5-4-1。hb式中：hb计算断面渗气水深；h 泄槽计算断面的水深；修整系数；v不渗气情况下泄槽计算断面的流速，m/s。依据规范，溢洪道泄槽边墙高度应根据计入掺气后的水面线加上0.51.5m的超高，本工程超高选用1.0m。边墙高度计算结果见表。 表5-3-2-2-1 泄槽水力计算成果表断面泄槽长度计算水深h(m)掺气增加水深(hv)掺气后水深ha(m）计算边墙高度H（m）110.000 0.4980.4981.4982220.0010.2780.0360.3141.3143345.7110.2490.0360.2851.285由上表计算结果可知，溢洪道边墙取2m，高度满足要求。（4）消能防冲1、消力池池深、池长计算根据建筑物的布置以及现场的地形地质情况，本工程的消能采用底流水跃消能，消力池形式选用消力坎消能。依据溢洪道设计规范（SL253-2000）， 消力坎高度及消力池长度采用如下计算公式：dh2-ht ZZ =Lk0.8Lh2=Fr1=V1/式中：d消力坎高度，m；Lk消力池长度，m；安全系数，取1.05；h2跃后水深，m；h1收缩断面水深，m；ht消力池出口下游水深，ht =1.0m；Q流量，m3/s；b消力坎宽度，m；消力池出口的流量系数，取0.95；L自由水跃的长度，m；v1收缩断面平均流速，m/s;Fr1收缩断面弗劳德数。本工程计算工况为300年一遇洪水(P=0.33%)，相应的泄洪流量为9.08m3/s，经计算，消力坎计算坎高Z0.451m，池长Lk12.645m。消力坎坎高采用0.5m，池长采用13.0m。5.3.2.3溢洪道结构安全计算（1）堰体稳定计算1、计算工况（1）设计洪水位工况；（2）校核洪水位工况；2、计算公式堰体抗滑稳定计算按抗剪断强度公式计算：K=式中：K 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f 堰体砼与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；C 堰体砼与基岩接触面的抗剪断凝聚力；A 堰体与基岩接触面的截面积；W 作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分值；P 作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的切向分值。堰基应力计算公式：yu= W/B+6M/B2 yd=W/B-6M/B2式中：yu，yd 垂直正应力，单位kN /m2；W作用于1 m宽 坝段上的全部荷载（分包括或不包括扬压力两种情况）在堰基面截面上的法向分力总和；M作用于1 m 宽堰段上的全部荷载（分包括或不包括扬压力两种情况）对截面形心轴力矩的总和； B堰基面截面的计算长度。3、计算成果堰体抗滑稳定计算结果见表5.3.2.3，堰基应力计算结果见表5.3.2.4。表5.3.2.3 溢洪道堰体抗滑稳定计算成果表工况名称设计洪水位（157.89m）校核洪水位（158.85m）K规范要求值K规范要求值宽顶堰30.513.024.722.5表5.3.6 溢洪道堰体基底应力计算成果表 单位：kN/m2工 况名 称 设计洪水位（157.89m）校核洪水位（158.85m）计算值规范要求计算值规范要求宽顶堰yu（含U时）6.68最大垂直正应力均小于250kN/m2且最小垂直正应力均大于07.55最大垂直正应力均小于250kN/m2且最小垂直正应力均大于0yd（含U时）1.737.44yu（不含U时）27.74437.316yd（不含U时）15.57416.930从表5.3.2.3中可知, 在各种荷载情况下，溢流堰的抗滑稳定系数均满足规范要求。从表5.3.2.4中可知，在各种荷载情况下,堰体的最大垂直正应力均小于基础最大承载力250kN/m2且最小垂直正应力均大于0，满足规范要求。（2）边墙稳定计算 计算工况：a. 溢洪道泄洪工况：校核洪水位158.85m，对应的水荷载+自重+土压力+基础扬压力+渗透压力。b. 溢洪道未泄洪工况：墙前无水，墙背水深1.5m，对应的水荷载+自重+土压力+基础扬压力+渗透压力。分别对溢洪道控制段段、泄槽、及消力池边墙的最大断面，对其进行结构稳定复核。 计算公式a. 抗滑稳定计算计算公式： Kc=式中：Kc 抗滑稳定安全系数；f 基础面与基岩接触面摩擦系数；W 作用于墙体上的全部荷载对计算滑动面的法向分值；P 作用于墙体上的全部荷载对计算滑动面的切向分值。b. 抗倾覆稳定计算计算公式： Ko=式中：Ko 抗倾稳定安全系数；My 作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；Mo 作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩。c. 基础应力验算公式计算：yu= W/B+6M/B2 yd=W/B-6M/B2yu，yd 垂直正应力，单位kN /m2，在墙踵要求大于0，其最大值要小于坝基允许压应力；W作用于单位长度墙体上的全部荷载（分包括或不包括扬压力两种情况）在边墙基础面上的法向分力总和；M作用于单位长度墙体上的全部荷载（分包括或不包括扬压力两种情况）对截面形心轴力矩的总和； B挡土墙底面面的计算宽度。 计算成果溢洪道边墙稳定、应力计算成果详见表5.3.2.3。表5-3-2-5 边墙结构稳定规范允许值 系数允许值抗滑稳定安全系数KC抗倾稳定安全系数KO 基础最大应力（Kpa）基础最小应力（Kpa）规范允许值1.31.5300300 表5-3-2-6 边墙结构计算成果表建筑物工 况KCKOyu（Kpa）yd （Kpa）备 注控制段工况a6.382.2270.145.87满足规范要求工况b3.052.0593.386.58满足规范要求泄槽段工况a4.1153.1260.798.44满足规范要求工况b3.952.4453.3315.77满足规范要求消力池工况a7.032.1355.6912.74满足规范要求工况b3.722.4159.3814.30满足规范要求计算结果表明：控制段段边墙满足抗滑稳定要求，满足抗倾及基底应力要求；消力池段边墙的抗滑、抗倾的稳定安全系数均大于规范要求的最小值，基底应力小于基础允许承载力，未出现拉应力。因此设计方案安全可行。（3）泄槽底板抗滑稳定计算泄槽段水平长度为44.051m，宽度为3m，泄槽末端与消力池连接处高程为144.08m。泄槽底板布置于强风化基岩上，采用C25钢筋砼浇筑，底板厚度为0.3m。泄槽底板设有纵横向伸宿缝，缝间间距为10m，缝内设止水，板块上下游端均设齿槽。在底板下设排水系统。1、计算方法：泄槽底板厚度为0.3m，取其中一块底板进行稳定分析计算，求出其设计情况和校核情况下的抗滑安全系数K值。取块位置及取块尺寸见溢洪道泄槽底板抗滑稳定计算取块尺寸简图。2、基本资料：（1）设计情况：P=3.33%，下泄最大流量q=4.89m3/s，库内最高水位157.89m。底板厚=0.3m， L01=45.73m，h3设=0.166m，V3设=9.825m/s，L1=1.038m。（2）校核情况：P=0.33%，下泄最大流量9.08m3/s，相应库内水位158.85m。=0.30m，L01=45.73m，h3校= 0.252m，V3校=12.02m/s ，L1=1.038m。3、抗滑稳定计算泄槽底板抗滑稳定计算采用计算公式：K=式中：G 取块计算浆砌石底板自重； 陡坡与水平面之间夹角；P 底板上水重在垂直衬砌方向的分力；P 底板上水流的脉动水压力；Pf 渗漏引起的扬压力；T 水流对底板的拖曳力；K 抗滑稳定安全系数；F 泄槽底板与地基的摩擦系数。根据试验得到的地质资料，泄槽底板与地基面的摩擦系数f取=0.40计算。泄槽底板抗滑稳定计算结果见表2。表5-3-2-7 泄槽底板抗滑稳定计算成果表序号计算情况=0.30mL01=45.73m规范要求K计算值K值1设计洪水位157.89m1.3481.05下泄流量4.89m3/s2校核洪水位158.85m1.3281.0下泄流量9.08m3/s（4）消力池护坦抗浮稳定计算消力池护坦抗浮稳定可按下式计算:K