水城县营盘水库大坝高程设计及稳定性分析.pdf
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1、大坝高程对整个水库大坝后期运行的稳定性和抵抗自然灾害的能力至关重要。不合理的水库大坝高程设计严重威胁人民生命财产安全,确定合理大坝高程设计方法具有重要意义。以某水库为例,研究了坝顶高程和建基面确定方法,同时探讨了大坝应力分析及稳定计算方法,可为相关大坝工程提供参考。关键词:水库工程;高程设计;岸堤稳定性;安全系数中图分类号:TV698.1+1文献标识码:A文章编号:1004-7328(2023)07-0021-041工程概况在建造堤坝之前,大坝高程设计对整个水库大坝后期运行的稳定性和抵抗自然灾害的能力至关重要1-4。不合理的水库大坝高程设计严重威胁人民生命财产安全,因此确定合理大坝高程设计方法
2、具有重要意义5-9。本次研究的营盘水库位于长江流域乌江水系六冲河右岸一级支流引底河源头段下马田河上、贵州省水城县金盆乡营盘村境内,距六盘水市中心城区约 64 km,距金盆乡政府约 4 km;自中心城区起沿232县道行至63 km处接新建0.984 km上坝公路即可通达坝址区。水库集雨区分水岭最高高程2 400.5 m,坝址河谷最低高程1 797.80 m,相对高差599.2 m,枯期基流11.8 L/s(2014年3月1日三角堰实测值),主河道长2.678 km。本文以该水库为例,研究了坝顶高程和建基面确定方法,同时探讨了大坝应力分析及稳定计算方法和结果,研究方法可为相关大坝工程提供参考。2大
3、坝建筑物设计2.1坝顶高程和建基面确定大坝为复合土工膜防渗碾压风化料坝,最大坝高 18.23 m,坝顶高程 1 814.00 m,根据地质情况,坝轴线处建基面高程1 798.90 m。经综合考虑,坝顶宽度定为4.5 m,采用C20混凝土路面,坝顶长度89.06 m。大坝采用复合土工膜防渗,坝基采用沿上游趾墙布设单排灌浆帷幕孔防渗,上游坝坡为12.2,下游坝坡为1 1.8,下游坝坡采用干砌石护坡并在高程1 803.10 m处设置排水棱体,坝坡与两岸连接处设置排水沟。2.2坝顶高程计算2.2.1坝顶超高确定坝顶在水库静水位以上的超高由三部分组成,即波浪爬高、风壅水面高度和安全加高,计算公式如下:y
4、=R+e+A(1)式中:y为坝顶超高(m);R为最大波浪在坝坡上的爬高(m);e为风浪引起的坝前水位壅高(m);A为安全加高(m),取值详见表 1。本工程大坝级别为 5级,处于山区、丘陵区,设计洪水位时A取0.5 m,校核洪水位时A取0.3 m。2.2.2波浪爬高计算风 浪 要 素 采 用碾 压 式 土 石 坝 设 计 规 范(SL274-2001)附录A.1.5莆田试验站公式计算:ghmW2=0.13th0.7()gHmW20.7th 0.0018()gDW20.450.13th0.7()gHmW20.7(2)Lm=gT2m2th()2HLm(3)表1安全加高值计算工况设计洪水位校核洪水位山
5、区、丘陵区平原、滨海不同级别大坝安全超高/m11.500.701.0021.000.500.7030.700.400.504、50.500.300.30海河水利212023年7月Tm=4.438h0.5m(4)式中:hm为平均波高(m);Lm为平均波长(m),需试算确定;Tm为平均波周期(s);W为风速(m/s);D为风区长度(m);Hm为水域平均水深(m);g为重力加速度(m/s2),取9.81m/s2;H为坝前水深(m)。依据 碾压式土石坝设计规范(SL274-2001),波浪高度计算所用的设计风速在设计洪水情况下采用多年平均最大风速的1.5倍、校核洪水情况下采用多年平均最大风速,水城县气
6、象站实测多年平均年最 大 风 速 为 15.7 m/s,即 W设计=1.5Wm=1.515.7=23.55(m/s)、W校核=Wm=15.7 m/s。本工程风区长度采用库区等效风区长度值,库区等效风区长度De依据库区1/2 000水库水域平面图计算。根据 碾压式土石坝设计规范(SL 274-2001),等效风区长度De按下式计算:De=iDicos2aiicosai(5)式中:De为等效风区长度(m);Di为计算点至水域边界的距离(m),i取0、1、2、3、4、5、6;i为第i条射线与主射线的夹角(),等于i7.5。根据计算结果,设计洪水位时,等效风区长度De=307.4 m。等效风区长度计算
7、如图1所示,计算成果详见表2。计算工况设计洪水位校核洪水位风速/(ms-1)23.5515.70水域平均水深/m6.9257.21坝前水深/m13.8514.42等效风区长度/m307.4307.4上游坝坡系数2.22.2平均波高/m0.215 60.138 5平均波周期/s2.061.651 8平均波长/m6.628 54.260 1图1风区长度计算简图表2风浪要素计算成果设计波浪爬高根据工程等级确定,5级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%。R5%/Rm可以由表3查得。大坝上游坝坡系数m为2.2,当m=1.55.0时,平均波浪爬高Rm采用下式计算:Rm=KKw1+m2hmLm(6)式中:K为
8、斜坡的糙率渗透性系数(m/s),上游采用六角形混凝土板护坡,查表得 K=0.9;KW为经验系数(m/s),经验系数由W/gH即风速和坝前水深确定,本工程中设计洪水位时W/gH=23.55/9.81 20.86=2.02、查表并用插值法求得KW=1.08,校核洪水位时W/gH=15.77/9.8125.339=1.32、查表求得KW=1.013;m为坝坡系数,取2.2,无量纲;hm为平均波高(m);Lm为平均波长(m)。风壅水面高度e可按下式计算:e=KW2Dcosb/2gHm(7)式中:K为综合摩阻系数,取3.610-6,无量纲;b为计算风向与坝轴线法线方向的夹角(),取0;其余变量含义同上。
9、通过计算,设计洪水位时 e 为 0.004 5 m,校核洪水位时 e 为 0.001 9 m。超高计算成果,详见表 4。表3波浪爬高计算成果计算工况设计洪水位校核洪水位平均波高/m0.215 60.138 5平均波长/m6.628 51.651 8上游坝坡系数2.22.2糙率渗透性系数/(ms-1)0.90.9经验系数/(ms-1)1.081.013平均波浪爬高/m0.480 80.289 8陆彦平:水城县营盘水库大坝高程设计及稳定性分析222023.No.7坝 顶 高 程 按 照碾 压 式 土 石 坝 设 计 规 范(SL274-2001)的规定确定,为水库静水位与坝顶超高之和。根据本工程特
10、征,按照以下3种应用条件计算,取其大者:设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高;正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高;校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。根据计算结果,大坝计算最大高程为 1 814.56 m,设 1.1 m高防浪墙,防浪墙顶高程取1 815.10 m,坝顶高程为1 814.00 m,坝高计算成果详见表5。2.3大坝应力分析及稳定分析2.3.1大坝应力分析由于本工程大坝基本坐落在强风化基岩上,既使有小部分河床坝段坐落在冲洪积层和残破积层上,在施工时也需碾压夯实,且坝体填筑对坝基影响较小,本阶段未进行大坝沉降分析。2.3.2大坝稳定分析本工程属等工程,水库的大坝、溢洪道、取水放空等主要
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