辽河水库挡水建筑物设计分析

王洪波

(黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨 150080)

辽河流域大部分地区属温带半湿润半干旱的季风气候。辽宁省强降水集中在7—8月，而且多为强降雨，降雨的时空分布不均匀造成了辽河水资源的浪费[1]。近45a来辽宁的干旱有增加趋势、洪涝减少[2]。由于气候影响，辽河流域内洪水频繁，辽河水无法存活生物，无法用于灌溉，更无法供人畜饮用。据统计辽宁省粮食产量稳定在400亿斤，但是辽宁省的水库问题已经逐渐的制约着辽宁粮食产量的发展，如果不加以解决，必将影响粮食的产量[3]。的辽河水库枢纽设计采用混凝土重力坝设计符合国内外水利开发形势要求，且满足当前发展阶段的技术要求。水电站包括挡水建筑物，泄水建筑物，闸门，用水建筑物，厂房等，挡水建筑物是用提高上游水位，调蓄流量，拦截水流，阻挡河流泛滥而建造的，文章针对辽河水库的挡水建筑物进行设计[4]。水利工程施工过程中, 挡水及导流建筑物能否可靠拦泄洪水与安全度汛, 直接关系到工程进度、质量、造价甚至工程成败。

1.工程概况

辽河水库重力坝枢纽位于辽宁省内。水库的主要任务是以农田灌溉为主，结合防洪、养鱼，并考虑水量的年中用量分配，兼季节性发电，使水库达到综合利用目的。根据水利经济计算及调洪演算，水库最大库容为1.86亿m3，根据农田水利规划，可灌水田1.67万hm2，旱田8667hm2。水库校核洪水位为62.7m，相应下泄量2500m3/s，下游水位38.0m；水库设计洪水位为61.35m，相应下泄量1800m3/s，下游水位36.5m；水库正常水位为60.0m，死水位高程为43.0m，吹程为2.7km，多年平均最大风速为17m/s。

2 设计内容

2.1 坝型选择与主要建筑物的选择

混凝土重力坝工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，不设纵缝，可使用大型通用施工机械设备，降低工程造价。因此综合各方面因素考虑，本设计选择修建混凝土重力坝。

2.2 枢纽布置

1)溢流坝段：净宽 B=60m，位置在(0+178-0+248)桩号内，闸门采用弧形钢闸门，露顶式，型号为 SDJB—78；闸门尺寸：半径为 R=8.4m，共 5 孔。

则闸门总宽为：

B总=nb+(n-1)

(1)

式中：B总为闸门总宽度；n为闸门孔数，n=5；b为闸门宽，b=12m；t为闸墩厚，t=2.0m

因此，闸门总宽为68m。

2)挡水坝段：位于溢流坝段两侧。

3)输水洞：设置在河床右岸(0+133)处，出口高程 37m。

4)电站：采用河床电站，使其起到挡水作用，从而节省挡水建筑物的投资。设置在河床右岸(0+138-0+178)处，共 4 台机组，装机容量为 320 千瓦，尺寸为 5×18m2。

5)开挖岩石高程 27m。

2.3 挡水建筑物的设计

2.3.1 挡水建筑物的选择

考虑各方面压力影响选择类似梯形断面的混凝土重力坝,上部为矩形截面防浪墙。上游和下游坡面分别采用不同的坡比，以更好的承载上下游水位的不同而产生的不同大小的水压力。混凝土重力坝因其较好的强度和稳定条件，现普遍适用于国内外各种大中小型水利工程。

2.3.2 挡水建筑物的尺寸设计

2.3.2.1 确定坝顶高程

1)波浪压力：

波浪压力的计算采用官厅水库公式：

(2)

L=10.4(hl)0.8

(3)

(4)

式中：hl为波高；L为波长；hz为波浪中心线高于静水面产生的雍高；V0为计算风速=1.5倍的多年平均最大风速，取1.5×17m/s=25.5m/s；D为吹程=2.7km

计算得到：hl=1.324m；L=13.02m；hz=0.41m

官厅公式gD/V02=41.52，位于20-250之间，因此累计频率 5%的波高h5%=1.324m，则h1%=1.24h5%，可得h1%为1.642m；在校核洪水期，取V0=V=17m/s，则hl=0.79m；L=8.28m；hz=0.211m；此时gD/V02=93.43。位于20-250之间，累计频率 5%的波高h5%=0.79m，则h1%=1.24h5%，可得h1%为0.98m。

2)坝顶高程的确定：

坝顶高程一般高于校核洪水位，且上游防浪墙高程高于波浪顶高程。

△h=h1%+hz+hc

(5)

式中：△h为防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差；h1%为累计频率为1%时的波浪高度；h2为波浪中心线到静水位的高度；hc为安全加高。按表1取得。

表1 安全加高hc

△h设=h1%+hz+hc

(6)

hf设=hd+△h设

(7)

△h校=h1%+hz+hc

(8)

hf校=hx+△h校

(9)

其中：hf设为设计洪水位对应防浪墙高程；hd为计洪水位；hf校为校核洪水位对应防浪墙高程；hx为校核洪水位防浪墙高程选用较大值，因此坝顶高程为65m确定坝顶宽度坝顶宽度取坝高的8%-10%，在5.44-6.5m之间，取6m。

解得：△h设=2.525m；对应防浪墙高程为63.875m；△h校为1.591m；对应防浪墙高程为64.291m。

2.2.3.2 确定坝体断面

1)坝基强度条件：

(10)

式中：γ为浆砌石容重，取22kN/m3；γ0为水的容重=9.8kN/m3假定λ=0，α=0.5，可以得到: 坝基强度条件B/H=0.757

2)坝基稳定条件K：

(11)

式中：f为混凝土砌体与基岩间摩擦系数，取0.68；k为抗滑稳定安全系数，取3.0。解得坝基稳定条件B/H=2.3887。由于稳定条件大于强度条件，因此将稳定条件作为控制因素进行计算。

2.2.3.3 确定坝体断面尺寸

依据工程经验，上游坝坡坡率取n=0.2(0-0.2)，下游坝坡率m=0.8(0.6-0.8)，则底宽B=25×0.2+6+28×0.8=33.4m。

2.3.3 重力坝稳定分析

2.3.3.1 设计情况下的荷载计算

1)坝体自重：

(12)

式中：G1为主坝重量；V1为主坝体积；G2、G3为付坝重量；V1、V2为付坝体积。解得G1=5392kN；G2=664.7kN；G3=7212.8kN。

2)水平水压力：

(13)

(14)

式中：P1为上游水压力；P2为下游水压力；γ0为容重9.8；上游坝高H1为35.35m；下游坝高H2为9.5m。

解得：上游水压力P1为6123.15kN；下游水压力P2为442.23kN。

3)水重：

Q1=γ0V1

(15)

Q2=γ0V2

(16)

Q3=γ0V3

(17)

式中：Q1为主坝水重；Q2、Q3为下游水重。

解得Q1=507.15kN；Q2=612.5kN；Q3=353.78kN。

4)浪压力：

由于坝前水深H1=35.5>L/2，所以为深水坡：

(18)

P1静水面以下=γ0(L/2)2/2

(19)

式中：L为为波长13.15m；h1为波高1.341m；hz为波浪中心线高于静水面产生的雍高0.43m；

解得：P1静水面以上=268.96kN；P1静水面以下=211.89kN。

5)泥沙压力：

水平方向泥沙压力计算公式为：

PH=γ浮h2tan2(45°-φ/2)/2

(20)

γ浮=γ饱-γ0

(21)

式中：γ浮为淤沙浮容重；H为淤沙高度，取16m；Φ为淤沙内摩擦角，取φ=16°。计算得PH=486.98kN；γ浮为6.7kN。

垂直方向泥沙压力：

Pv=γ浮nh2/2

(22)

式中：n为孔隙率，取n=0.2。

计算得Pv=171.52kN。

6)扬压力：

帷幕到上游面的距离一般应取坝面作用水头的0.05-0.1倍，并且≥ 3m。采用分部计算，计算过程如下：

U1=γ0BH2

(23)

式中：B为坝底宽度，m；H为上下游水位差，m。

计算得U1=9.8×9.5×33,4=3109.54kN

U2=γ0α2H(B-b1-b2)/2

(24)

式中：α2为排水处消减系数，一般取0.2-0.4，本设计取0.3；b1为帷幕上游

边到上游坝面的距离；b2为帷幕下游边到排水设备的距离。

计算得U2=961.39kN

U3=γ0(α1H+α2H)b2/2

(25)

式中：α1为灌浆处消减系数，一般取0.45-0.6，本设计取0.5。

计算得U3=152kN

U4=γ0(α1H+H)×b1/2

=(0.5×25.85+25.85)×5×0.5×9.8=950kN

(26)

2.3.3.2 设计情况下的稳定计算

上游水位61.35m，相应下游水位36.5m，则抗滑稳定安全系数Km≥1.05，因此满足抗滑稳定要求。

3 结 论

辽河水库枢纽根据收集到水文资料和工程地质资料进行了细致的设计，其中挡水建筑物进行了相应荷载计算和稳定分析，均满足设计规范要求，满足强度要求。在充分考虑当地气候条件和地质条件的情况下，本设计尽可能的充分利用当地资源，节省工程预算和工程投资。根据水文地质情况综合分析结果及其特殊的地形位置条件，决定采用混凝土重力坝。选择修建混凝土重力坝能够充分满足水库的正常运行。结合地形条件进行枢纽布置，各部分建筑物布置合理且尽最大程度减少工程投资。充分利用当地自然资源，在尽量不影响当地生态环境的情况下，发挥其最大的经济效益和社会效益。