重力墩在低拱坝中的应用研究

时间:2022-02-23 07:37:03

重力墩在低拱坝中的应用研究

【摘 要】 一九九二年建成的清泉水库,采用在较宽阔河谷中增设重力支撑,人力创造条件建设小型拱坝的方案,减少工程量64%,节省投资67%,经二十一年的运行证明,大坝安全可靠。其稳定分析成果,为较宽河谷中小型拱坝的建设提供一种新的设计思路。

【关键词】 拱坝 重力墩 抗滑 抗倾 稳定分析

1 基本情况

清泉水库位于新泰市青云街道旋崮河村,为小(二)型水库。流域面积0.37Km2,总库容12.5万m3,兴利库容9.8万m3,该水库于1991年秋动工兴建,92年春季竣工。

2 大坝结构型式

清泉水库坝址选在一个地形平面由阔变窄的喇叭口的进口处,基岩为坚硬花岗片麻岩,两岸山坡较陡,山体岩石完整牢固。坝址附近开挖到新鲜岩石后的河谷宽高比L/H=5.2,属较宽河谷,只适合建重力坝。为达到减少工程量,节省投资和安全实用的目的,设计时巧妙采用拱坝与重力坝相结合的复合型坝,起到了事半功倍的效果。即:河谷中央为拱坝,两端为重力坝,重力坝轴向为拱坝弦的方向,在拱坝和重力坝结合处(拱端)各建一重力墩起支座作用,可将拱端内力均匀传至两侧重力坝。其结构布置如图1示。

3 大坝主要技术参数

主坝为圆弧拱坝,拱顶弦长32米,最大坝高15.5m,L/H=2.06

通常拱坝在水压力等荷载作用下,是靠拱端两岸的山体支撑保持稳定的,只要坝址选择在整固基岩上,一般无需对其进行稳定验算。该坝不是建在拱端切线方向,而是建在拱弦方向,因而该水库拱坝稳定不单是靠重力墩、重力坝自身重力和拱端推力产生的摩擦力来共同维持。因此,需进行稳定分析。

4 大坝稳定分析

由于372.02m以下拱圈拱端支撑在基岩上,且基岩相当坚硬牢固,故只要对372.0m以上拱坝、重力墩及重力坝进行抗滑、抗倾稳定计算。本次稳定计算,是拱坝在正常蓄水位(兴利水位383.1m)水压力和均匀温升两种荷载相迭加这种最不利荷载组合力下的受力分析。

4.1 拱坝两端内力计算

拱坝是一空间壳体结构,精确分析其受力非常繁复,在实际应用中可将其简化为杆件结构计算,即用纯拱法将拱坝沿水深高度划分为高度1m的若干横向的拱圈,取每个拱圈当作无铰拱计算。

4.1.1 拱圈在水压力作用下拱端内力计算

拱端在水压力作用下,用《结构力学》中的力法计算拱端内力;轴力Np,剪力Qp,弯矩Mp,经计算:

4.1.2 拱圈在均匀温升荷载作用下拱端内力计算

参照浙江省水电局水利快吃水电设计院编的《小型拱坝》一书中的内力计算方法进行计算。即:

查《小型拱坝》表2用内插法查得。

拱坝在最不利荷载组合下拱端内力:

(1)沿重力坝轴线方向的水平推力H:

(2)沿水流方向对重力支墩的推力F1:

4.2 拱坝自重计算

为计算精确,拱坝体积仍分层计算,单层拱圈体积Vi=Air·2ψo取砌体容重γ砌=24KN/m3,则拱圈重量Wi=24×Vi(KN)。经计算,372.02m以上拱坝部分总重量W拱=20367.4KN。

4.3 重力墩自重W墩及与支墩相连的4.25m长与重力坝自重W重计算

4.4 拱坝、重力墩及重力坝所受水压力

4.5 稳定分析

本次稳定分析的方法是,坝体在最不利荷载组合作用下,先假定与拱坝相连的两端重力墩已无限牢固,首先对拱坝进行稳定分析,然后依次对重力墩和重力坝进行稳定分析。

4.5.1 抗滑稳定分析

采用钢体极限平衡法进行抗滑稳定分析。

同样方法可进行该坝段东侧坝体及与西支墩相连的重力坝的抗滑稳定计算,经计算(过程略),均能满足抗滑稳定要求。

4.5.2 抗倾稳定分析

只要重力墩和重力坝不发生倾倒,拱坝也不会倾倒。因此,只对重力墩的重力坝进行抗倾验算。

(1)重力墩的抗倾验算,重力墩受力及其力臂:

(2)重力墩东侧重力坝的抗倾验算:

先求该坝段东侧重力坝及基岩承担的滑动力F3

同理,可对该坝段东侧坝体及与西侧重力墩相连的重力坝进行抗倾验算。经验算,均能满足抗倾稳定要求。

5 结语

清泉水库自1992年春建成至今已正常运行21年时间,期间经受了多次大的洪水考验,特别是2007年8.17特大暴雨的考验,大坝均未出现任何问题,说明我们稳定计算的方法是正确的,采用的有关系数是合理的。经计算,该坝中央拱坝部分,若改为浆砌石重力坝,需增加砌体2501.6m3,每方砌体按200元计算,需增加投资50余万元,这种坝型比单纯重力坝可节省投资67%,效益相当可观。因此该坝值得在同类条件下推广应用。在应用中,为确保安全,建议采取以下措施:

(1)将拱坝两端重力墩的体积适当加大,坝基必须开挖至新鲜完整坚硬岩石(摩擦系数大),以确保坝体稳定。(2)在两岸山体稳固的前提下,适当减小拱坝的中心角2ψo以加大水平推力H,这样势必会引起拱坝应力加大,可通过适当加大拱圈厚度的方式来改善坝体应力。(3)将大坝上游面由铅直改为倾斜面,以利用部分水的重力来维持坝体稳定。

参考文献:

[1]赵文华.水工建筑物[M].北京:水利水电力出版社,1986.

[2]张宗尧,于德顺,王德信.结构力学[M].南京:河海大学出版社,1995.

上一篇:不稳定试井探边测试在B油田开发中的应用 下一篇:有关道路运输企业运营成本控制的分析