混凝土坝坝基扬压力的设计与计算

混凝土坝坝基扬压力的设计与计算 第6期总第160期 2008年11月 浙江水利科技 ZhejiangHydroteehnics No.6TotalNo.16o November20o8 混凝土坝坝基扬压力的设计与计算 王莹 (汶上县水利局,山东汶上272501) :在混凝土坝的静力计算中,坝基扬压力是建筑物的主要外力之一,对水工建摘要 筑物如何合理地设计 和计算坝基的扬压力分布图形将具有重要意义.着重分析和讨论了灌浆帷幕和排 水孔幕等措施对混凝土坝坝基 扬压力分布的影响.基于上述的分析和探讨,最后提出了合理的防渗排水措施和其 扬压力分布图形. 关键词:混凝土坝;扬压力;排水孔;帷幕 中图分类号:TV642文献标识码:B文章编号:1008.701X(2008)06-0046-03 1问的提出 建筑在岩石地基上的混凝土坝,在上游库水压力作用 下,对坝底或坝体的任何水平截面上将产生向上的渗透压 力.当大坝下游尾水高于坝底时,则作用在坝底的力有两 部分组成,一部分是由上,下游水位差的作用下产生的渗 透压力,另一部分是坝体淹没于下游水位以下所产生的静 水浮力,超静水渗透压力与静水浮力相叠加,则组成坝底 扬压力. 关于坝底扬压力的分布图形,为了简单起见,在实际 应用中通常假定轮廓水平段的水头分布呈直线变化,而对 于轮廓的急变段(如帷幕,排水孔幕等),则认为该处水头 有集中损失,水头分布曲线在该处折断,并假定沿坝底的 水头分布自该处向上游端的上游库水压力和向下游端的下 游尾水压力均呈直线变化,如图1所示. =?\\\ff 口 一 H|=三L一7一 1 1 Hl 』1 ', I^I 图1坝基扬压力分布简图 收稿日期:2008-05-05 作者简介:王莹(1975一),女,师,大学本科,主要 从事水利工程设计工作. ? 46? 为了便于分析,通常以沿坝底的化引水头h,=(h一 //2)/(H,一/t2)(其中日,分别为上下游水位值,^为沿坝 底任意点的水位值)的分布来反映扬压力强度的分布形式. 在帷幕下游面或排水孔幕线等特定位置处的化引水头值称 为扬压力的强度系数,用a表示之,它是一个确定扬压力分 布的特定指标.显然,已知各点的化引水头^,的分布,不难 用它来推求沿坝底各点的扬压力值P,即P=H×h,+ (其中日为上下游水位差,为以坝底为基面的下游 水深). 2灌浆帷幕对坝基扬压力的影响 对于坝基设置灌浆帷幕的情况,其渗流计算可利用科 图利斯基(KoTynbcrmfi,B.B.)的研究成果【1J,并引入当量 长度(即用与帷幕抗渗效果等值的当量不透水底板长度来 代替帷幕段的阻抗)概念,用分段法进行求解.对完整与 不完整的弱透水帷幕情况(其计算简图见图2),根据上述 原理推求得到的当量长度为: = k.b'T[(T—S)]+0.5] 蹭丁二_丽+ kob'T[(一.s)]+0.5],', =u 式中:为透水坝基的深度;S为帷幕的贯人深度;为 帷幕厚度;go,K2分别为地基和帷幕的渗透系数;,r分别 为帷幕上游和下游面渗流弯曲的阻力系数(其值随S/T及 厶/和/而变,它可由图3中的曲线查得);其余符号见图 2所示. 分析上式后可见,弱透水帷幕的防渗效果与帷幕的相对 贯人度S/T以及帷幕与地基的渗透系数的比值(/)等 因素有关,当S/T=0或者/go=1时,则帷幕的当量长度 L=,即帷幕不起作用.为了保证帷幕有足够的防渗效果, 不仅要使其有足够的贯入深度,并还须保证帷幕有足够低的 渗透性.关于帷幕的设置位置,根据理论分析,从降低坝基扬 压力的效果来说,帷幕位置愈靠近坝踵,则其降压效果愈好, 因此在条件允许的情况下,帷幕位置应尽可能地靠近坝 总第16o期?浙江水利科技?2008年第6期 踵.对坝基设有弱透水防渗帷幕的情况,根据上式算得帷幕 分段的当量长度值后,则就不难求得沿坝底各点单位水 头系数h/H的分布,由计算简图(图2)可知,位于幕前的单 位水头为h/H=(+厶)/(L.++厶),位于幕后单位水 头为hlH:/(L.+十厶),而帷幕段的水头损失为? = 厶日/(厶++厶),故帷幕的防渗效果完全取决于帷幕 的当量长度厶. 图2弱透水帷幕渗流计算简图 | |f /|| }l ,' /}|| || /7//| /:f|I /,/A //,,. ///々 ///\ / ,/// /// i/1J /// //,/一,,r ;年, 图3确定帷幕分段上下游面渗流 弯曲阻力系数关系曲线图 3坝基排水孔幕对坝基扬压力的影响] 在不透水底板下为有限深的均质含水层中,设置排水 孔幕轴线平行于上游水源线和下游排水线的长列等问距的 承压完整与不完整排水孔幕系统(见图4);如满足条件 厶/a>1,LJa>1,Ll/T>2,/T>2时,则根据本奈特 (Bennett,P.T.)提出的附加阻抗概念,其渗流计算公式可简 化概括为: 一 go= a[(日1一Ho)L2+(一凰).][In(口,2矾)++] 27rLl+a(Ll+)lIn(a/2:rr~)++j (2) 一 Ho= o[(一风)+(一风)][In(o/)++] —?面万 式中:凰为排水孑L的出口水位;Ha,分别为排水孔系 轴线平面的平均测压管水位和透水层顶部孔间中心点的测 压管水位;a为排水孔孔距;为排水孔半径;H,,分别为 上,下游水位;L.,t.2分别为上游来流和下游出流长度; 分别为排水孔的不完整度以及两侧孔对中间孔的影响所产 生的附加阻力系数. ———— If\ |』f1 r J 1『JIJ }广II——————fI 一2r If r T 图4排水孔幕渗流计算简图 按陈济生的近似公式: = 【1+lncsc7rS](4) 按吴世余电拟试验资料得出的经验公式: : (一1)(1一亭)z(5) 当a>2T时,则可假定=O;l:2_h式中s为排水孔的 贯人深度. 在排水孔幕设计中,圮,为控制坝基扬压力的重要参 数,实际应用时,以大值作为孔系的允许测压管水位加以限 制.排水孔幕的减压效果取决于孔位,孔径,孔距,孑L深以及 孔的出水口高程等因素.孔位应尽可能靠近坝踵,但距离太 近,会使排水孔附近的渗流集中,而导致渗流坡降过大,可能 会影响基岩的渗透稳定,故应使其距坝踵有一定距离,若排 水孔幕与帷幕联合使用时,则排水孔幕应在帷幕下游的适当 位置,使通过帷幕的渗水能得到充分排除,排水孔孔径取决 ? 47? 总第l60期?浙江水利科技?2008年第6期 于施工条件和造孔机具,目前常用的孔径为10,15am,为有 效地控制排水孔幕轴线位置的测压管水位,排水孔孔距一般 采用35in,孔深可根据地层情况,水头差和坝底宽度等因 素确定;排水孔的贯人度$/T常为0.5,0.75,如地层中有透 水性较大的岩层时,则排水孔应尽可能穿过此层,否则渗水 会绕过幕底,而使下游的扬压力回升.由上述计算公式可知, 当其它条件已定,排水:EL~L系的测压管水位随孔的出口水位 的降低而减小,排水孔孔系的出口水位越低,则其排渗减压 效果越佳.根据排渗减压要求不同,孔幕的排水系统有自流 (出口水位高于下游水位)和抽排(出口水位低于下游水位)2 种排水型式.降低排水孔幕系统出水口高程对降低扬压力虽 十分有效,但往往会使排水孔幕附近的渗透比降增大,这有 可能会影响帷幕或基岩的渗透稳定性,因此在满足设计要求 的前提下,过分地降低排水孑L的出口水位是没有必要的.对 深厚的透水地层,当采用单排排水孔幕不能满足设计要求 时,则可采用多排排水孔幕系统. 4对坝基扬压力的设计 如何合理地设计和选择坝基扬压力分布图形,这是一 个十分重要的问题,在设计过程中应予以充分重视.对坝 基不设灌浆帷幕和排水孔幕情况,坝基扬压力分布可按上 游坝踵为全水头,下游坝趾为尾水位,中间呈直线分布的 梯形图表示.这种情况,坝基总扬压力通常较大,故一般 工程均不采用这种方案,而多数实际工程,为了有效地降 低坝基扬压力,通常采用同时设帷幕和排水孔幕的方案. 对这种情况,坝基扬压力分布图形成双折线形式(见图5), 总扬压力"可按下式计算. 一 f\/\; \If山一; 圭}' 由' r 图5典型情况坝基扬压力强度分布图 采用上述设计方案,对于较均匀的地层,如果帷幕和 排水孔幕均能满足设计要求,且排水孔幕采取向下游的自 流排水形式,则在帷幕下游边线和排水孔幕轴线处的扬压 力强度系数可大致采用口=0.3,0.5,a.=0.15,0.3.由 于影响坝基扬压力的因素很多,对于不同的工程很难提出 普遍和确切的扬压力分布图形.在设计中可根据经验,并 结合试验和计算,先假定扬压力分布图形,在运行过程中, 进行原体观测加以验证.实践证明,大坝在运行过程中, 如发现实测扬压力过高时,可采取从廊道中进行补充灌浆 和增打排水孔的方法完全可达到降低扬压力的要求,因此, 在设计中没有必要把扬压力分布图形考虑得过于保守,以 免增大坝体断面和影响工程造价. u= 丢[(+a.ro—a+n,Co)H+2~H2](6)参考文献: 式中:a,a.,口.为扬压力强度系数;H.,/-12为以坝底 为基面的上,下游水位;H为上下游水位差;分别为帷幕 下边线和排水孔幕轴线至上游坝踵的距离,为坝底宽度, 其余符号同前. [i]K圃啊bc瞄B.B.,阳甲叫}脾r3I~ecc研i,ix [2]周汾,李春华.堤坝下游的排水减压井[M].北京:水利 电力出版社,19"79. (责任编辑屠福河) 钱塘江北岸海塘应对超风暴潮研究项目部分专题成果预审会在杭召开 2008年11月3日至4日,浙江省人民政府防汛抗旱指挥部办公室在杭州组织召开 了《钱塘江北岸海塘应对超标准风暴潮研究》专题一 至四的专家预审会议,专题分别为:杭州湾口外大范围风暴潮位计算,钱塘江河El 风暴潮位计算,钱塘江河口海堤前沿台风浪数值计算和 风暴特高潮位的重现期研究. 会议在专家组组长南京水利科学研究院杨正己教授主持下召开,在听取专题承担 单位浙江省水利河l=I研究院黄世昌教授的汇报后,经 过认真讨论,形成了具体的意见,认为专题所采用基础资料丰富翔实,技术路线正确,经过多次台风的验证,采用模型合适,获得的成果 基本可信,符合工作大纲的要求,各专题报告经补充完善后,可作为下一阶段研究工作的依据.同时,专家组提出了增加对不同台风路径 风暴潮验证,台风参数敏感性分析等工作的建议. 项目承担单位——浙江省钱塘江管理局局长徐有成在会上表示,一切以课题质量为要,将按照专家们的意见对专题进行修改,接受水 利部专家组的正式审查. 国家防汛抗旱总指挥部办公室,水利部水利水电规划设计总院,南京水利科学研究院,国家海洋环境预报中心,清华大学,河海大学, 中国海洋大学,国家海洋局第二海洋研究所,上海市水利设计研究院,浙江省海洋监测预报中心,浙江省钱塘江管理局,浙江省钱塘江管 理局勘测设计院等单位的专家和代表参加会议.摘自浙江水利网 ? 48?