溢流面板堆石坝泄槽底板稳定及结构应力分析

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1、溢流面板堆石坝泄槽底板稳定及结构应力分析摘要：基于推导的泄槽底板抗滑稳定安全系数计算式，运用正交设计的直观分析法进行底板稳定性敏感性分析，结果表明阻滑板长度、底板长度和溢流平均速度是影响底板稳定的重要因素。从底板的抗滑稳定角度，分析及计算底板最大允许流速范围为～m/s。最后以实际工程为例，分析了泄槽底板在单一阻滑板加固作用下的抗滑稳定性以及阻滑板与底板的应力。关键词：溢流面板堆石坝；泄槽底板；稳定分析；结构应力分析　　溢流面板堆石坝是将溢洪道布置在下游堆石体上的一种新型坝体，洪水直接通过坝身泄槽向下游泄流，能够避

2、免岸边溢洪道可能存在的开挖量大、高边坡处理等问题，简化枢纽布置，降低工程造价。我国已完工的溢流面板堆石坝有新疆榆树沟大坝[1]、浙江桐柏下库[2]、辽宁夹道子水库[3]、贵州盘县白河沟水库[4]等，但目前还没有得到推广，原因是关于溢流面板堆石坝的安全隐患、经济性、结构参数的论证还很缺乏，特别是在大流量泄洪情况下的安全问题。目前没有形成成熟的溢流面板堆石坝理论分析体系，也没有具体的参考规范和技术规程，只有部分学者根据已有的工程案例，总结出在工程设计和施工中应遵循的若干准则。本文以溢洪道泄槽底板为研究对象，分析其静力

3、抗滑稳定性敏感性和最大允许流速，并以实际工程为例，对其进行稳定及应力计算。　　1泄槽底板稳定性敏感性分析　　底板抗滑稳定安全系数计算式　　目前，已建的面板堆石坝坝身溢洪道普遍采用阻滑板的底板加固措施，为现浇或预制的钢筋混凝土结构，一端与底板的上游端相连，另一端伸入坝体内部，与大坝构成一个整体，见图1。　　运用刚体极限平衡法，推导泄槽底板在单一阻滑板加固下的抗滑稳定安全系数K计算式。首先作两个假设：由于泄槽底板与阻滑板构成一个整体结构，因此将阻滑板自由端与底板下游端的连线假定为潜在的滑裂面，如图1中的虚线所示；将滑

4、裂面以上的部分视为刚体，忽略其内部土体颗粒之间、土体颗粒与混凝土结构之间的相互作用。根据滑动坡体安全系数为抗滑力与滑动力之比，得到底板的抗滑稳定安全系数K计算式为K=f[cosβ+Tsin-FΔpcos-Easinβ]sinβ+Tcos-FΔpsin+Eacosβ]　　式中：f为坝体料摩擦系数；α为泄槽底板坡角；β为可能滑动面与水平面的夹角；W1为阻滑板顶坝料重；W2为阻滑板顶底板重；W3为阻滑板顶水重；W4为一块泄槽底板上的水流自重；G1为支墩自重；G2为阻滑板自重；G3为泄槽底板自重；G4为潜在滑动面以上坝体

5、重；T为作用在底板的水流拖曳力；FΔp为脉动压力；Ea为土压力。各项水力荷载的计算公式参考相关文献[5-8]。　　正交设计法底板稳定性敏感性分析　　正交设计是利用正交表安排多因素试验，对结果进行统计分析的一种数理统计方法[9]。它能够解决以下两个重要问题。确定各因素对考察指标影响的大小顺序和主次；因素与指标的关系，即不同的因素水平下指标的变化情况。本文利用正交设计法中最常用的直观分析法，对溢洪道泄槽底板进行抗滑稳定性敏感性分析。　　以泄槽底板长L、底板宽B、底板厚δ、阻滑板长l′以及溢流平均流速v共5个因素作为分

6、析变量，分别记为因素A、B、C、D、E。为达到目的同时尽量减少计算量，选择5因数、4水平正交表L16的设计计算方案。在进行水力计算时，保持泄流流量Q=252m3/s不变，溢流水深随溢流速度和底板宽改变。其中，坝料容重为t/m3，混凝土容重为t/m3，泄槽糙率系数为，滑裂面摩擦系数为，溢洪道斜坡角为°，各变量水平见表1。利用式计算底板稳定安全系数，正交表设计和计算结果见表2。表2中Ki行的5个数，分别是因素A、B、C、D、E的第i水平所对应的安全系数K之和。比如对于因素A，它的第1水平安排在第1、2、3、4号中，对

7、应的安全系数分别为、、、，其和为，记在K1行的第1列中，其他类推。而Ki行的数是对应的Ki数除以4的结果，即是各个水平对应的平均值。同一列中，极差等于，极差越大的因素对考察指标的影响越大，因此根据表2，对安全系数K影响程度的因素排序是E>A>D>C>B。　　考察指标是安全系数K，愈大愈好，优选方案应取各因素平均效果最大所对应的水平，因此最优方案为A1B1C4D4E1。但此优选方案只对该算例有意义，超出算例的数值范围，情况会发生变化，必须进行扩大范围的设计分析。　　为便于综合分析和更直观地反映因素对考察指标的影响规

8、律和趋势，以因素水平为横坐标，以考察指标的平均值为纵坐标，绘制了因素与指标趋势图，见图2，反映出指标K随5个因素A、B、C、D、E的水平变化情况。其中，图1表明安全系数与底板长度负相关，当底板长度小于24m时，减小底板长度可有效提高底板的稳定性；图2中安全系数与底板宽度的趋势图出现明显的拐点，当底板宽度等于10m时安全系数最小，但各安全系数值差别不大；图3表明安全系数与底