水电站进水口整体稳定及基底应力计算.doc

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1、进水口整体稳定及基底应力计算1. 计算总说明1.1 计算目的及要求某水电站进水口根据电站枢纽布置、地形、地质条件设为岸塔式进水口，“镶嵌”在L型基础中，塔背有基岩对其起支撑作用，靠自重和岸坡岩体支撑维持稳定，加之该进水口置于土质地基上，因建基面不允许出现拉应力，因此可不进行抗倾覆稳定计算。通过对进水口整体抗浮稳定与基底应力计算，以复核其是否满足规范要求。1.2 基本资料进水口纵横剖面结构尺寸见附图。水容重： 钢筋混凝土容重： 基础与混凝土之间值为：，。地基承受能力： 校核洪水位： 设计洪水位： 正常蓄水位： 死水位： 多年平均最大风速： 吹程： 拦污栅及对应启闭机重： 、事故检修门及对应启闭机

2、重： 、计算采用规范及参考书： a.水电站进水口设计规范DL/T5398-2007 b.水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997c.水工建筑物荷载设计规范d.水电站厂房设计规范SL266-2001e公路桥涵设计通用规范JTJ021-89f.水闸设计规范SL265-2001；g.土力学河海大学出版社出版,卢廷浩主编；h.某水电站首部枢纽平面布置图及主要建筑物剖面图；i.孔隙比与压力关系曲线表；1.3 计算原理及假定岸塔式进水口根据自身的结构特点，只要基底应力在允许应力或允许抗力范围内，塔体就不会发生整体失稳，根据规范要求及进水口的布置情况，对塔体做以下假定：1）将塔体视为刚体，在荷载作用下，

3、岩体变形产生抗力；2）抗力或反力强度值采用材料力学法和刚体极限平衡法求得。3）计算地基沉降量时，不考虑周边结构对进水口塔体的影响。此算稿按荷载组合基本组合、特殊组合计算。工况1：正常运行期，正常蓄水位；工况2：正常运行期，设计洪水位；工况3：非常运行期，校核洪水位；工况4：检修期，正常蓄水位；工况5：施工完建未挡水期。工况6：正常蓄水位+度地震工况1、2为基本组合，工况3、4、5、6为特殊组合。2. 计算过程2.1 截面计算取进水口底板进行计算，进水口底板顺水流方向为x轴，垂直水流方向为y轴，截面尺寸如图2.1-1所示。图2.1-1 建基面示意图基底面积： 荷载作用正方向取为，垂直荷载作用：铅

4、直向下为正；水平荷载作用：沿水流方向为正；弯矩作用：逆时针方向为正。2.2 力矩计算下面计算各截面形心对x、y轴的力矩，因为进水口左、右侧对称布置，所以只需计算进水口上下游基底应力，即可只算截面计算点对y轴的力矩即可。力矩计算简图见附图。2.2.1 底板重量为：2.2.2 左、右边墙截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.3 拦污栅中墩截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.4 胸墙 胸墙指的是进水口拦污栅之后的那部分实体混凝土，由于喇叭口上侧混凝土是一不规则的结构，在取其截面计算点时分两部分计算。、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.5 通气孔四周实体混凝土由于通气孔四周混凝

5、土在计算边墙时已经计算了一部分，因此在此只计算流道上方混凝土（包括扣除部分）。 扣除通气孔体积： 截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.6 进水口板梁顶部板梁 、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩 2.2.7 进水口启闭机排架将启闭机排架分为两部分计算，即拦污栅部分和闸门部分。（拦污栅排架）（事故检修门排架）、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩 2.2.8 拦污栅及启闭机截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.9 事故检修门及启闭机 截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.10 人群荷载按公路桥涵设计通用规范，人群荷载一般取。截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.11

6、静水压力根据岸塔式进水口的特点，各种工况时，其上下游水位相同，故上下游静水压力相互抵消，产生的弯矩和也为0，可不予计算。2.2.12 扬压力根据水电站厂房设计规范，扬压力分浮托力和渗透压力，进水口上下游水位相等，故渗透压力为0。浮托力计算：工况一：（）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0。工况二：（）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0。工况三：（）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0。工况四：（）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0。工况五：施工完建未挡水期，此时浮托力为0。2.2.13 风荷载垂直于建筑物表面上的风荷载标准值按下式计算：式中：风荷载标准值，z高程的风振系数，

7、取1.0风荷载体型系数，查水工建筑物荷载设计规范：风压高度变化系数。基本风压，查全国风压基本分布图可确定为风荷载的作用分项系数采用1.3。工况一： 风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL50771997表12.1.6查得：。 风压力：截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况二： 风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL50771997表12.1.6查得： 风压力：截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况三： 风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL50771997表12.1.6查得： 风压力：截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况四： 风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设

8、计规范DL50771997表12.1.6查得： 风压力：截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况五： 风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL50771997表12.1.6查得： 风压力：截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩2.2.14 浪压力官厅公式： 式中：h当时，为累计频率5的波高；h当时，为累计频率10的波高；平均波长,m;D吹程，m；多年平均最大风速，按水工建筑物荷载设计规范DL50771997附录G表G1查得，正常蓄水位时取（风速系数由内插法求得），设计洪水位时取，校核洪水位时取。临界水深的计算：式中：使波浪破碎的临界水深。累积频率为1时的波高，由水工建筑物荷载设计规范DL5

9、077-1997附录G表G2用插入法可以求得。波浪中心线至计算水位的高度，m。浪压力标准值计算：当，时，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：当，时，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：式中：单位长度迎水面上的浪压力标准值波浪中心线至计算水位的高度，m。水的重度, 建筑物底面处的剩余浪压力强度值，按下式计算：浪压力的作用分项系数采用1.2。工况一： 临界水深的计算由，比值在之间，为累计频率5的波高；令，则，根据， 查水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997附录G表G2用插入法可以求得，单位长度上的浪压力标准值计算公式为： 浪压力：（）计算点至形心的距离截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况

10、二： 临界水深的计算由，比值在之间，为累计频率5的波高；令，则，根据， 查水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997附录G表G2用插入法可以求得，单位长度上的浪压力标准值计算公式为： 浪压力：（）计算点至形心的距离截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况三： 临界水深的计算由，比值在之间，为累计频率5的波高；令，则，根据， 查水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997附录G表G2用插入法可以求得，单位长度上的浪压力标准值计算公式为： 浪压力：（）计算点至形心的距离截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况四： 该工况时的浪压力等于工况一时的浪压力，截面计算点至形心的轴Y的距离产生的弯矩也与工

11、况一的相等。 浪压力：（）截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况五：施工完建未挡水期，浪压力为0，截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩也为0。2.2.15 胸墙及检修门槽中的内水压力工况一：计算点至形心的距离、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况二：设计洪水位时，胸墙和门槽内无水，故内水压力为0。工况三：校核洪水位时，胸墙和门槽内无水，故内水压力为0。工况四:该工况上游水位与工况一时相同，故内水压力和其对形心轴产生的弯矩均相同。计算点至形心的距离、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况五： 施工完建未挡水期，此时进水口中的内水压力为0。2.2.16 进水口中的内水压力 式中： Q可变作

12、用的分项系数；拦污栅槽(包括栏污栅槽前)中的水体积；喇叭口中的水体积；检修闸门槽中的水体积；边墩两侧的水体积。工况一：截面计算点至形心轴Y的距离为、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩 工况二：截面计算点至形心轴Y的距离为：、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩 工况三：截面计算点至形心轴Y的距离为：、截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩 工况四：该工况上游水位与工况一的相同，其内水压力和对形心Y轴产生的弯矩相同。截面计算点至形心轴Y的距离产生的弯矩工况五： 该工况为施工完建未挡水期，此时进水口中的内水压力为0。2.2.18 地震惯性力 在此计算两个方向的地震惯性力，即顺水流方向和逆水流方向。

13、 地震惯性力按下式计算： 式中：作用在质点i的水平方向地震惯性力代表值；水平向设计地震加速度代表值，根据四川省地震局工程地震研究院（四川赛思特科技有限责任公司）东义河某水电站坝址区设计地震反应谱参数表（2009年11月），取；地震作用的效应折减系数，根据DL5073-2000水工建筑物抗震设计规范，取；集中在质点i的重力作用标准值；质点i的动态分布系数，根据DL 50732000水工建筑物抗震设计规范表10.1.5来确定。 根据2.2.12.2.9计算结果,查据DL 50732000水工建筑物抗震设计规范表10.1.5可得: 地震惯性力顺水流方向力矩计算: 地震惯性力逆水流方向力矩计算: 地震

14、动水压力按拟静力法和动力法两种方法计算，计算公式分别为：拟静力法： 其作用点位于水面以下0.42H0处式中：单位高度塔面动水压力合力代表值；水平向设计地震加速度根据四川省地震局工程地震研究院（四川赛思特科技有限责任公司）古城水电站工程地震安全性评价复核表（2008年8月），取；地震作用的效应折减系数，取； 水体质量密度标准值，；塔体形状系数，根据水工建筑物抗震设计规范（DL5073-2000）表10.1.6-2，取；塔体沿高度平均截面与水体交线包络面积，；塔体垂直地震作用方向的迎水面最大宽度沿高度的平均值，；水深，。地震动水压力顺水流方向力矩计算:地震动水压力逆水流方向力矩计算:2.3 稳定、

15、地基应力及变形计算2.3.1 抗剪断强度和抗剪强度计算根据地质室提供的资料混凝土与基础的抗剪（断）指标建议值为： 式中：抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数； 抗浮稳定安全系数； 抗倾覆稳定安全系数； ,滑动面的抗剪断的摩擦系数及粘结力，； 基础面受压部分的计算截面积，； 全部荷载对滑动面的法向分值，包括扬压力，； 建基面上垂直力总和，包括扬压力（不含设备总重）； 全部荷载对滑动面的切向分值，； 基建面上扬压力总和，。基建面上稳定力矩总和，；基建面上倾覆力矩总和，。工况一： ，满足规范要求。 ，满足规范要求。工况二： ，满足规范要求。 ，满足规范要求。工况三： ，满足规范要求。 ，满足规范要求。工

16、况四：该工况的受力情况与工况一相同，故其抗剪断系数和抗滑稳定系数也与工况一时的相等。 ，满足规范要求。，满足规范要求。工况五： ，满足规范要求。 ，满足规范要求。工况六：（1）顺水流方向： 待添加的隐藏文字内容2 该工况的受力情况与工况一相同，故其抗剪断系数和抗滑稳定系数也与工况一时的相等。 ，满足规范要求。，满足规范要求。（2）逆水流方向： 该工况的受力情况与工况一相同，故其抗剪断系数和抗滑稳定系数也与工况一时的相等。 ，满足规范要求。，满足规范要求。2.3.2 应力计算 基建面上计算点垂直应力； 基建面上垂直力总和；分别为基建面上垂直力对形心轴X、Y轴的力矩总和；分别为基建面上垂直力对形心

17、轴X、Y轴的距离；分别为基建面对形心轴X、Y轴的惯性矩；A基建面面积。该进水口呈对称布置，在任何工况下，所以工况一： 工况二： 工况三： 工况四： 该工况的受力情况与工况一相同，故基底应力也与工况一时相等。 工况五： 工况六： （1）顺水地震时： （2）逆水地震时： 2.3.3 稳定及应力分析经计算，可以看出该进水口的抗滑稳定系数和抗浮稳定系数均大于所要求的安全系数，满足规范要求；各工况的基底应力未出现拉应力，并且都小于进水口段岩体承载力（420），因此可以认定该塔为稳定结构。2.3.4 变形计算由于进水口地基为非岩基基础，其地基最终沉降量利用压缩曲线计算：式中S地基最终沉降量；i土层号；n地

18、基压缩层计算深度范围内的土层数；e1i、e2i基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下的孔隙比和在平均自重应力、平均附加应力共同作用下的孔隙比；hi第i层土的厚度。1）基本假定a）地基土压缩时不发生侧向变形。 b）按基础底面中心点下的附加应力计算土层的分层压缩量。c）最终沉降量取计算深度范围内各土层分层压缩量之和。2）地基压缩层的计算深度应按计算层面处附加应力和自重应力之比等于0.2的条件确定。分层厚度取4.0m。a) 右上角点基地应力分解根据2.3节中计算的应力将基底压力分为竖向均匀分布压力Pn和三角形分布压力Pt两部分,见表2.1。由表中应力值可知，工况六（2）中下游侧应力小于建基面以上部

19、分土层自重应力，故该工况左下角点的沉降量计算时，应由建基面向上进行计算，故该工况单独计算。表2.1 右上角点基底应力分解表工况工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）上游侧应力(kpa)222.93275.67267.35222.93313.9974.46371.40下游侧应力(kpa)210.29306.41289.63210.29344.90358.7761.82竖直均布压力Pn(kpa)222.93 275.67 267.35 222.93 313.99 74.46 371.40 三角形分布压力Pt(kpa)12.64 30.74 22.28 12.64 30.91 284

20、.31 309.59 图2.3-1 各工况应力分解简图b）建基面以下各分层土自重应力计算根据互提资料联系单数据覆盖层土容重为20.0kN/m3，水的容重为10.0kN/m3。以开挖面为参照面计算。计算简图如下：图2.3-2 分层计算简图=(20.0-10.0)4.0=40.0 =(20.0-10.0)4.0+40=80.0=(20.0-10.0)4.0+80.0=120.0=(20.0-10.0)4.0+120.0=160.0=(20.0-10.0)4.0+160.0=200.0=(20.0-10.0)4.0+200.0=240.0=(20.0-10.0)1.4+240.0=254.0c）右上

21、角点附加应力计算将基底压力分为均匀分布和三角形分布两部分。计算示意图见图2.3-1。该基础为矩形，属空间问题，故应用“角点法”求解。长度,宽度，故表2.2 矩形均布荷载作用时右上侧角点下附加应力计算表Z(m )n=z/Bm1=L/BK4z1 =K4Pn(kpa)工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）00.000 1.110.250 55.73 68.92 66.84 55.73 78.50 18.61 92.85 40.222 1.110.248 55.36 68.45 66.39 55.36 77.97 18.49 92.23 80.444 1.110.239 53.17 6

22、5.75 63.76 53.17 74.89 17.76 88.58 120.667 1.110.219 48.87 60.43 58.60 48.87 68.83 16.32 81.41 160.889 1.110.194 43.32 53.57 51.95 43.32 61.01 14.47 72.17 201.111 1.110.168 37.53 46.41 45.01 37.53 52.86 12.54 62.53 24.01.333 1.110.144 32.15 39.75 38.55 32.15 45.28 10.74 53.56 25.41.411 1.110.136 30.

23、41 37.61 36.47 30.41 42.84 10.16 50.67 表2.3 三角形均布荷载作用时右上侧角点下附加应力计算表Z(m )n=z/Bm1=L/BK5z2 =K5Pn(kpa)工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）00.000 1.110.000 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 40.222 1.110.033 0.42 1.03 0.75 0.42 1.03 9.51 10.36 80.444 1.110.057 0.72 1.76 1.28 0.72 1.77 16.31 17.76 120.667 1.110.06

24、9 0.87 2.12 1.53 0.87 2.13 19.57 21.31 160.889 1.110.071 0.89 2.17 1.57 0.89 2.18 20.07 21.85 201.111 1.110.067 0.84 2.05 1.49 0.84 2.06 18.98 20.67 24.01.333 1.110.061 0.76 1.86 1.35 0.76 1.87 17.21 18.73 25.41.411 1.110.058 0.73 1.79 1.30 0.73 1.80 16.53 18.00 表2.4 右上侧角点下附加应力计算汇总项目层厚(m)z (kpa)0.2c

25、z（kPa）工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）z1-z2z1+z2z1+z2z1-z2z1+z2z1+z2z1-z2基础以下深度Z=0m 055.73 68.92 66.84 55.73 78.50 18.61 92.85 0Z=4m454.93 69.48 67.13 54.93 79.00 28.00 81.87 8Z=8m452.45 67.51 65.04 52.45 76.66 34.07 70.82 16Z=12m448.00 62.54 60.14 48.00 70.95 35.89 60.11 24Z=16m442.43 55.74 53.52 42.43

26、63.19 34.53 50.32 32Z=20m436.69 48.46 46.50 36.69 54.92 31.52 41.86 40Z=24m431.38 41.61 39.90 31.38 47.15 27.94 34.82 48表2.5 右上侧角点下各相邻层面应力差计算项目层厚(m)Pi（kPa）工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）基础以下深度Z=0m 055.73 68.92 66.84 55.73 78.50 18.61 92.85 Z=4m494.93 109.48 107.13 94.93 119.00 68.00 121.87 Z=8m4132.45 1

27、47.51 145.04 132.45 156.66 114.07 150.82 Z=12m4168.00 182.54 180.14 168.00 190.95 155.89 180.11 Z=16m4202.43 215.74 213.52 202.43 223.19 194.53 210.32 Z=20m4236.69 248.46 246.50 236.69 254.92 231.52 241.86 Z=24m4271.38 281.61 279.90 271.38 287.15 267.94 274.82 上述表中z基底以下计算深度K4均布荷载时角点应力系数，查SL265-2001附

28、录J。K5三角形分布荷载时角点应力系数，查SL265-2001附录J。根据上表计算结果，基底以下24.0m处附加应力和自重应力之比小于0.20，采用该处为计算深度的下限。根据孔隙比与压力的关系曲线，采用TK2试样进行沉降计算。由公式，得沉降计算结果见表2.6。表2.6 右上侧角点基础沉降计算表项目hi(mm)av（MPa-1）e1i工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）基础以下深度Z=4m40000.0800.359.292 9.615 9.551 9.292 9.601 11.707 6.878 Z=8m40000.0800.348.958 9.082 9.053 8.958

29、 8.993 11.001 6.915 Z=12m40000.0800.348.490 8.366 8.381 8.490 8.189 9.987 6.993 Z=16m40000.0800.338.284 7.986 8.032 8.284 7.757 9.298 7.269 Z=20m40000.0800.338.243 7.874 7.934 8.243 7.635 8.898 7.589 Z=24m40000.0800.338.347 7.976 8.037 8.347 7.753 8.764 7.931 si(mm)51.614 50.899 50.989 51.614 49.928

30、 59.65 43.574 表中pi第i层 上、下层面应力值（自重应力与附加应力之和）差值e1i由第i层自重应力平均值的孔隙比e2i由第i层自重应力平均值与附加应力平均值之和的孔隙比hi第i分层土的厚度si第i分层土的沉降值si第i分层土的累计沉降值按上述相同方法，下游侧角点地基沉降计算如下：表2.7 左下角点基底应力分解表工况工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）上游侧应力(kpa)222.93275.67267.35222.93313.9974.46371.40下游侧应力(kpa)210.29306.41 289.63210.29344.90358.7761.82竖直均布压

31、力Pn(kpa)210.29 306.41 289.63 210.29 344.90 358.77 61.82 三角形分布压力Pt(kpa)12.64 30.74 22.28 12.64 30.91 284.31 309.59 表2.8 矩形均布荷载作用时左下侧角点下附加应力计算表Z(m )n=z/Bm1=L/BK4z1 =K4Pn(kpa)工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）00.000 1.110.250 52.57 76.60 72.41 52.57 86.23 89.69 15.45 40.222 1.110.248 52.22 76.09 71.92 52.22 8

32、5.64 89.09 15.35 80.444 1.110.239 50.16 73.08 69.08 50.16 82.26 85.57 14.74 120.667 1.110.219 46.10 67.17 63.49 46.10 75.60 78.64 13.55 160.889 1.110.194 40.86 59.54 56.28 40.86 67.02 69.71 12.01 201.111 1.110.168 35.40 51.59 48.76 35.40 58.07 60.40 10.41 24.01.333 1.110.144 30.32 44.18 41.76 30.32

33、49.73 51.73 8.91 25.41.411 1.110.136 28.69 41.80 39.51 28.69 47.06 48.95 8.43 表2.9 三角形均布荷载作用时左下侧角点下附加应力计算表Z(m )n=z/Bm1=L/BK5z2 =K5Pn(kpa)工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）00.000 1.110.000 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 40.222 1.110.033 0.42 1.03 0.75 0.42 1.03 9.51 10.36 80.444 1.110.057 0.72 1.76 1.28

34、 0.72 1.77 16.31 17.76 120.667 1.110.069 0.87 2.12 1.53 0.87 2.13 19.57 21.31 160.889 1.110.071 0.89 2.17 1.57 0.89 2.18 20.07 21.85 201.111 1.110.067 0.84 2.05 1.49 0.84 2.06 18.98 20.67 24.01.333 1.110.061 0.76 1.86 1.35 0.76 1.87 17.21 18.73 25.41.411 1.110.058 0.73 1.79 1.30 0.73 1.80 16.53 18.0

35、0 表2.10 左下侧角点下附加应力计算汇总项目层厚(m)z (kpa)0.2cz（kPa）工况一工况二工况三工况四工况五工况六（1）工况六（2）z1+z2z1-z2z1-z2z1+z2z1-z2z1-z2z1+z2基础以下深度Z=0m052.57 76.60 72.41 52.57 89.69 89.69 15.45 0Z=4m452.64 75.06 71.17 52.64 79.58 79.58 25.71 8Z=8m450.88 71.32 67.80 50.88 69.26 69.26 32.50 16Z=12m446.97 65.05 61.95 46.97 59.08 59.08 34.86 24Z=16m441.75 57.37 54.71 41.75 49.65 49.65 33.86 32Z=20m436.25 49.53 47.27 36.25 41.42 41.42 31.08 40Z=24m431.09 42.32 40.42 31.09 34.53 34.53 27.65 48表2.11 左下侧角点下各相邻层面应力差计算项目层厚(m)Pi（kPa）