尼泊爾MBK水電站工程擋水重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

尼泊爾MBK水電站工程擋水重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算摘要：尼泊爾MBK水電站為引水式水電站，擋水大壩為重力壩。擋水壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算過程參照使用的規(guī)范是“美國陸軍工程兵團(tuán)(UnitedStatesArmyCorpsofEngineers，縮寫USACE)〃水電工程標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹美規(guī)下穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算的思路和計(jì)算公式，可供類似計(jì)算參考。關(guān)鍵詞：美國陸軍工程兵團(tuán)；標(biāo)準(zhǔn)；MBK；重力壩；穩(wěn)定；應(yīng)力計(jì)算一、 工程概況尼泊爾MiddleBhoteKoshi(簡寫MBK)水電站工程位于尼泊爾中部發(fā)展區(qū)巴格瑪?shù)賹^(qū)的辛杜帕爾喬克縣，工程位于加德滿都東北101km，賈庫的渠首工程(壩址)沿阿蘭尼科公路至加德滿都有約3小時(shí)的車程。MBK水電站為引水式水電站，總裝機(jī)容量102MW，設(shè)計(jì)流量50.8m3/s，總有效水頭235m。水電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠房及開關(guān)站組成，其中引水系統(tǒng)包含進(jìn)水口、引水渠、沉沙池、前池、壓力涵管入口、壓力涵管、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼岔管。首部樞紐的壩頂高程為1157.0m，壩頂全長109.0m，溢流壩段布置在右岸的主河槽內(nèi)，溢流壩段由4孔溢流孔組成，其中3孔為高堰溢流孔，1孔為低堰沖沙孔，最大壩高為25.0m。進(jìn)水口及沖沙池布置在左岸的臺地上，沉沙池后接前池及混凝土壓力涵管，壓力涵管長約380m，其末端接長約 7.6km的引水隧洞。廠房離首部樞紐約10km，布置于岸邊，為地面式廠房，電站尾水注入BhoteKoshi河，廠、壩間交通為Araniko公路。二、 計(jì)算說明MBK水電站工程擋水重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算過程參照使用的規(guī)范是"美國陸軍工程兵團(tuán)(UnitedStatesArmyCorpsofEngineers，縮寫USACE)”水電工程標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算工況包括七種：完建工況(2)正常運(yùn)行工況(3)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水工況(4)完建正常地震工況(5)正常運(yùn)行正常地震工況(6)正常運(yùn)行最大地震工況(7)最大洪水工況。計(jì)算基準(zhǔn)面為以重力壩模型投影到▽1132.00m高程水平面所得投影面(矩形面)?；鶞?zhǔn)面中心為原點(diǎn)O,順?biāo)鞣较驗(yàn)閄軸正向，左岸指向右岸為Y軸正向，豎直向下為Z軸正方向。計(jì)算過程中各個(gè)力的大小及形心位置均通過CAD三維建模后，放在同一坐標(biāo)系中求得。地震作用效應(yīng)可用擬靜力法計(jì)算。三、 計(jì)算工況及相應(yīng)荷載條件組合1、 完建工況(非正常荷載條件UN)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重。2、 正常運(yùn)行工況(正常荷載條件U)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水重(3)上游回填土重(4)上游淤沙重(5)上游靜水壓力(6)上游回填土壓力(7)淤沙壓力(8)下游水重(9)下游靜水壓力(10)左側(cè)靜水壓力(11)右側(cè)靜水壓力(12)揚(yáng)壓力。3、 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水工況(非正常荷載條件UN)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水重(3)上游回填土重(4)上游淤沙重(5)上游靜水壓力(6)上游回填土壓力(7)淤沙壓力(8)下游水重(9)下游靜水壓力(10)左側(cè)靜水壓力(11)右側(cè)靜水壓力(12)揚(yáng)壓力。4、 完建正常地震工況(極端荷載條件E)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水平地震加速度。5、 正常運(yùn)行正常地震工況(非正常荷載條件UN)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水重(3)上游回填土重(4)上游淤沙重(5)上游靜水壓力(6)上游回填土壓力(7)淤沙壓力(8)下游水重(9)下游靜水壓力(10)左側(cè)靜水壓力(11)右側(cè)靜水壓力(12)揚(yáng)壓力(13)下游水平地震加速度。6、 正常運(yùn)行最大地震工況(極端荷載條件E)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水重(3)上游回填土重(4)上游淤沙重(5)上游靜水壓力(6)上游回填土壓力(7)淤沙壓力(8)下游水重(9)下游靜水壓力(10)左側(cè)靜水壓力(11)右側(cè)靜水壓力(12)揚(yáng)壓力(13)下游水平地震加速度。7、 最大洪水工況(極端荷載條件E)：(1)大壩結(jié)構(gòu)自重(2)上游水重(3)上游回填土重(4)上游淤沙重(5)上游靜水壓力(6)上游回填土壓力(7)淤沙壓力(8)下游水重（9）下游靜水壓力（10）左側(cè)靜水壓力（11）右側(cè)靜水壓力（12）揚(yáng)壓力。四、計(jì)算過程1、計(jì)算公式（1） 重量計(jì)算：G=y,V其中：G為重量（kN）；Y為重度（kN/m3）；V為體積（m3）。（2） 水壓力、揚(yáng)壓力：P=Y*V，U=y?V其中：P、U分別為水壓力、揚(yáng)壓力（kN）；Y為重度，取9.81kN/m3；V為體積（m3）。（3） 主動土壓力、淤沙壓力：P=K?y?V其中：P為土壓力、淤沙壓力（kN）；K為壓力系數(shù)；Y為重度（kN/m3）；V為體積（m3）。（4） 水平地震慣性力：F=kh?G其中：F為水平地震慣性力（kN）；kh為水平地震加速度，正常地震時(shí)取0.13g，最大地震時(shí)取0.2g；G為重量（kN）。（5） 地震動水壓力：P=[（7/12）kh?Y?h2]?b其中：P為地震動水壓力（kN）；kh為水平地震加速度；Y為重度，取9.81kN/m3；h為水深（m）；b為基準(zhǔn)面寬度，取17.5m。（6） 回填土、淤沙地震晃動作用力：PAE=Kh?Y?h2/[2（tana-tan。）]PAE=Kh[（ys-y）h2/（2tana）]其中：PAE為地震回填土、淤沙晃動作用力（kN）；kh為水平地震加速度；Y為天然重度（kN/m3）；YS為飽和重度（kN/m3）；a為滑動臨界角（°）；。為回填土、淤沙表面與水平面夾角，取0°。（7） 抗滑穩(wěn)定：Ks=（f^W+C'A）/^H其中：Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f’為滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.6；C'為混凝土與巖石的粘結(jié)力，取300kPa；A為基準(zhǔn)面面積，取479.82m2；砰為豎直向合力（kN）；IH為水平向合力（KN）。（8） 抗傾覆穩(wěn)定：L=2M/〉W其中：L為合力作用點(diǎn)位置到壩趾線的距離（m）；IM為對壩趾線的合力矩（kN?m）；砰為豎直向合力（kN）。（9） 基準(zhǔn)面應(yīng)力計(jì)算：P=IW/A±[I（Mx?y）]/Jx±[I（My?x）]/Jy其中：P為基準(zhǔn)面上的法向應(yīng)力（kPa）；IW為基準(zhǔn)面上法向分力的總和（kN）；IMx為全部荷載對基準(zhǔn)面形心軸X的力矩總和（kN?m）；IMy為全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對基準(zhǔn)面形心軸丫的力矩總和（kN?m）；Jx、Jy分別為基準(zhǔn)面對形心軸X、Y的慣性矩（m4）；A為基準(zhǔn)面面積（m2）；x、y為計(jì)算截面上的計(jì)算點(diǎn)至形心軸Y、X的距離（m）。五、 計(jì)算結(jié)果1、 計(jì)算結(jié)果：2、 允許極限值：Note：fc'is1-yearunconfinedcompressivestrengthofconcrete.3、 計(jì)算結(jié)果分析：在本工程中，擋水壩建在巖石上，在各種工況下的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范相應(yīng)要求；在基準(zhǔn)面應(yīng)力分析中，最大壓（拉）應(yīng)力均小于規(guī)范中相應(yīng)工況下基礎(chǔ)應(yīng)力允許值，因此建筑物是穩(wěn)定的。六、 結(jié)語美國規(guī)范和國內(nèi)規(guī)范的重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算公式差別不大，但是允許極限值的差別較大。本文結(jié)合尼泊爾MBK水電站工程擋水壩其中一個(gè)壩段的穩(wěn)定應(yīng)力分析，介紹了參照美國規(guī)范計(jì)算時(shí)的計(jì)算思路和計(jì)算公式，可供類似計(jì)算參考。參考文獻(xiàn)：EM1110-2-2100，Stabilit