庆丰水库混凝土梁格干砌石护坡结构设计.pdf

2 0 1 2 年第 1 2 期 东北水利水电 规划设计 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 0 3 0 2 庆丰水库混凝土梁格干砌石护坡结构设计 刘金岩 ， 苏道峰 ( 吉林省水利水电勘测设计研究院 ， 吉林 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘 要】 干砌石护坡是土石坝上游护坡通常采用的结构形式之一， 其厚度需经过计算来确定。 在北方寒冷地 区干砌石护坡厚度 多数为冰推力情况控制， 但计算所需厚度过大， 从 而导致工 程造价较高且选料和施工均具有很大难度。为减小干砌石护坡厚度， 设计时可采用附加混凝 土梁格的工程措施。文中对庆丰水库坝上游护坡除险加固设计做 了简要论述。 关键词土石坝； 上游护坡 ； 干砌石 ； 混凝土梁格； 庆丰水库 中图分类号】 T V 8 6 1 文献标识码 】 B 1 工程 概况 庆丰水库位于蛟河市天北镇境内， 属于二松水 系，位于团山河上游 ，坝址以上控制流域面积为 6 8 8 k m 2 。 庆丰水库除险加固之后总库容为 1 0 3 6 x 1 0 4 m 3 ， 是以灌溉为主结合防洪、 发电、 养鱼等综合 利用的中型水库。水库主要建筑物由大坝、溢洪 道 、 输 水洞构成 ， 工程等 级为 等 ， 主 要建筑 物级 别 为 3级 。设计洪水标 准为 5 0年一遇 ， 校核 洪水 标准为千年一遇。因大坝上游原有干砌石护坡年 久失修 ， 加之冻融淘刷破坏， 护坡损毁十分严重。 故此次除险加固设计将上游原有干砌块石护坡全 部拆除后重新进行护砌。经对干砌石护坡与干砌 石护坡 附加混凝土梁格两种设计方案计算比较 后 ，大坝上游护坡最终选定采取干砌石护坡附加 混凝土梁格的设计加固处理措施。 2 计算比较分析 庆丰水库大坝为粘土心墙坝 ，坝顶高程为 3 2 8 0 0 m， 坝顶长 5 1 0 m。坝顶宽 5 0 m， 最大坝高 2 0 7 m。上游坝坡于高程 3 1 9 1 7 m处设置一级马 道 ， 宽 1 5 m， 马道以上坝坡 1 ：2 8 ， 以下坝坡 1 ：3 0 。 2 1 浪压力情况计算 根据 S L 2 7 4 2 o o 1 ( 碾压式土石坝设计规范 ， 砌 石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形 直径和质量、 平均粒径、 平均质量和厚度计算公式： 广 一 D 8 5 D 50 _ 1 0 1 q = o 8 5 Q 5 0 = 0 5 2 5 p D 当L 1 5 时， D； AI 当 1 5时 ， D。 A l 式中： D 石块的换算球形直径 ， m； D 石 块 的平均粒径 ， m； Q 石块 的质量 ， k N； Q 5 0 石块 的平均质量 ， k N； 护坡厚度 ， m； ， 护坡坡率 ， 2 8 ； 随坡率变化的系数 ，取 = 1 4 0 ； 块石密度 ， 取 2 5 x 1 0 k N m3 ； p 。 一 水 密度， 取 1 0 1 0 ， k N m 3 ； 一累计频率为 5 的波 高 ， m。 经计算，干砌石护坡厚度在浪压力作 用下计 算所需的护坡厚度为 0 2 3 6 m。 2 2 冰推力情况计算 根据 土坝设计 上册 在冰推力作 用下干砌 石护坡稳定计算公式 ： 2 ,7 , 2if- 2 K = 一【 J + 式 中： K 稳 定安全 系数 ； 一石块 的容重 ， 2 5 1 0 3 k N m 3 ； t 护坡厚度 ， m； m 护坡坡 率， 2 8 ； 冰层以上护坡高度 ， m； 卜冰层厚 度， m； 产_ _ 护坡与垫层问摩擦系数 ， 0 7 ； 卜静 冰压力， t m， 采用 D L 5 0 7 7 1 9 9 7 ( 水工建筑物荷载 设计规范 表 1 3 1 1中数值。 在满足干砌块石护坡稳定安全系数 K = 1 0 的条件下，且假设水库冬季于正常高水位 3 2 5 7 0 3 规划设计 东北水利水电 2 0 1 2 年第 1 2 期 1T I 处结冰工况时对应不同结冰冰层厚度 ，计算所 需干砌石护坡厚度结果见表 1 。 表 1 干砌石护 坡厚 度计 算结果 表 2 3 计算结果对 比分析 通过以上分别对浪压力及冰推力两种情况下 计算所得的干砌石护坡厚度结果可知，在我国北 方寒冷地区干砌石护坡厚度多数为冰推力情况控 制 ， 且计算所需厚度过大 ， 若依 然采取普通 干砌 石 护坡设计必然导致工程造价较高，且选料和施工 方面亦具有极大难度。而在北方寒冷地区水库冬 季普遍结冰冰层厚度多年实测均不低于 0 7 5 m， 所以为减小干砌石护坡厚度 ，设计时可采用附加 混凝土梁格的工程措施。 3 干砌石护坡附加混凝土梁格设计 为便于施 工附加混凝土梁格可布置成正交 网 格。混凝土梁格 由顶梁、 底梁和 中间竖向联系梁组 成。原则上顶梁应布置在水库冬季结冰水位 以上 ， 即略高于正常高水位处。底梁的位置及中间竖向 联系梁的间距需经过结构计算来确定。 3 1 设计计算模型 如果将 附加混凝 土梁格及其 内部的块 石作 为 一 整体考虑，在冰推力作用下由于该整体将会产 生一顺坡向下的抵抗 力 G ( 自重和摩擦力产生 的) 。增设附加混凝土梁格工程设计后， 在冰推力 作用下力的传递过程改变如下：冰推力_上部接 近顶梁的块石_ + 顶梁 中间竖向联系梁- + 底梁一 + 梁格内块石 ，最终该整体达到抵抗冰推力破坏而 保持稳定。当顺坡向上冰推力的分力E小于抵抗 力 G时， 该整体保持稳定不动。 计算模型示意图见 图 1 。 依据此理论在冰推力作用下干砌石护坡稳定 计算公式为 ： K G s i n 0 +( G c o s O + F s i n O)f 一 式 中： G 计入冰层 a b c重量的护坡单宽重量 ， k N； 卜冰推力 ， k N m； 护坡面与水平线 的交角； 产 _护坡与垫层间的摩擦系数。 4 其中： G = ( 1 + ) Wl 什 奶 2 + ( 1 + ) 讲 式中： T k 块石浮容重， k N m3 ； m 上游坝坡 坡度； 厂一 冰容重 ， k N m 3 ； 冰厚度 ， m； H ， 日 广一 冰上、 冰下护坡高度， m。 图 1 干砌石 护坡附加混凝 土梁格设计计 算模型 3 2 除险加 固设计方案 综合考虑护坡选取块石料及施工难度等原 因， 大坝上游干砌石护坡厚度宜设计为 0 3 0 m， 为 满足抵抗冰推力的要求，在坝坡面上增设钢筋混 凝土梁格以确保干砌石护坡的稳定。经计算可得 附加混凝土梁格的布置型式为：顶梁贴坡布置于 正常高水位 3 2 5 7 0 m以上 o 5 m处；底梁布置于高 程3 2 1 9 6 m处，两道梁之间沿坝坡向间距为 1 2 3 m，在两道梁中间加设一道中梁， 高程为 3 2 4 0 8 m， 以缩小梁格间距， 增加干砌石护坡的稳定， 以上三 道平行于大坝轴线 的梁截面尺 寸为 3 0 c mX 4 5 c m ( 宽高 ) 。在 三道 梁 中间每 隔 5 0 m 布置一道横 梁 ， 截 面尺寸为 3 0 c mX 4 5 c m( 宽 高 ) ， 形成 梁格 ， 梁格为 5 0 m 6 0 m( 宽 高) 。 每隔 2 1 5 m两个整 体梁格结构之间设置结构缝一道。梁格内部铺设 块石， 梁格混凝土强度等级为 C 2 5 F 3 0 0 。 4 结语 庆 丰水库 除险 加固工程于 2 0 0 9年开工建设 ， 2 0 1 0年该 工程竣工验 收合格并交付使用。经过实 际冬季运行， 大坝上游护坡不仅结构完整， 安全稳 定， 且工程造价合理， 施工方便， 外型美观大方。 通 过蛟河市庆丰水库除险加固工程的设计案例 ， 在 北方寒冷地区土石坝上游护坡设计中推广采用干 砌石附加混凝土梁格设计为宜。 参 考 文 献 1 于富贵， 刘树峰 土石坝上游块石护坡混凝土梁格设计 T 东北水利水电， 2 0 0 4 ( 2 ) 【 收稿日 期】 2 0 1 2 0 9 2 0