某水电站进水口稳定、基底应力计算改教材.docx

1、某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 1页共 38 页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：10kN / m3钢筋混凝土容重：25kN / m3基础与混凝土之间f 值为： f0.4 ， c 0.08Mpa 。地基承受

2、能力： 0.42MPa校核洪水位：1886.109m设计洪水位：1884.069m正常蓄水位：1900.000m死水位：1896.000m多年平均最大风速：11.00m / s吹程：0.7km拦污栅及对应启闭机重：52t 、 8t某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 2页共 38 页事故检修门及对应启闭机重：38t 、 15t计算采用规范及参考书：a.水电站进水口设计规范DL/T5398-2007b.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 SL265-200

3、1；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，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1900.000m ；工况 2：正常运行期，设计洪水位1884.06

4、9m ；工况 3：非常运行期，校核洪水位1886.109m ；某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 3页共 38 页工况 4：检修期，正常蓄水位1900.000m ；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。y0.81x20.0图 2.1-1建基面示意图基底面积：I x1bh312018.0039720m41212I y1b3 h120318.0012000m41212荷载作用正

5、方向取为，垂直荷载作用：铅直向下为正；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，所某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 4页共 38 页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：G1QcVa1.052520.03.018.028350.0 kNlx10M y1G1lx10kN m2.2.2左、右边墙G2Q cV 1.05 51.94 21.0 25 2 57263.85 kNlx 21.19m截面计算点至形心轴Y 的距离产生

6、的弯矩M y G2 lx2 57263.85 ( 1.19)68143.98 kN m2.2.3拦污栅中墩G3QcV1.0513.7721.0257590.71kNlx35.84m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M yG3l x37590.715.8444329.76 kN m2.2.4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。G4.1QcVa1.0534.3112.52511257.97 kN某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第5页共38页G4.2Q cVb 1.0525 19.57 8.92 458

7、2.32kNlx 4.13.25m 、 l x4.20.31m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M yM y 4aG4.1l x4.1G4.2 lx 4.211257.973.254582.32( 0.31)35167.88 kN m2.2.5通气孔四周实体混凝土由于通气孔四周混凝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） 。G5.1QcV1.052511.9415.84952.12kN扣除通气孔体积：G5.2Q cV1.05 252 15.8 829.5kNlx5.18.28ml x5.28.5m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y5G5.1lx

8、5.1G5.2lx5.24952.12( 8.28)829.5( 8.5)33952.76kN m2.2.6进水口板梁顶部板梁G6.1QcV1.052516.030.252 210.39kNG6.2QcV1.052537.40.25245.44 kNG6.3QcV1.05253.570.874.97kNG6.4QcV1.05250.2517.85117.14 kNG6.5QcV1.05252.080.843.68kNlx 6.18.73m 、 l x6.20.64 m 、 l x6.31.25m 、 lx 6.42.7m 、 l x6.54.4m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y6G

9、6i lx6i210.39 8.73245.44 0.6474.97 ( 1.25) 117.14 ( 2.7)43.68 ( 4.4)1391.63kN m某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 6页共 38 页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。G7.1Q cV1.052579.742093.18 kN （拦污栅排架）G7.2Q cV1.052555.661461.18 kN （事故检修门排架）lx 7.15.85m、 l x7.25.5m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y 7G7l x72093.18 5.851461.18 (

10、5.5)4209.16kN m2.2.8拦污栅及启闭机G81.05(528)10630.00 kNlx84.8m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y 8G8 lx8630.004.83024.00kN m2.2.9事故检修门及启闭机G91.05(3815)10556.50kNlx95.8m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y 9G9l x9556.5( 5.8)3227.70kN m2.2.10人群荷载按公路桥涵设计通用规范 ，人群荷载一般取3kN / m2 。G101.05318.0020.001134.00kNlx100某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 7页共

11、38 页截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y10G10l x10 0kN m2.2.11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：U1.010(1900.001877.00)18.0020.0082800.00 kN （）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0 。工况二：U1.010(1884.0691877.00)18.0020.0025448.40 kN （）浮托力沿底板

12、成对称分布，故产生的弯矩为0 。工况三：U1.010(1886.1091877.00)18.0020.0032792.40 kN （）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0 。工况四：U1.010(1900.001877.00)18.0020.0082800.00 kN （）浮托力沿底板成对称分布，故产生的弯矩为0 。某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 8页共 38 页工况五：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：wkzzswo式中：wk 风荷载标准值，kN / m2z z 高程的风振系数，取1.0s 风荷载体型系数，查水工

13、建筑物荷载设计规范：s (0.48 0.03H / B)z 风压高度变化系数。wo 基本风压，查全国风压基本分布图可确定为0.3kN / m2风荷载的作用分项系数采用1.3。wkzzswo工况一：风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 表 12.1.6查得：z0.68 。s(0.48 0.03H/ B)0.48 0.03 (1902.00 1900.00) /18.000.483wkz z s wo1.00.68( 0.483) 0.30.0986 kN / m2风压力：w1.3( 0.0986) 18.00 (1902.00 1900.00)4.61kNl x132

14、(1902.001900.00)(1900.001881.00)20.33m3截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 9页共 38 页M y13P13lx134.6120.3393.83kN m工况二：风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 表 12.1.6查得：z1.204s(0.48 0.03H / B)0.48 0.03(1902.00 1884.069) /18.000.5099wkzz s wo 1.0 1.204( 0.5099)0.30.1842kN / m2风压力：w1.3( 0.1842)18.00(190

15、2.001884.069)77.275 kNl x1321884.069)(1884.0691881.00)15.02m(1902.003截面计算点至形心轴 Y 的距离产生的弯矩M y14P13l x1377.275 15.021160.91kN m工况三：风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 表 12.1.6查得：z1.16s(0.48 0.03H / B)0.48 0.03(1902.00 1886.069) /18.000.5065wkzz s wo 1.0 1.16( 0.5065)0.3 0.1763 kN / m2风压力：w 1.3( 0.1763)18

16、.00 (1902.00 1886.109)65.541kN2(1902.001886.109)(1886.1091881.00)15.70ml x133截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y13 P13l x1365.541 15.71029.19kN m工况四：风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 表 12.1.6某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第10页共38 页查得： z0.68s(0.48 0.03H / B)0.48 0.03 (1902.001900.00) /18.000.483wkz z s wo 1.0 0.68( 0.483) 0

17、.3 0.0986 kN / m2风压力：w 1.3( 0.0986)18.00 (1902.00 1900.00)4.61kN2(1902.001900.00)(1900.001881.00)20.33ml x133截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y13P13lx134.6120.3393.83kN m工况五：风压高度变化系数，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 表 12.1.6查得：z1.267s(0.48 0.03H / B)0.48 0.03(1902.00 1881.00) /18.000.515wkzz s wo 1.0 1.267( 0.515)0.30.1

18、958kN / m2风压力：w 1.3( 0.1958)18.00 (1902.00 1881.00)96.192kN2(1902.001881.00)14.00ml x133截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y13 P13l x1396.192 14.001346.69kN m2.2.14浪压力官厅公式：gh0.0076v01/12(gD)1/322v0v0gLm0.331v01/ 2.15gD1/3.752(2)v0v0某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 11 页共 38 页式中：h当 gD20 250 时，为累计频率 5的波高；v02h当 gD250 1000 时，为累

19、计频率 10的波高；v02Lm 平均波长 ,m;D 吹程， m ；v0 多年平均最大风速，m/ s ，按水工建筑物荷载设计规范DL5077 1997 附录 G 表 G1 查得，正常蓄水位时取 1.25v0 （风速系数由内插法求得） ，设计洪水位时取 0.924v0 ，校核洪水位时取 0.949v0 。临界水深的计算：H crLm lnLm2h1%4Lm2h1%2hzh1% cot 2 HLmLm式中：H cr 使波浪破碎的临界水深。h1% 累积频率为1 时 的波高， 由 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。hz 波浪中心线至计算水位的高度，

20、m 。浪压力标准值计算：当 HH cr ， HLm 时，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：2Pwk1( h1% hz )( wH Plf ) HPlf 2当 HH cr ， HLm 时，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：2某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第12页共38 页Pwk1W Lm (h1%hz )4式中：Pwk 单位长度迎水面上的浪压力标准值hz 波浪中心线至计算水位的高度，m 。W 水的重度 , kN / m3Plf建筑物底面处的剩余浪压力强度值，kN / m2 ，按下式计算：Plf2Hwh1% sechLm浪压力的作用分项系数采用1.2。工况一：gh1/12(gD 1

21、/30.0076(1.2511.00)1/12(9.817002 )1/320.0076v02 )1.25211.00v0v0h0.0076(1.2511.00)1/129.817002 )1/3(1.2511.00)29.810.39m(211.001.25gLm1/ 2.15(gD 1/3.750.331(1.2511.00)1/ 2.15(9.817002 )1/3.7520.331v02)211.00v0v01.25Lm0.331(1.2511.00)1/ 2.159.817001/3.7529.814.91m(211.002 )(1.25 11.00)1.25临界水深 H cr 的计

22、算由 gD9.8170036.32 ，比值在 gD20 250 之间，为累计频率5v02(1.2511.00) 2v02的波高；令 h5%1.95 ，则 hmh5%0.390.20 ，hm1.951.95hm0.200.0087H m1900.001877.00根据 hm0.0087 ， 查水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997附录 GH m某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 13 页共 38 页表 G2 用插入法可以求得 h1% 2.406 hmh1%2.406hm2.4060.20 0.48mH crLm ln Lm2h1%44.91ln 4.9123.140.480.56

23、m4Lm2h1%3.144.9123.140.48hzh1%2cot2H3.140.482cot2 3.14(1900.001877.00)0.15mLmLm4.914.91H1900.001877.0023mH cr0.56 mH23mLm4.912.46m ，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：2211Pwk4 W Lm (h1%hz )4104.91(0.480.15)7.73kN / m浪压力：Pwk1.27.7318.00166.9kN （）计算点至形心的距离l x14hz1900.001877.000.151900.001877.0023.15m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯

24、矩M y14 pwkl x14166.9 23.153863.41kN m工况二：gh1/12(gD 1/30.0076 (0.924 11.00)1/12(9.817002 )1/320.0076v02)0.924211.00v0v0h0.0076 (0.92411.00)1/12(9.817001/3(0.92429.810.267m22)11.00)gLm0.92411.001/ 2.15gD 1/3.751/ 2.159.817001/3.75v020.331v0( v02 )0.331 (0.924 11.00)(0.924211.002 )Lm0.331 (0.92411.00)1

25、/ 2.15(9.817002 )1/3.7529.81 3.63m2(0.924 11.00)1.20411.00临界水深 H cr 的计算由 gD9.8170066.47 ，比值在 gD20 250 之间，为累计频率5v02(0.92411.00) 2v02某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 14 页共 38 页的波高；令h5%h5%0.267，hm1.95 ，则 hm0.1371.951.95hm0.1370.019H m 1884.069 1877.00根据 hm0.019 ， 查水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997附录 GH m表 G2 用插入法可以求得 h1%

26、2.39 hmh1%2.39 hm2.390.1370.33mH crLm ln Lm2h1%43.63ln3.6323.140.330.37m4Lm2h1%3.143.6323.140.33hzh1%2cot2 H3.140.332cot2 3.14(1884.0691877.00)0.09mLmLm3.633.63H1884.0691877.007.069mH cr0.37mH7.069mLm3.631.83m ，单位长度上的浪压力标准值计算公式为：22Pwk1 W Lm ( h1%hz )110 3.63(0.330.09)3.81kN / m44浪压力：Pwk1.23.81 18.00

27、82.36kN （）计算点至形心的距离l x14hz1884.0691877.000.091884.0691877.007.16m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y14pwk lx1482.36 7.16589.86kN m工况三：gh1/12(gD 1/30.0076 (0.949 11.00)1/12(9.817002 )1/320.0076v02)0.949211.00v0v0某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第15页共38 页h0.0076(0.94911.00)1/129.817002 )1/3(0.94911.00)29.810.276m(211.00gLmgD1

28、.169.817001/ 2.15(1/3.750.331(0.949 11.00)1/ 2.15(2 )1/3.7520.331v02 )0.949211.00v0v0Lm0.331(0.94911.00)1/ 2.15(9.817002 )1/3.75(0.949 11.00)29.81 3.73m211.000.949临界水深 H cr 的计算由 gD9.8170063.02 ，比值在 gD20 250 之间，为累计频率 5v02(0.94911.00) 2v02的波高；令 h5%1.95 ，则 hmh5%0.2760.14，hm1.951.95hm0.140.016H m1886.10

29、91877.00根据hm0.016 ， 查水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997 附录 GH m表 G2 用插入法可以求得 h1% 2.395 hmh1%2.395hm2.395 0.14 0.34 mH crLm ln Lm2h1%43.73ln 3.7323.140.340.39m4Lm2h1%3.143.7323.140.34hzh1%2cot 2 H3.140.342cot 2 3.14(1886.1091877.00)0.1mLmLm3.733.73H1886.1091877.009.109mH cr0.39mH9.109mLm3.731.87m ，单位长度上的浪压力标准值计

30、算公式为：22Pwk1W Lm( h1%hz )110 3.73 (0.340.1)4.07kN / m44浪压力：Pwk1.24.0718.0087.87 kN （）计算点至形心的距离某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 16 页共 38 页lx14hz1886.1091877.000.11886.1091877.009.21m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y14pwk lx1487.87 9.21 808.92kN m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况一的相等。浪压力：Pwk166.9kN （）截面计算点至形心

31、轴Y 的距离产生的弯矩M y143863.41kN m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：G15.11.051044.66(1900.001888.954)5179.80kNG15.21.051018.58(1900.001888.454)2252.51kNG15.31.05107.92(1900.001887.200)1064.45 kN计算点至形心的距离lx15.10.3m 、 lx15.23.36m 、 l x15.35.7m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y15 pwkl x15

32、5179.80 0.3 2252.51 ( 3.36) 1064.45 ( 5.7)12081.84kN m工况二：某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 17 页共 38 页设计洪水位时，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。G15.15179.80kNG15.22252.51kNG15.31064.45kN计算点至形心的距离lx15.10.3m 、 lx15.23.36m 、 l x15.35.7m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y15pwk

33、l x1512081.84kN m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G16Qc (V1V2V3V4 )式中：Q 可变作用的分项系数；V1 拦污栅槽 (包括栏污栅槽前 )中的水体积；V2 喇叭口中的水体积；V3 检修闸门槽中的水体积；某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第 18 页共 38 页V4 边墩两侧的水体积。工况一：G16.1QcV11.051081.06(1900.00 1881.00)16171.47 kNG16.2QcV21.051095.215.75 5748.42 kNG16.3QcV31.051029.76 5.2 16

34、24.90kNG16.4QcV41.051025.41(1900.00 1881.00)2 10138.99 kN截面计算点至形心轴Y 的距离为l x16.16.84m 、 lx16.20.78m 、 l x16.37.21m 、 l x16.46.17m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y16Qc (V1l x16.1V2l x16.2 V3l x16.3 V4l x16.4 )1.05 10 16171.47 6.84 5748.420.78 1624.90 ( 7.21) 10138.99 ( 6.17)40823.56kN m工况二：G16.1QcV11.051081.06(1

35、884.0691881.00) 2612.12kNG16.2QcV21.051095.215.75 5748.42 kNG16.3QcV31.051029.76 5.2 1624.90kNG16.4QcV41.051025.41(1884.0691881.00) 2 1637.65kN截面计算点至形心轴Y 的距离为：l x16.16.84m 、 lx16.20.78m 、 l x16.37.21m 、 l x16.46.17m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y16Q c (V1l x16.1V2l x16.2V3l x16.3V4l x16.4 )1.05 10 2612.126.8

36、45748.420.78 1624.90 ( 7.21) 1637.65 ( 6.17)510.74kN m工况三：G16.1Q cV11.051081.06(1886.1091881.00)4348.42kNG16.2Q cV21.051095.215.75 5748.42 kN某水电站进水口整体稳定、基底应力及变形计算第19页共38 页G16.3Q cV31.051029.76 5.2 1624.90kNG16.4Q cV41.051025.41 (1886.109 1881.00) 22726.21kN截面计算点至形心轴Y 的距离为：l x16.16.84m 、 lx16.20.78m 、 l x16.37.21m 、 l x16.46.17m截面计算点至形心轴Y 的距离产生的弯矩M y16Q c (V1l x16.1 V2l x16.2V3l x16.3V4l x16.4 )1.05 10 4348.426.84 5748.42 0.78 1624.90 ( 7.21) 2726.21 ( 6.17)5670.63kN m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。G16.116171.47 kNG16.25748.42kNG16.31624.90kNG16.410138.99 kN截面计算点至形心轴Y 的距