设计与计算：寒区平原水库的石混凝土与钢筋混凝土护坡

寒区平原水库土坝护坡设计,除按常规(按碾压式土石坝设计规范)校核浮力与风浪作用下的稳定外,还须进行抵抗冰冻破坏的校核、计算。

1.抗冻胀稳定、合理,确定防冻层厚度的计算方法

现有的寒区平原水库土坝护坡防冻层薄,冻胀比较普遍。主要冻胀隆起发生在高于冰面2.0m 以下至冰面范围内。其中大约在高于冰面1.0m 左右冻胀量最大,可选作冻胀计算中的冻深计算点。

考虑到寒区平原水库缺少建筑材料,通常所设计的护坡可以有一定程度的冻胀,在保证水库土坝护坡正常运行的情况下,合理确定工程结构厚度。

设计计算中得到的护坡冻胀量与允许冻胀量进行比较,从而校核设计工程结构的初拟值是否正确。

护坡设计计算步骤如下。

(1)按常规要求拟定护坡反滤层厚度与结构。

(2)按护坡防冰冻要求,初拟护坡结构厚度(即初拟面层、反滤层、防冻层,其总厚度为工程结构厚度)。在初拟时,可按工程地点0.8倍的冻深考虑。

(3)考虑工程结构建材影响的工程设计冻深计算:首先计算工程地点设计冻深。工程设计冻深按第7章式(7.4)计算即

考虑结构与建材影响修正后的工程设计冻深计算:

式中 H′d——考虑结构与建材影响修正后的工程设计冻深;

Ka1——护坡面层材质修正系数;

d1——护坡面层的厚度;

Ka2——护坡碎石垫层材质修正系数;

d2——护坡碎石垫层厚度;

Ka3——护坡砂垫层材质修正系数;

d3——护坡砂垫层厚度。(www.xing528.com)

(4)残余冻土层厚度Cd计算。护坡的冻胀由工程结构物下面的残余冻土层的冻胀引起。残余冻土层的厚度为Cd

式中 Hs——工程结构厚度(含护坡各结构层的总厚度)。

(5)残余冻土作用下,护坡冻胀量计算。黏性土的冻胀量按式(8.8)计算

式中 h′——护坡冻胀量,cm;

Hd——工程设计冻深,cm,当用于计算地基土冻胀量hf时,采用地基土设计冻深Hf;

Zw——地下水位埋深深度,cm。

冻胀量h′的计算比较繁杂,为了便于设计和计算工作,黑龙江省水利科学研究院应用冻胀量计算公式,根据寒冷地区平原水库的特点,在大量计算的基础上,绘制了水库护坡残余冻胀量诺模曲线图,如图8.10所示。

(6)控制所设计护坡冻胀量,限制在允许范围内。将诺模图中查得的冻胀量值与护坡工程允许冻胀量相比较,比较其是否在护坡允许冻胀量范围内。允许冻胀量值是根据对黑龙江省一些平原水库护坡的冻胀位移观测资料分析,考虑到各类护坡面层厚度和平面尺寸的不同、护坡工程建筑等级的不同、工程实际运用情况不同来初步拟定的。比如埋石混凝土面层厚度大,适应位移性能强,允许位移值可以稍大一些;平面尺寸大,允许位移值也可以稍大一些。工程建筑等级高的要求严格一些,护坡允许冻胀量见表8.2。

表8.2　护坡允许冻胀量值(每块混凝土块的最大冻胀量)　单位:cm

当计算成果h′小于允许冻胀值很多时,为避免工程造价增加,可以在设计中减薄工程结构中的垫层厚度,达到工程设计的经济合理。合理确定护坡防冻层 (工程结构厚度)总厚度的计算步骤:①按当地设计冻深0.8倍初步拟定护坡工程结构厚度;②在考虑材质影响的情况下对护坡工程结构厚度进行修订;③计算残余冻土深度;④通过查诺模图计算冻胀量h′;⑤与允许护坡位移值进行比较;⑥当计算冻胀量小于允许值时,且与允许值相近,确认初拟护坡工程结构厚度合理;⑦当计算冻胀量大于允许值,且与允许值相差太远,应重新拟订护坡工程结构厚度,开始新一轮的试算。

图8.10　护坡冻胀量诺模曲线图

根据计算步骤,绘制其计算流程框图,如图8.11所示。

2.抗冰推护坡稳定计算

每当气温回升、冰盖层因所具有的固态属性,产生体积膨胀,对护坡产生推力作用。计算冰推护坡稳定时,分析计算四个与冰推作用有关的计算因素,再利用可能产生的滑动面,进行护坡稳定分析。