XX米高扶壁式計算手算與軟件復核的結構設計一、基本資料某電站尾水電站總裝機3250KW（2000KW+1250KW），最大引水流量為40m3/s（循環尾水），根據水利水電工程等級劃分及洪水標準（SL252-2000），本電站工程規模為小（2）型，工程等別為等，主要建筑物和次要建筑物工程級別均為5級。根據水工混凝土結構設計規范（DL/T 50571996），建筑物結構安全級別為級。根據中國地震動參數區劃圖（GB183062001），本區地震動峰值加速度小于0.05g，相當于地震烈度低于度，區域穩定。根據水工建筑物抗震設計規范（GB50771997）的規定，可不作抗震安全復核。二、工程布置 根據計算，本電站兩臺機組運行時需要調節水量8095m3，結合現場地形及上下游建筑物布置形式，前池總體呈梯形布置，上游接進口轉換井，下游接廠房進水口及溢流孔，總長42.0m，進口寬10.0m，出口總寬27.0m（詳見施工平面圖）。前池底板高程20.5m，與溢流孔進口底板同高，邊墻墻頂高程33.4m。正常運行時，池內正常水位31.8m，因故障突然停機時，池內最高水位32.77m。邊墻外側距墻外邊緣10.0m范圍內回填土地面高程28.0m（自然地面高程22.5023.50），然后以1：2邊坡與自然地面銜接。三、結構形式及尺寸擬定：前池采用底板與邊墻分離式鋼筋混凝土結構，結構所處的環境類別為二類，素混凝土及回填部分采用C15混凝土，鋼筋混凝土采用C25混凝土，鋼筋采用級（fy=210Nmm2）、級（fy=310Nmm2）鋼筋。底板厚度擬定為0.6m，邊墻采用扶壁式擋土墻結構，墻面板厚度初定為0.6m，底板厚度初定為0.8m，扶壁厚度初定為0.4m，底板總寬度初定為8.0m，前趾板凈挑底度初定為1.0m，扶壁間凈距初定為4.0m。邊墻斷面尺寸如下圖所示。四、結構穩定計算本工程前池為半埋式地下結構，邊墻與底板之間設縫分開，穩定計算只計算邊強的地基應力、抗傾、抗滑穩定及底板的抗浮穩定。計算荷載考慮基本組合和特殊組合兩類，詳見下表：荷載組合計算情況荷 載說 明自重水重靜水壓力揚壓力土壓力淤沙壓力風壓力浪壓力冰壓力土的凍脹力地震荷載其它基本組合完建工況正常運行特殊組合事故停機1、荷載統計素混凝土容重取24.0KN/m3，鋼筋混凝土容重取25.0KN/m3，墻后回填土容重取20.0KN/m3，水重取10KN/m3。邊墻計算取兩個扶壁中心軸線間距單元體為計算單元（計算單元長度4.0+0.4=4.4，1#墻），進行穩定計算。（1）結構自重計算：A）底板：（h=800）：G1=258.04.40.8=704.0 KNB）墻面板：（h=600）G2=2512.94.40.6=851.4 KNC）扶壁：（h=400）G3=250.5(0.5+6.4)11.30.4=389.85 KND）踵板上土重：G4=204.46.47.5=4224.0 KNE）前趾上水重：正常運行期：G5=10.01.04.4(31.80-20.5) =497.2 KN溢流期： G5=10.01.04.4(32.77-20.5) =539.88 KN（2）墻后回填土側向土壓力計算：回填土容重取=20KN/m3，按靜止土壓力計算，采用水工荷載規范公式(11.1.3)靜止土壓力公式計算；作用于單位長度墻背的靜止土壓力標準值為：式中：FOK 靜止土壓力標準值(KN/m)K0 靜止土壓力系數； 墻后填土的有效內摩擦角。查水工建筑物荷載規范表F5，取K0=0.52，作用在計算單元墻背上的靜止土壓力為： （3）靜水壓力正常運行時，設計水位為31.80m； 事故停機溢流時，前池最高水位為32.77m； （4）揚壓力 本工程前池段場區地面高程為23.023.6m，根據地質勘察報告ZK2313、ZK2328、ZK2329，鉆孔穩定水位均為0.3m，初步確定前池場區地下水位按23.0m計。邊墻底板底面高程為19.7m，作用在計算單元體底板上的揚壓力為：F2=10.0(23.0-19.7)4.48.0=1161.6KN2、地基強度穩定計算分別對施工完建期、正常運行期和泄洪期三種工況進行地基承載力驗算施工完建期(計算詳見表一)表一 施工完建期計算表序號荷載名稱豎向力水平力對底板中心線取矩對傾覆點A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.02496.02面板G2774.02.72089.981.31006.23扶壁G3389.850.25599.413.7451460.04土重G43840.00.83072.04.818432.05水重G500.006土壓力Fok1576.22.774366.12.774366.17水壓力F1008揚壓力合計5627.851576.23072.06555.4923394.24366.15627.851576.23483.49由上表計算可知：N=5627.85 KN F=1576.2 KN-m M=3483.49 KN-m底板底面積為：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基應力計算： 200MPa地基應力不均勻系數： b) 抗滑穩定計算： 抗滑穩定按水閘設計規范（SL265-2001）公式（7.3.6-1）計算： c) 抗傾覆穩定計算： 抗傾覆穩定按水閘設計規范（SL265-2001）公式（7.4.8）計算：正常運行期(計算詳見表二)表二 正常運行期計算表序號荷載名稱豎向力水平力對底板中心線取矩對傾覆點A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.524962面板G2774.02.72089.81.81006.23扶壁G3389.850.25599.414.5891460.0 4土重G43840.00.83072.05.55184325水重G5497.23.51740.20.75248.66土壓力Fok1576.22.774366.72.774366.7 7水壓力F12809.24.5712838.14.5712838.1 8揚壓力合計6125.052809.21576.215910.18296.1136480.94366.76125.0512337613.99由上表計算可知：N=6125.05 KN F=280.22 KN-m M=1068.01 KN-m底板底面積為：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基應力計算： 地基應力不均勻系數： b) 抗滑穩定計算： 抗滑穩定按水閘設計規范（SL265-2001）公式（7.3.6-1）計算： c) 抗傾覆穩定計算： 抗傾覆穩定按水閘設計規范（SL265-2001）公式（7.4.8）計算：最高水位時(計算詳見表三)表三 泄洪時計算表序號荷載名稱豎向力水平力對底板中心線取矩對傾覆點A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.524962面板G2774.02.72089.81.81006.23扶壁G3389.850.25599.414.5891460.0 4土重G43840.00.83072.05.55184325水重G5539.883.51889.580.75269.946土壓力Fok1576.22.774366.72.774366.7 7水壓力F23312.24.8916196.74.8916196.7 8揚壓力合計6167.733312.21576.219268.78445.4939860.844366.76167.73173610823.21由上表計算可知：N=6167.73 KN F=394.54 KN-m M=1681.96 KN-m底板底面積為：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基應力計算： 1.5，自面板起至離面板1.5l1=1.54.0=6.4m為止部分，按三邊固定一邊自由雙向板計算；在此以外部分按單向連續板計算。 a）雙向板部分結構計算（計算簡圖及荷載分布如下圖）施工完建期： q1=169.35-0.9（250.8+150.0）=16.35 KN/m q2=165.08-0.9（250.8+150.0）=12.08 KN/m正常運行期： q1=168.39-0.9（250.8+150.0）=15.39 KN/m q2=204.23-0.9（250.8+150.0）=51.23 KN/m泄洪期： q1=161.41-0.9（250.8+150.0）=8.41 KN/m q2=217.85-0.9（250.8+150.0）=64.85 KN/m取泄洪期為最不利工況，荷載取q=64.85均布荷載（簡化計算），查水工混凝土結構設計手冊表18-1(j）計算板內力，:Mx=64.850.04024.02=41.72 KN-mMy=64.850.01134.02=11.73 KN-mMxo=64.850.0794.02=81.98 KN-mMyo=64.850.05694.02=59.04 KN-mb）連續板部分結構計算（計算簡圖及荷載分布如下圖）施工完建期： q=165.08-0.9（250.8+150.0）=12.08 KN/m 正常運行期： q=206.61-0.9（250.8+150.0）=53.61 KN/m泄洪期： q=221.61-0.9（250.8+150.0）=68.61 KN/m按兩跨連續梁計算內力，取泄洪期為最不利工況，荷載取q=1.268.61=82.33KN/m:MB =0.12582.334.42=199.25 KN-mMmax=0.0782.334.42=111.57 KN-mc) 配筋計算 按M=199.25 KN-m 進行配筋：正截面配筋計算見下表：M(KN-m)0dM(%)min(%)As(mm2)199.25239.10.0370.0380.1570.151129五、面板結構計算 面板荷載土壓力和水壓力等水平向外力。面板計算按兩種情況考慮：a）踵板凈寬l2與扶壁間凈距l1的比值l2/l11.5時，按三邊固定一邊自由雙向板計算；b）踵板凈寬與扶壁間凈距的比值l2/l11.5時，則自面板起至離面板1.5l1為止部分，按三邊固定一邊自由雙向板計算；在此以外部分按單向連續板計算。底板荷載分布如下圖所示：a）雙向板部分結構計算（計算簡圖及荷載分布如下圖）施工完建期： q1=201.50.52=15.6 KN/m q2=207.50.52=78.0 KN/m正常運行期： q1=201.50.52-105.3=-37.4 KN/m q2=207.50.52-1011.3=-35.0 KN/m泄洪期： q1=201.50.52-106.27=-47.1 KN/m q2=207.50.52-1012.27=-44.7 KN/m查水工混凝土結構設計手冊表18-1(j）和表18-2（l）計算板內力，荷載分別取施工完建期和泄洪期分別計算:施工完建期：Mx=(15.60.0402+62.40.0184)4.02=11.52 KN-mMy=(15.60.0113+62.40.007)4.02=1.23 KN-mMxo=(15.60.0794+62.40.0387)4.02=47.86 KN-mMyo=(15.60.0569+62.40.0421)4.02=37.31 KN-m泄洪期(按q=46.8 KN/m均布荷載計算) ：Mx=47.10.04024.02=30.29 KN-mMy=47.10.01134.02=8.52 KN-mMxo=47.10.07944.02=59.84 KN-mMyo=47.10.05694.02=42.88 KN-mb）連續板部分結構計算（計算簡圖及荷載分布如下圖）施工完建期： q=201.50.52=15.6 KN/m (26.5高程處)正常運行期： q= 103.8=38.0 KN/m (28.00高程處)泄洪期： q= 104.77=47.7 KN/m (28.00高程處)按兩跨連續梁計算內力，分別取施工完建期（背面不利）和泄洪期（正面不利）工況進行計算:施工完建期：MB =0.125(1.215.6)4.42=45.31 KN-mMmax=0.07(1.215.6)4.42=25.37 KN-m泄洪期：MB =0.12547.74.42=115.44 KN-mMmax=0.0747.74.42=64.65 KN-mc) 配筋計算 按M=90.69 KN-m 進行配筋：正截面配筋計算見下表：M(KN-m)0dM(%)min(%)As(mm2)115.44138.530.0370.03730.1560.15856六、扶壁計算 1、內力計算沿扶壁高度分別在20.5m、24.5m和28.0m高程處取三個截面，分別計算各截面的內力。施工完建期，各截面處的彎矩分別為：作用扶壁各截面上的剪力分別為： 扶壁水平向與面板的拉力（20.50m高程）： T1=7.5200.523.9=304.2 KN扶壁垂直向與底板的拉力： T20配筋計算20.5m、24.5m和28.0m高程處三個截面尺寸如下圖所示：截面1： M1=731.25 KN-m d M1=1.2731.25=877.5 KN-m fc bf hf (h0-hf/2) =1.254400600(6900-600/2) =2178 KN-m d M1 fc bf hf (h0-hf/2)所以屬第一類情況的T形梁，按寬度為4400的矩形梁計算。配筋計算見下表：M(KN-m)0dMAs(mm2)731.25877.50.000340.00034433截面2： M2=74.32 KN-m d M2=1.274.32=89.19 KN-m fc bf hf (h0-hf/2) =1.254400600(4800-600/2) =1485 KN-m d M1 1.300(二) 傾覆穩定性驗算 相對于墻趾點，墻身重力的力臂 Zw = 2.611 (m) 相對于墻趾點，墻踵上土重的力臂 Zw1 = 3.592 (m) 相對于墻趾點，Ey的力臂 Zx = 6.537 (m) 相對于墻趾點，Ex的力臂 Zy = 2.767 (m) 驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性 傾覆力矩= 634.202(kN-m) 抗傾覆力矩= 5672.902(kN-m) 傾覆驗算滿足: K0 = 8.945 1.500(三) 地基應力及偏心距驗算 基礎為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力 作用于基礎底的總豎向力 = 1369.962(kN) 總彎矩=5038.700(kN-m) 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離 Zn = 3.678(m) 基底壓應力: 趾部=212.603 踵部=129.888(kPa) 最大應力與最小應力之比 = 212.603 / 129.888 = 1.637 作用于基底的合力偏心距驗算滿足: e=0.322 200.000(kPa)(四) 墻趾板強度計算 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基礎底面合力作用點距離趾點的距離 Zn = 3.678(m) 基礎底壓應力(乘分項系數后): 趾點=255.123 踵點=155.865(kPa) 趾板根部 截面高度: H = 0.800(m) 截面剪力: Q = 228.920(kN) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 截面彎矩: M = 115.494(kN-m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.045 (mm)。(五) 墻踵板強度計算 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基礎底面合力作用點距離趾點的距離 Zn = 3.678(m) 基礎底壓應力(乘分項系數后): 趾點=255.123 踵點=155.865(kPa) 截面高度: H = 0.800(m) 踵板邊緣的法向應力 = 11.806(kPa) 踵板與肋結合處剪力: Q = 23.612(kN/m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 跨中彎矩: M = 9.445(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.004 (mm)。 支座彎矩: M = 15.741(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.006 (mm)。(六) 墻面板強度計算 截面厚度: H = 0.600(m) 替代土壓力圖形中，面板的設計法向應力 = 22.734(kPa) 水平向強度驗算 支座處剪力: Q = 45.467(kN/m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 跨中彎矩: M = 18.187(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.013 (mm)。 支座彎矩: M = 30.311(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.021 (mm)。 豎向強度驗算 最大正彎矩: M = 15.413(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.011 (mm)。 最大負彎矩: M = 61.653(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.044 (mm)。(七) 肋板截面強度驗算 距離墻頂 2.825(m)處 截面寬度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 2.200(m) 翼緣寬度 BT = 1.400(m) 翼緣高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 65.974(kN) 截面彎矩 M = 62.125(kN-m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 抗彎受拉筋: As = 1760(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.007 (mm)。 距離墻頂 5.650(m)處 截面寬度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 3.800(m) 翼緣寬度 BT = 2.400(m) 翼緣高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 263.895(kN) 截面彎矩 M = 497.002(kN-m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 抗彎受拉筋: As = 3040(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.020 (mm)。 距離墻頂 8.475(m)處 截面寬度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 5.400(m) 翼緣寬度 BT = 3.400(m) 翼緣高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 593.764(kN) 截面彎矩 M = 1677.382(kN-m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 抗彎受拉筋: As = 4320(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.05% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.033 (mm)。 距離墻頂 11.300(m)處 截面寬度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 7.000(m) 翼緣寬度 BT = 4.400(m) 翼緣高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 1055.579(kN) 截面彎矩 M = 3976.016(kN-m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 抗彎受拉筋: As = 5600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.07% 1.300(二) 傾覆穩定性驗算 相對于墻趾點，墻身重力的力臂 Zw = 2.565 (m) 相對于墻趾點，墻踵上土重的力臂 Zw1 = 3.601 (m) 相對于墻趾點，Ey的力臂 Zx = 6.495 (m) 相對于墻趾點，Ex的力臂 Zy = 3.033 (m) 驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性 傾覆力矩= 624.872(kN-m) 抗傾覆力矩= 4850.598(kN-m) 傾覆驗算滿足: K0 = 7.763 1.500(三) 地基應力及偏心距驗算 基礎為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力 作用于基礎底的總豎向力 = 1196.188(kN) 總彎矩=4225.726(kN-m) 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離 Zn = 3.533(m) 基底壓應力: 趾部=201.932 踵部=97.115(kPa) 最大應力與最小應力之比 = 201.932 / 97.115 = 2.079 作用于基底的合力偏心距驗算滿足: e=0.467 200.000(kPa)(四) 墻趾板強度計算 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基礎底面合力作用點距離趾點的距離 Zn = 3.533(m) 基礎底壓應力(乘分項系數后): 趾點=242.319 踵點=116.538(kPa) 趾板根部 截面高度: H = 0.800(m) 截面剪力: Q = 214.457(kN) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 截面彎矩: M = 108.539(kN-m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.045 (mm)。(五) 墻踵板強度計算 基礎底面寬度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基礎底面合力作用點距離趾點的距離 Zn = 3.533(m) 基礎底壓應力(乘分項系數后): 趾點=242.319 踵點=116.538(kPa) 截面高度: H = 0.800(m) 踵板邊緣的法向應力 = 30.037(kPa) 踵板與肋結合處剪力: Q = 63.078(kN/m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 跨中彎矩: M = 26.493(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.011 (mm)。 支座彎矩: M = 44.154(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1600(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.018 (mm)。(六) 墻面板強度計算 截面厚度: H = 0.600(m) 替代土壓力圖形中，面板的設計法向應力 = 19.163(kPa) 水平向強度驗算 支座處剪力: Q = 40.242(kN/m) 截面抗剪驗算滿足，不需要配抗剪腹筋 跨中彎矩: M = 16.902(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.013 (mm)。 支座彎矩: M = 28.170(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(mm2) 抗彎拉筋構造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂縫寬度為: 0.021 (mm)。 豎向強度驗算 最大正彎矩: M = 14.608(kN-m/m) 抗彎受拉筋: As = 1200(m