第一节 地面厂房整体稳定和地基应力计算

    水电站厂房结构一般可分为三个组成部分。
    1.上部结构
    主厂房的上部结构包括各层楼板及其梁柱系统、吊车梁和构架、以及屋顶及围护墙等。其作用主要为承受设备重量、活荷重和风雪荷载等，并传递给卞部结构。
    2.下部结构
    厂房的下部结构包括蜗壳、尾水管和尾水墩墙等结构。对于河床式厂房，下部结构中还包括进水口结构。其作用主要为承受水荷载的作用、构成厂房的基础，承受上部结构、发电支承结构，将荷载分布传给地基和防渗等。
    3.发电机支承结构、
    发电机支承结构的作用是承受机组设备重以及动力荷载，传给下部结构。
    根据教学大纲的要求，本章主要内容为厂房整体稳定和地基应力计算，发电机支承结构、蜗壳和尾水管结构的结构设计原理。

  地面厂房在水平荷载如水压力和土压力等以及扬压力的作用下应保持整体稳定，厂基面上垂直正应力应满足规范要求。稳定不能保证、地基应力不满足要求时，应采取措施，如设置灌浆帷幕和排水孔降低扬压力，对坝后式厂房可以考虑是否采用厂坝整体连接方式，利用坝体帮助稳定。
    厂房整体稳定和地基应力计算的内容一般包括沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定和厂基面垂直正应力计算。河床式厂房本身是童水建筑物，厂房地基内部存在软弱层面时，还应进行深层抗滑稳定计算。
    一、计算情况和荷载组合
    厂房稳定和地基应力计算要考虑厂房施工、运行和扩大检修期的各种不利情况，主要计算情况如下：
    1.正常运行
    对河床式厂房来说争正常运行情况中应考虑两种水位组合：
    (1)上游正常蓄水位和下游最低水位。这种组合情况厂房承受的水头最大，但扬压力不大。
    (2)上游设计洪水位和下游相应水位。这种情况扬压力较大，对稳定不利。
    对坝后式厂房和引水式厂房来说，引起稳定问题的水平荷载为下游水压力，正声运行情况中取下游设计洪水位进行组合。厂房上游面作用的荷载有压力管道和下部结构纵缝面上的水压力，后者作用的面积与止水的布置方式有关，水压力的压强则与厂基面扬压力分布图有关，根据具体情况确定。
    正常运行情况中厂房内有结构和设备重以及水重。
    2.机组检修
    河床式厂房机组检修情况计算中，上、下游水位分别一取上游正常蓄水位和下游检修水位，机组设备重及流道内的水重均不考虑。在这种情况下，厂房承受的水头大，而厂房的重量轻，只有结构自重，对稳定不利。
    坝后式和引水式厂房机组检修情况计算中，下游取检修水位，其余同上。
    3.施工情况
    厂房施工一般是先完成一期混凝土浇筑和上部结构，以后顺序逐台安装机组并浇筑二期混凝土，机组安装周期较长，如机组是分期安装的，厂房的施上安装期更长，所以要进行施工情况的稳定计算。在这种计算情况中，二期混凝土和设备重不计，厂房重量最轻，而厂房已经承受水压，对抗滑和抗浮不利。这种计算情况也称为机组未安装情况。
    河床式厂房机组未安装情况的上游水位取正常蓄水位或设计洪水位，下游取相应最不利水位。坝后式和引水式厂房下游取设计洪水位。
    如厂房位于软基上，地基承载力低，施工期还需考虑本台机组已安装，而吊车满载通过的情况，如厂房尚未承受水压，则厂基面无扬压力作用，流道中也无水重。
    4.非常运行情况
    河床式厂房非常运行情况时，上游取校核洪水位，下游取相应最不利水位。坝后式和引水式厂房下游取校核洪水位。
    5.地震情况
    河床式厂房地震情况时，上游取正常蓄水位，下游取最低尾水位。坝后式厂房和引水式厂房下游取满载运行尾水位。
    以上所述各种情况中，正常运行情况的荷载组合为基本组合，其他为特殊组合。厂房基础设有排水孔时，特殊组合中还要考虑排水失效的情况。以上所述各种情况中，其他应考虑的荷载与混凝土重力坝稳定计算中相同。
    厂房整体稳定和地基应力计算应对中间机组段。边机组段和装配场段分别进行。边机组段和装配场段，除了有上下游水压力作用外，还可能受侧向水压力的作用，或者还有侧向土压力存在，所以必须核算双向水压力作用下的整体稳定性和地基应力。
    二、扬压力的确定
    作用于厂房基础的扬压力，按全部计算面积考虑。
    河床式厂房的扬压力计算图形，按（SDJ21-78,试行）《混凝土重力坝设计规范》补充规定来用。
    引水式厂房的扬压力计算图形，基础无排水设施时厂房上下游水位相同，扬压力图形按浮托力确定，有排水设施时，可参照《混凝土重力坝设计规范》补充规定确定。
    坝后式厂房的扬压力计算图形，应根据厂坝的连接方式和排水设施情况，与坝体共同考虑。
    山区河流，洪枯水位变幅大，洪水位具有暴涨暴落的特点，在水位上升和下降的过程中，厂房地基内产生非恒定渗流，厂基面上各处扬压力最大值出现的时间滞后于厂房下游洪水位，峰值也减小。如前所述，坝后式和引水式水电站厂房的整体稳定性和地基应力在厂房下游洪水位时最为不利，因而，如洪峰历时短，厂基扬压力计算图形可考虑非恒定渗流的时间效应，通过非恒定渗流计算酌予减小。
    三、计算方法和要求
    1.抗滑稳定计算
    厂房抗滑稳定性可按抗剪断强度公式或抗剪强度公式计算
    (1)抗剪断强度计算公式

式中—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
    、—滑动面的抗剪断摩擦系数及抗剪断粘结力；
    A—基础面受压部分的计算面积；
    —全部荷载对滑动面的法向分值（含扬压力）；
    —全部荷载对滑动面的切向分值（含扬压力）。
    (2）抗剪强度计算公式

式中K—按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
    f—滑动面的抗剪摩擦系数。
    (3)整体抗滑稳定安全系数。根据(SD335-89，试行）《水电站厂房设计规范》，厂房整体抗滑稳定的安全系数不分等级按表18-1选用。

—计算段上全部荷载在厂基面上的法向分力总和；
    、—计算段上全部荷载对厂基面廿算截面形心轴X、Y的力矩总和。
    x、y—计算截面上任意点对形心的坐标值；
    、—计算截面对形心轴X, Y轴的惯性矩，
    A—厂基面计算截面积。
    式(18-4)假定厂房基础为刚体，厂基面地基应力为线性分布。
    水电站厂房的基础结构中，尾水管底板的厚度不大，底板相对地基的刚度较小时，其底面上的地基应力比周围要小，尤其是肘管段的底板，在扬压力的作用下，肘管段底板底面的中间部分甚至会与地基脱开，这一部分也就无地基应为存在。因而，在进行地基应力计算时，应根据具体情况，在计算截面确定时扣除部分面积。尾水管扩散段底板为分离式时，其面积也不包括在计算截面内。
    用尾水管底板有限元分析，可直接求得考虑底板柔度影响的厂基面地基应力分布图。
    （2）计算要求。厂房地基面上的垂直正应力应符合下列要求：
    1)厂房地基面上承受的最大垂直正应力，不论是何种型式的厂房，在任何情况下均不应超过基岩的允许压应力。在地震情况下基岩允许压应力可适当提高。
    2)厂房地基面上承受的最小垂直正应力（计入扬压力），对于河床式厂房，不论是正常运行还是非常运行情况都应大于零，只有在地震情况下才允许出现不大于lO的拉应力。
    对于坝后式和引水式厂房，正常运行情况下，一般应大于零；非常运行情况下，允许出现不大于10-20的局部拉应力。地震情况下，如出现大于10-20，的拉应力，应进行专门论证。
    厂房整体稳定和地基应力计算不满足要求时，应在厂房地基中采取防渗和排水措施，如图18-2中的厂房。坝后式厂房可以考虑厂坝整体连接，利用坝体帮助稳定。