抗滑穩(wěn)定系數(shù)法及材料力學(xué)法在楓坑水庫安全復(fù)核中的應(yīng)用

李如潔,周定安,劉兆鋒

(溫州宏源水電建設(shè)有限公司,浙江溫州 325000)

1 概 況

楓坑水庫位于浙江省義烏市赤岸鎮(zhèn)張?zhí)镱泊迳嫌?00 m處,壩址以上集雨面積17.0 k m2,距義烏市30 k m,距赤岸鎮(zhèn)8 k m,對(duì)外交通主要以公路運(yùn)輸為主,目前有四級(jí)公路(毛永公路)直通壩址,對(duì)外交通便利。

水庫樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、輸水涵管及發(fā)電站組成。除險(xiǎn)加固前總庫容286萬m3。大壩為黏土心墻壩,壩高約33 m,壩頂長約161m,壩頂寬4m,壩頂高程159.30 m,正常蓄水位為155.45 m,相應(yīng)庫容為229萬m3,大壩右岸131.85～130.66 m處埋有條石砌筑的壓力拱涵,涵管總長145m,拱涵寬1.1 m,高1.15 m,發(fā)電輸水隧洞進(jìn)口底高程136.15 m,洞長137 m,襯后洞徑1.5 m。

溢洪道位于右岸壩頭,由側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、挑流鼻坎以及沖刷坑、出水渠等組成。側(cè)堰長度55m,堰面采用WE S型曲線,堰頂高程為186.0 m,堰體采用C25W6F 50鋼筋混凝土,堰體分縫處設(shè)有止水銅片,堰體基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。帷幕右岸延伸到正常蓄水位與相對(duì)不透水層相交處,并與大壩右壩頭防滲帷幕相邊接。

側(cè)槽底寬 8～12 m,底高程 181.0～180.5 m,內(nèi)坡1∶0.5。側(cè)槽末端接長為26 m的調(diào)整段,矩形斷面底寬12 m,底高程180.5 m;并在其上架設(shè)了一座寬6 m的交通橋,橋面高程189.3 m。泄槽段水平投影長度72 m,坡度 1∶1.8,矩形斷面底寬12 m。泄槽末端接挑流鼻坎,鼻坎高程139.84m,反弧半徑10.0 m,挑射角 20°,采用挑流消能,最大挑距86.0 m。挑流鼻坎下游設(shè)預(yù)挖沖刷坑、出水渠和下游楓坑溪相接。側(cè)堰、泄槽底板和導(dǎo)墻、挑流鼻坎等基礎(chǔ)均位于弱風(fēng)化至微風(fēng)化基巖上。溢洪道基礎(chǔ)要求置于弱風(fēng)化基巖上。

2 安全復(fù)核的必要性

2008年浙江省義烏市遭遇了超100 a一遇的洪水,超過防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),洪水漫過堤頂泄入城區(qū)。洪水期間發(fā)現(xiàn)防洪堤后有管涌、人行道路面磚變位起拱等現(xiàn)象。為了進(jìn)一步了解楓坑水庫溢流堰在經(jīng)歷了超標(biāo)準(zhǔn)洪水運(yùn)行后的安全性,更好的為義烏市赤岸鎮(zhèn)防洪決策提供科學(xué)依據(jù),確保楓坑水庫安全運(yùn)行,確保赤岸鎮(zhèn)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,開展了此水庫溢洪道安全復(fù)核論證的工作。

3 安全復(fù)核

3.1 溢流壩抗滑穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)水利部《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》S L 252 -2004及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》G B 50201-94的規(guī)定,楓坑水庫的洪水標(biāo)準(zhǔn)為 50～100 a一遇設(shè)計(jì),500～1000 a一遇較核。該水庫原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇設(shè)計(jì),1000 a一遇較核。應(yīng)水庫管理部門的要求,本次大壩安全鑒定,對(duì)以上 4種頻率的洪水情況下的大壩安全分別進(jìn)行復(fù)核,水位泄量見表1。

3.1.1 基本荷載

①壩體自重(包括上部永久設(shè)備重);②正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下的壩體上下游面的靜水壓力;③相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的揚(yáng)壓力;④泥沙壓力;⑤相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的浪壓力;⑥設(shè)計(jì)洪水時(shí)的動(dòng)水壓力[1]。

表1 水位泄量數(shù)據(jù)表

3.1.2 溢流壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

本次復(fù)核采用的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按規(guī)定取值見表 2。

壩體穩(wěn)定計(jì)算分別按《規(guī)范》中的抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式和抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行,即[2]

式中:K′為按抗剪斷計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f′為滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù);c′為滑裂面上的抗剪斷面凝聚力,k P a;A為滑裂動(dòng)面截面積,m2;W為作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載(含揚(yáng)壓力)對(duì)滑裂面的法向分值,k N;∑P為作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載(含揚(yáng)壓力)對(duì)滑裂面的切向分值, k N;K為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為滑裂面上的摩擦系數(shù)。

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

生物菌肥對(duì)鹽堿地燕麥生理特性及土壤速效養(yǎng)分的影響……………………………………………… 黃鋮程，劉景輝，楊彥明（57）

經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)果見表3、4,即滲壓折減系數(shù) α=1,α= 0.45。

3.2 溢流壩應(yīng)力計(jì)算——材料力學(xué)法

溢流壩應(yīng)力復(fù)核采用的計(jì)算模型及邊界條件同穩(wěn)定計(jì)算。壩基揚(yáng)壓力分別按滲壓系數(shù)α=0.65、α=1.0和α= 0.45考慮,壩體內(nèi)部揚(yáng)壓力,根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定,在上游壩面處為計(jì)算截面以上的上游水位H′,在下游壩面處為計(jì)算截面以上的下游水深H2′,在壩體排水管線上為 H2′+α3(H1′-H2′),取α=0.45。針對(duì)不同的計(jì)算工況、計(jì)算斷面和不同的滲壓圖形以及計(jì)入揚(yáng)壓力和不計(jì)入揚(yáng)壓力等組合。

表3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表(滲壓折減系數(shù)α=1)

表4 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表(滲壓折減系數(shù)α=0.45)

《規(guī)范》S L 25-2006規(guī)定:壩體應(yīng)力計(jì)算時(shí),壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法為基本分析方法。當(dāng)壩體設(shè)置混凝土防滲面板時(shí),也可考慮壩體一個(gè)方向異性,按分層異彈模方法分析[3]。

壩體應(yīng)力的計(jì)算主要的是壩基面和折坡處截面的上、下游面應(yīng)力。對(duì)于中、低壩可只計(jì)算壩面應(yīng)力。

3.2.1 壩體的抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)的要求

1)在基本荷載組合時(shí),應(yīng)≥3.5。

2)在特殊荷載組合時(shí),應(yīng)≥3.0。

1)在各種荷載(地震荷載除外)組合下,壩基面垂直正應(yīng)力應(yīng)小于砌石體容許壓應(yīng)力和地基容許承載力。

2)壩基面最小垂直正應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力。

3)壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于砌體容許壓應(yīng)力。

4)壩體內(nèi)一般不得出現(xiàn)拉應(yīng)力。溢流堰頂、廊道和孔洞周邊除外,當(dāng)這些部位出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí),應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

5)需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的壩體,應(yīng)符合《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》S L 203-97的規(guī)定。

3.2.3 計(jì)算方法、公式

根據(jù)《規(guī)范》S L 25-2006的以上規(guī)定,在進(jìn)行楓坑水庫安全評(píng)價(jià)復(fù)核計(jì)算時(shí),分別采用以下兩種計(jì)算方法進(jìn)行復(fù)核。

1)視漿砌石壩體壩體為各向同性的均質(zhì)體。

2)考慮壩體分層異彈模特性,按折算斷面轉(zhuǎn)化為均質(zhì)體計(jì)算。

由于規(guī)范附錄中的公式是針對(duì)混凝土防滲面板的情況,根據(jù)本工程為心墻的實(shí)際,考慮分層異彈模特性,用材料力學(xué)法計(jì)算砌石壩體壩體應(yīng)力的原理與方法。

計(jì)算公式為:

式中:Ec為混凝土彈性模量;Es為壩體漿砌石彈性模量。折算面積:

折算面積形心距上游面距離

形心距下游面距離:折算截面慣性矩:

3)壩面應(yīng)力

上游面垂直正應(yīng)力:

下游面垂直正應(yīng)力:

上游面主應(yīng)力:

下游面主應(yīng)力:

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表 5。

4 結(jié) 論

由表 3看出,當(dāng)揚(yáng)壓力按《規(guī)范》中的直線分布,即滲壓折減系數(shù)取 1.0計(jì)算時(shí),抗剪斷安全系數(shù)在正常蓄水位工況下除16.0 m高程外全部滿足《規(guī)范》要求?？辜魪?qiáng)度安全系數(shù)全部不滿足規(guī)范要求。

表5 溢流壩段19.5m高程截面應(yīng)力計(jì)算成果表(滲壓系數(shù)α=0.45) k P a

由表 4看出,當(dāng)揚(yáng)壓力按滲壓折減系數(shù) 0.45計(jì)算時(shí),抗剪斷安全系數(shù)全部滿足《規(guī)范》要求。抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)1000 a一遇校核洪水情況下,32.0 m高程及墊層混凝土與壩體(即16.5m高程和19.5m高程)接觸面的安全系數(shù)都不滿足要求。

由表 5看出,應(yīng)力分析分別采用了材料力學(xué)法,在各個(gè)計(jì)算斷面的上游壩面處,計(jì)及揚(yáng)壓力作用時(shí),上游邊緣處的正應(yīng)力及主應(yīng)力在1000 a一遇校核洪水位時(shí)均出現(xiàn)拉應(yīng)力,在α=0.45時(shí),壩踵處有較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生。計(jì)算都得出在溢流壩上游壩踵處產(chǎn)生拉應(yīng)力,不滿足規(guī)范要求,因此,壩體應(yīng)力不安全。

根據(jù)對(duì)壩體的穩(wěn)定分析結(jié)果,以及用抗滑穩(wěn)定復(fù)核和材料力學(xué)法復(fù)核兩種方法進(jìn)行的分析成果來看。楓坑水庫溢流壩段整體不穩(wěn)定,應(yīng)力不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行加固處理。

[1] 龐潔.梧州市河?xùn)|防洪堤安全復(fù)核及工程加固設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科學(xué)與發(fā)展,2009(18):179-182.

[2] 韓勃,劉曉青 .基于有限元的萬家寨混凝土重力壩安全復(fù)核[J].人民黃河,2009,31(5):116-117.

[3] 吳文彬,徐培.陽西茅垌水庫土壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核[J].廣東水利水電,2007(1):42-44.