唐河水庫大壩設(shè)計(jì)及穩(wěn)定分析

孛永平

(山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,山西太原030024)

0 引 言

唐河水庫位于山西省靈丘縣東河南鎮(zhèn)韓淤地村西170 m,距靈丘縣城約22 km,地理位置介于北緯37°22′～ 39°24′、東經(jīng) 113°57′～ 114°01′之間。唐河屬海河流域大清河水系,壩址以上控制流域面積457 km2。唐河水庫為綜合利用水庫,工程任務(wù)為:以水力發(fā)電、工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼顧防洪。水庫工程等別為Ⅳ等,總庫容950×104m3,洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水設(shè)計(jì),1 000 a一遇洪水校核,地震基本烈度Ⅶ度。樞紐工程包括攔河壩、泄洪閘、灌溉洞、供水管道、廠房以及尾水渠等。攔河大壩包括混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩,壩頂高程1 067.400 m,最大壩高30.4 m,壩頂寬6 m,混凝土面板堆石壩壩長279.5 m,上、下游壩坡均為1∶1.4,混凝土重力壩壩長69 m,上游壩面1 048.000 m高程以上為豎直面,以下坡比為1∶0.15,下游 1 059.4 m高程以下坡比 1∶0.75,以上為直立面。校核洪水位1 065.270 m,設(shè)計(jì)洪水位1 061.460 m,正常蓄水位1 064.000 m。

唐河水庫庫區(qū)屬于低山丘陵地區(qū),兩岸地形相對高差為20 m～80 m。唐河河谷寬為0.4 km～1.0 km,縱向坡度約為 8‰。唐河河谷呈寬“U”字形,兩岸沖溝頗為發(fā)育,基本上與唐河垂直。大部分邊坡基巖裸露,岸坡較陡。水庫蓄水后不存在永久性滲漏問題。在天然狀態(tài)下,庫岸岸坡是穩(wěn)定的。

本文對唐河水庫[1-2]混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩以及泄洪沖砂閘進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時對混凝土重力壩的應(yīng)力和壩基抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析,以及根據(jù)規(guī)范校核了泄洪閘穩(wěn)定性,論證了樞紐工程設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)地形條件

唐河水庫壩址區(qū)河谷呈“U”字形,谷底寬360 m左右,地面高程為1048 m～1 050 m。河谷地勢開闊平緩,谷底由河床和漫灘組成,兩岸未見階地發(fā)育。兩岸山體邊坡較陡,坡度為30°～ 45°,基巖裸露,在山坡上為黃土覆蓋,與谷底相對高差一般為20 m～80 m。在壩軸線左岸上游和右岸下游附近發(fā)育“V”字形沖溝,溝內(nèi)有泉水出露。壩址區(qū)河谷地段曾兩次施工開挖,在河槽北留下一長155 m,寬48 m～75 m的基坑,四周堆積卵石混合土。在原重力壩軸線上游21 m處有一截水墻,南至南山坡腳,北至北躍渠南岸,上下游回填有約6 m厚的紅粘土,左右兩壩肩均為人工開挖后的堆積物。

壩址區(qū)地層巖性主要為太古界五臺群老潭溝組變質(zhì)巖、燕山期侵入巖及第四系松散堆積物。壩址區(qū)處于燕山沉降帶與山西中臺隆交接部位,起控制作用的地質(zhì)構(gòu)造是唐峪河～唐河大斷裂,該大斷裂在壩址區(qū)上游的蔡家峪村附近,受唐峪河～唐河大斷裂影響,壩址區(qū)發(fā)育有次級斷裂,巖體較破碎。壩址區(qū)基巖屬古老的結(jié)晶巖,又處于特殊的構(gòu)造部位,受多期構(gòu)造活動形成的斷層、節(jié)理的影響,同時受多期次侵入巖體的制約,巖體破碎、完整性差,壩址區(qū)巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈,風(fēng)化深度較大,地表出露的巖體風(fēng)化程度較高,為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層。壩址區(qū)土體和淺部巖體的透水性較強(qiáng)。

1.2 工程布置

結(jié)合唐河水電站壩址地區(qū)的地形地質(zhì)、施工工程量、筑壩材料以及電站建成后的運(yùn)行管理等條件,經(jīng)過比選,選擇合理的樞紐布置方式,即擋水建筑物主體為混凝土面板堆石壩,灌溉洞和供水發(fā)電引水管進(jìn)口、混凝土泄洪閘集中布置在左岸重力壩段,引水和泄水建筑物的布置可以比較靈活,同時也便于管理。

唐河水庫樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、混凝土重力壩、泄洪沖砂閘、灌溉洞、供水發(fā)電取水口等組成。壩軸線位于已建截水槽下游約40 m處,壩軸線近南北向,呈直線布置,壩頂長395.0 m,寬6 m,壩頂高程1 067.400 m,最大壩高30.4 m。大壩從左岸至右岸,依次布置混凝土重力壩、灌溉洞、供水發(fā)電引水管進(jìn)口、泄洪沖沙閘、混凝土面板堆石壩段。其中樁號0+000～0+069為混凝土重力壩(樁號0+044.4布置灌溉洞、0+058.5布置供水發(fā)電引水管進(jìn)口),樁號0+069～0+115.5布置泄洪閘,樁號0+115.5～0+395為混凝土面板堆石壩。供水發(fā)電鋼管從壩體穿過,在壩后設(shè)閥門控制,出閥門后從壩下游橫穿河床,沿唐河右岸行19.12 km至東駝水與高家莊之間布置水電站。工程平面布置圖如圖1所示。

2 大壩設(shè)計(jì)

從樞紐總布置來看,采用混凝土重力壩時引水和泄水建筑物的布置比較靈活,便于管理,但從筑壩材料來看,當(dāng)?shù)厣傲喜荒苤苯幼鳛榛炷林亓渭?xì)骨料,而混凝土面板堆石壩方案對塊石料和砂礫料要求較低,壩址附近有豐富的石料和砂礫料可供利用,同時從基礎(chǔ)處理來看,重力壩對壩基要求較高,而壩址處壩基巖體較破碎,完整性較差,且需清除8 m～15 m的覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層,壩基處理工程量大,混凝土面板堆石壩對基礎(chǔ)要求低,覆蓋層砂礫料可直接做為壩基,基礎(chǔ)處理工程量小。因此,唐河水庫攔河大壩采用混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩結(jié)合的布置形式,擋水建筑物主體為混凝土面板堆石壩,灌溉洞和供水發(fā)電引水管進(jìn)口、混凝土泄洪閘集中布置在左岸重力壩段。

2.1 壩頂高程確定

圖1 唐河水庫樞紐工程平面布置圖

唐河水庫擋水建筑物主體為混凝土面板堆石壩,壩長279.5 m,上游壩坡均為1∶1.4,混凝土重力壩壩長69 m,上游面直立。波浪在斜坡上的爬高大于在直立面上的爬高,因此,壩頂高程按混凝土面板壩壩頂高程控制。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001),壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和,計(jì)算各種工況(表1)下的壩頂高程,取其最大值:①設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高。②正常蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高。③校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高。④正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高,再加地震安全加高。唐河水庫正常蓄水位1 064.00 m,設(shè)計(jì)洪水位1 061.460 m,校核洪水位1 065.270 m,多年平均最大風(fēng)速15.0 m/s,水庫吹程1.9 km,地震安全加高0.8 m,計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 大壩分析計(jì)算工況

表2 壩頂高程計(jì)算成果

由表2可知,考慮防浪墻擋水,防浪墻一般會高出壩頂1.0 m,故將壩頂高程定為1 067.400 m,此時防浪墻頂高程為1 068.400 m,大于表2中計(jì)算出的壩頂高程最大值1 067.974 m,能夠滿足規(guī)范要求。故最終將壩頂高程定為1 067.400 m,最大壩高為30.4 m。

2.2 混凝土面板堆石壩

樁號0+115.0～0+395.0段為混凝土面板堆石壩,采用鋼筋混凝土面板防滲,堆石作壩殼,壩頂高程1 067.4 m,趾板基礎(chǔ)最低高程1 037.0 m,最大壩高30.4 m,上、下游壩坡為1∶1.4,壩頂寬度采用6.0 m。壩頂公路為25 cm厚的混凝土路面,路面橫向坡度1%,坡向下游,以便排除壩頂積水。壩頂上游側(cè)設(shè)高度為3.8 m的鋼筋混凝土防浪墻,墻頂高出壩頂面1.0m,下游側(cè)設(shè)置20 cm寬、60 cm高的混凝土路緣石,防浪墻底部高程1 064.60 m,壩頂上游側(cè)緊靠防浪墻設(shè)電纜溝?；炷撩姘宥咽瘔翁钪牧现饕猩暗[料和石料,混凝土粗、細(xì)骨料,另外還有少量粘土料。壩體自上游向下游分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū),周邊縫下游設(shè)墊層小區(qū)。壩體分區(qū)以及面板堆石壩典型斷面如圖2所示。

圖2 混凝土面板堆石壩典型斷面(單位:m)

2.3 混凝土重力壩

混凝土重力壩布置在樁號0+000～0+069,長69 m,分4個壩段,壩頂高程1 067.40 m,壩頂寬度6 m,最大壩高30.4 m。上游壩面1 048.000 m高程以上為豎直面,以下坡比為1∶0.15,下游1 059.400 m高程以下坡比1∶0.75,以上為直立面。最大壩底寬度24.45 m。壩頂上游側(cè)設(shè)鋼筋混凝土防浪墻,高1.0 m,墻頂高程1 068.400 m?；炷林亓蔚牡湫蛿嗝嫒鐖D3所示。地基處理,挖除混凝土重力壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)的河床覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖石,使壩體座落在弱風(fēng)化基巖上,建基面以1%的坡度向上游傾斜,為確保壩體側(cè)向穩(wěn)定,把岸坡開挖成臺階狀。對穿越壩基的斷層、夾層、破碎帶和巖脈等,開挖后回填混凝土。為提高壩基巖體的整體性,減少壩基滲漏,對壩下基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。

圖3 混凝土重力壩典型斷面(單位:m)

2.4 泄洪閘

唐河樞紐工程泄洪閘[3]布置在河床左段、面板堆石壩與混凝土重力壩之間,軸線與壩軸線垂直,布設(shè)5孔凈寬為5 m×6.5 m的閘孔,總長159.43 m,泄洪閘整體布置如圖1所示。由進(jìn)口段、閘室段、消力池及下游海漫組成。泄洪閘進(jìn)口段長35.93 m(樁號泄0-038.54～泄0+000),右側(cè)翼墻與混凝土面板壩相接;樁號泄0+000～泄0+026.5為閘室段,長26.5 m,進(jìn)口是帶胸墻的寬頂堰,閘底板高程1 048.00m,閘室總寬46.5m。泄洪閘設(shè)有5扇弧形工作閘門,采用液壓啟閉機(jī)啟吊,弧門支鉸樁號泄0+015.693,高程1 055.0 m;弧門上游側(cè)布置檢修疊梁門;在閘墩頂部樁號泄0+004.25～泄0+010.25布置交通橋,連接混凝土面板堆石壩和重力壩壩頂,橋面高程1 067.4 m,橋面寬6.4 m;閘室后接消力池,消力池尺寸為35 m×41.5 m×3 m,消力池前設(shè)一段陡坡,長12 m,陡坡坡度 1∶4.0;消力池出口布設(shè)長50 m,寬41.5 m～53.8 m的海漫為防止水庫泄流時對面板壩下游壩腳及北躍渠的沖刷破壞,在海漫左右側(cè)分別做50 m、25 m長的導(dǎo)流墻,左右側(cè)導(dǎo)流墻與海漫軸線夾角分別為4°和10°,泄洪閘典型斷面圖如圖4所示。

3 大壩穩(wěn)定分析

對于唐河水庫樞紐工程來說,混凝土重力壩段和泄洪閘室段的穩(wěn)定問題相對來說比較突出,因此,需要進(jìn)一步對重力壩以及閘室進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力分析。

3.1 混凝土重力壩

3.1.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4],大壩壩基面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算:式中:K′抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑W為作用于建基面以上的力在鉛直方向的投影(kN);∑P為作用于建基面以上的力在水平方向的投影(kN);U為作用于建基面上的揚(yáng)壓力(kN);f′為建基面上的抗剪斷摩擦系數(shù);c′為建基面上的抗剪斷凝聚力;A為建基面面積(m2)。

圖4 泄洪閘典型斷面(單位:m)

3.1.2 應(yīng)力計(jì)算

壩基及壩體垂直正應(yīng)力依據(jù)規(guī)范[4]進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:

式中:σy為壩體上、下游面的垂直應(yīng)力(kPa);∑W 為作用于計(jì)算截面以上的力在鉛直方向的投影(kN);∑M為作用于計(jì)算截面上的力矩的總和(kN·m);X為計(jì)算截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離(m);A為計(jì)算截面面積(m2);J為計(jì)算截面對形心軸的慣性矩(m4)。

3.1.3 計(jì)算成果分析

對混凝土重力壩壩體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算,選取混凝土重力壩段最大壩高斷面為計(jì)算斷面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。計(jì)算結(jié)果表明,在最不利的工況下其壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[5-6]最小,為3.26,大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)2.3,能夠滿足規(guī)范要求?？梢?在各種工況下,大壩壩基是穩(wěn)定的,壩基抗滑穩(wěn)定能夠滿足要求。采用規(guī)范[4,7-9]方法,針對不同工況組合,計(jì)算了壩基及壩體應(yīng)力,其計(jì)算成果見表4。由表4可見,壩基面最大垂直正應(yīng)力為539.8 kPa,小于壩基容許壓應(yīng)力,壩體最大垂直正應(yīng)力為357.1 kPa,小于混凝土容許壓應(yīng)力,遭遇地震時,壩踵垂直正應(yīng)力為114 kPa,壩體上游面垂直正應(yīng)力為153.8 kPa,其它組合情況下,壩基最小垂直正應(yīng)力為89.7 kPa,壩體最小垂直正應(yīng)力為69 kPa,滿足規(guī)范要求。

表3 壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 泄洪閘

3.2.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[7],泄洪閘閘室基底抗滑穩(wěn)定按抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算,公式如下:式中:K′抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑W為作用于基巖面上的力在鉛直方向的投影(kN);∑P為作用于基巖面上的力在水平方向的投影(kN);U為作用于計(jì)算截面上的揚(yáng)壓力(kN);f′為基巖面上的抗剪斷摩擦系數(shù);c′為基巖面上的抗剪斷凝聚力;A為計(jì)算截面的截面積(m2)。

3.2.2 應(yīng)力計(jì)算

泄洪閘閘室和擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算公式如下:

式中:σmin,σmax分別為基底應(yīng)力的最小值、最大值(kPa);∑W為作用于基底面上的力在鉛直方向的投影(kN);∑M為作用于基底面上力矩的總和(kN·m);X為計(jì)算截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離(m);A為基底面面積(m2);J為基礎(chǔ)底面對形心軸的慣性矩(m4)。

3.2.3 計(jì)算成果分析

泄洪閘建造于巖基上,泄洪閘閘室基底抗滑穩(wěn)定[10]和應(yīng)力分析計(jì)算成果見表5,由表5可見,在各種工況下,泄洪閘閘室基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。而泄洪閘翼墻在泄洪閘不過流時出現(xiàn)最不利工況,此時,泄洪閘翼墻以及消力池邊墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為4.00和2.19,均大于規(guī)范允許值1.2;消力池邊墻在空池時為最不利工況,閘翼墻以及消力池邊墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)分別為5.93和2.74,均大于規(guī)范允許值1.1。故閘室基底抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力以及泄洪閘翼墻和消力池邊墻穩(wěn)定均能夠滿足規(guī)范要求。

表5 閘室基底抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算成果

4 結(jié) 語

(1)本文主要對唐河水庫混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩以及泄洪沖砂閘進(jìn)行了設(shè)計(jì)。重力壩應(yīng)力和壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果表明,在最不利工況下壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.26,大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)2.3,壩基面最大垂直正應(yīng)力為539.8 kPa,小于壩基容許壓應(yīng)力,壩體最大垂直正應(yīng)力為357.1 kPa,小于混凝土容許壓應(yīng)力,滿足規(guī)范要求。

(2)泄洪閘閘室基底抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力分析計(jì)算成果表明,在各種工況下,泄洪閘閘室基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。而泄洪閘翼墻在泄洪閘不過流時出現(xiàn)最不利工況,此時,泄洪閘翼墻以及消力池邊墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為4.00和2.19,均大于規(guī)范允許值1.2;消力池邊墻在空池時為最不利工況,閘翼墻以及消力池邊墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)分別為5.93和2.74,均大于規(guī)范允許值1.1;最大垂直正應(yīng)力為465.4 kPa,小于混凝土容許壓應(yīng)力。故閘室基底抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力以及泄洪閘翼墻和消力池邊墻穩(wěn)定均能夠滿足規(guī)范要求。

(3)在各種工況下,大壩和泄洪閘的穩(wěn)定和應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求,綜合分析論證了設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 馬軍衛(wèi).唐河水庫工程地質(zhì)評價[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,19(29):158-159.

[2] 張世泉.唐河水庫面板堆石壩設(shè)計(jì)簡述[J].山西水利,2010,(2):49-50.

[3] 馬軍衛(wèi).唐河水電站工程初步設(shè)計(jì)中的泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,19(31):143-144.

[4] SL319-2005.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:水利水電出版社,2005.

[5] 關(guān)紅俊.唐河水庫混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,19(18):225-226.

[6] 王燕.重力壩抗滑穩(wěn)定及地震反應(yīng)有限元分析和評價[D].南京:河海大學(xué),2009.

[7] SL265-2001.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:水利水電出版社,2001.

[8] GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[9] 李煒編.水力計(jì)算手冊(第二版)[M].北京:水利水電出版社,2006.

[10] 劉斌.水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算分析[J].中國水運(yùn),2010,10(8):179-180.