東焦河水庫大壩穩(wěn)定分析應(yīng)力計算

袁勇福

（晉城市水利勘測設(shè)計院 山西晉城048026）

1 工程概況

東焦河水庫位于晉城市澤州縣的丹河干流上，水庫樞紐大壩為漿砌石重力壩，包括溢流壩段、沖沙閘段及非溢流壩段，壩頂總長194.5m，最大壩高55.1m。水庫總庫容2288萬m3。工程等別為Ⅲ等，樞紐永久性主要建筑物大壩為三級建筑物，洪水設(shè)計標準選定重現(xiàn)期為50年一遇，校核標準重現(xiàn)期為500年一遇，地震設(shè)防烈度6度。

2 工程地質(zhì)

壩址區(qū)位于河流“S”型的中下部，屬侵蝕性河流，河床及兩岸基巖裸露，僅在右岸發(fā)育有一級階地，河道寬約60m，兩岸岸坡陡峭，巖基裸露，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，微風(fēng)化。壩基節(jié)理發(fā)育有兩組:一組走向23°，垂直河床，傾角近直立，張開度1～30cm，靠近河床部分為沖積粉細砂、粉土充填，遠離河床被方解石脈充填；一組走向117°，大致平行于河床，傾角87°，張開度0.1～50cm，部分為主河道，被粉土、粉細砂充填。根據(jù)左壩肩開挖揭示，節(jié)理有一組：走向85°～97°，傾角近直立，共發(fā)育5條；右壩肩節(jié)理發(fā)育有三組:一組走向3°，一組走向93°，一組走向343°，均呈閉合狀，傾角近于直立。

根據(jù)壩基鉆孔資料和壩肩開挖結(jié)果，壩基下不存在軟弱夾層，右壩肩發(fā)育有礫狀泥灰?guī)r，上層厚0.1～0.3m，下層厚0.8m，角礫粒徑0.5～0.3cm，遇水后易軟化，對壩肩穩(wěn)定不利，須采取固結(jié)灌漿等處理措施。

根據(jù)壩基巖石試驗報告，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，確定巖層承載力特征值為4MPa，摩擦系數(shù)f=0.65。

3 大壩穩(wěn)定計算

重力壩穩(wěn)定分析包括溢流壩段和非溢流壩段兩部分。溢流壩段總長71m，共分4個壩段，最大壩高48m，壩體為M7.5漿砌塊石，C15混凝土防滲面板，溢流面采用厚1.0m的C20鋼筋混凝土。非溢壩段位于大壩左右兩岸，總長123.5m，共分7個壩段，最大壩高50.1m。壩基下巖石為下奧陶統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r、巖石致密堅硬，裂縫發(fā)育程度一般，均為弱透水性巖層。壩基部位未發(fā)現(xiàn)軟弱夾層和大的地質(zhì)構(gòu)造，不具備深層滑動的條件。因此，本次壩體抗滑穩(wěn)定計算按規(guī)范考慮三種情況：

①沿壩體墊層混凝土與基巖接觸面滑動。

②沿漿砌面與墊層混凝土接觸面滑動。

③漿砌石體之間滑動。

計算選取最不利的壩段，取單寬進行計算，且在計算中選取上滑穩(wěn)定計算的控制情況，f最小的面為情況①，f=0.65。

3.1 計算工況與荷載組合

計算工況與荷載組合見表1。

表1 荷載組合表

由于東焦河水電站壩址處于6度地震區(qū)，大壩為3級建筑物，故不計地震力的作用。

3.2 大壩穩(wěn)定分析

采用公式，一般采用的抗滑穩(wěn)定計算公式有兩種：一種為抗剪強度公式；另一種為抗剪斷強度公式，應(yīng)該說按抗剪斷強度公式是比較符合實際的，但試驗證明，多數(shù)情況下，C＇的現(xiàn)場測值不很穩(wěn)定，并必須經(jīng)過詳細勘測試驗，才能取得可靠的C＇值，因此，本次仍按抗剪強度公式進行計算。計算斷面：溢流壩與非溢流壩各取最大壩斷面，取單寬進行計算。溢流壩荷載見圖1，非溢流壩荷載見圖2。

圖1 溢流壩荷載簡圖

大壩穩(wěn)定計算采用抗剪強度公式：

式中：k——抗剪計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——滑動面上的抗剪摩擦系數(shù)，取0.65；

ΣW——作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑動平面的法向分值（包括揚壓力），kN；

圖2 非溢流壩荷載簡圖

ΣP——作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑動平面的切向分值（包括揚壓力），kN。

計算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，三級建筑物抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足：基本荷載組合k≥1.05，特殊荷載組合k≥1.00，因此重力壩滿足穩(wěn)定要求。

3.3 大壩應(yīng)力分析

重力壩應(yīng)力計算的方法很多，目前常用的是材料力學(xué)法。根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL25-2006，實體重力壩以材料力學(xué)法為基本分析方法，根據(jù)壩高選定計算截面?zhèn)€數(shù)，對于中、低壩，可只計算邊緣應(yīng)力，因此，本次計算只計算壩基和相對高程18m折坡點處的邊緣應(yīng)力。

計算內(nèi)容：

（1）運用期：正常擋水和校核洪水。①上下游面垂直正應(yīng)力；②上下游面剪應(yīng)力；③上下游面水平正應(yīng)力；④上下游面主應(yīng)力。

分別按考慮揚壓力和不計揚壓力兩種情況計算。

（2）施工期：①上下游面垂直正應(yīng)力；②上下游面剪應(yīng)力；③上下游面水平正應(yīng)力；④上下游面主應(yīng)力。

（3）計算截面選?。阂缌鲏魏头且缌鲏稳∽罡邏味巍＂偃≌燮绿?8m平面高程；②分別取壩基面。

（4）計算荷載：18m相對高程平面應(yīng)力荷載計算成果見表3，壩基應(yīng)力荷載計算成果見表4。

（5）計算采用公式：

表3 18m高程平面應(yīng)力荷載計算表

表4 壩基應(yīng)力荷載計算表

式中：ΣG——作用于計算截面以上全部垂直力的總和（包括揚壓力），以向下為正。對實體重力壩按單位壩長上的作用力計算，kN；

ΣM——計算截面以上的全部垂直力及水平力對計算截面形心的力矩的總和，以使上游面產(chǎn)生壓力者為正，kN·m；

T——計算截面沿上、下游方向的寬度，m。

式中：P——計算截面在上游壩面所承受的水壓力強度；

n——上游壩面坡度；

m——下游壩面坡度。

應(yīng)力計算結(jié)果如表5,表6。

（6）應(yīng)力成果分析

重力壩的應(yīng)力分析方法很多，由于各種計算方法的基本假定不同，計算精度和結(jié)果也各不相同，對不同的計算方法有不同的應(yīng)力控制標準。根據(jù)我國的《砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL25-2006規(guī)定，實體重力壩的應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：壩體垂直正應(yīng)力在計入揚壓力和不計入揚壓力情況下，壩基面垂直正應(yīng)力均應(yīng)小于砌體容許壓應(yīng)力。

表5 非溢流壩應(yīng)力計算成果表 單位：kPa

表6 溢流壩應(yīng)力計算成果表 單位：kPa

（a）計入揚壓力情況，壩基面最小垂直正應(yīng)力為壓應(yīng)力；

（b）壩體最大主壓應(yīng)力小于砌體容許壓應(yīng)力4000kPa；

（c）不計揚壓力時，壩體上游面最小主壓應(yīng)力σ≥0.25γH；

（d）壩體內(nèi)不得出現(xiàn)拉應(yīng)力；

（e）施工期下游壩基面的垂直正應(yīng)力允許有不大于100kPa的拉應(yīng)力。

從計算表6中看出各種工況下,計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過計算分析可知，東焦河水庫大壩是穩(wěn)定的，斷面設(shè)計是合理的。目前東焦河水庫已通過蓄水竣工驗收，大壩通過的最高洪水位為48.6m，超出溢流堰頂0.6m，樞紐運行正常。