膠凝砂礫石壩穩(wěn)定及應力分析

郭 戎

(黔南州水利水電勘測設計院，貴州 黔南 558000)

膠凝砂礫石壩穩(wěn)定及應力分析

郭 戎

(黔南州水利水電勘測設計院，貴州 黔南 558000)

本文以翁吟河水生態(tài)攔水堰工程膠凝砂礫石壩為研究對象，采用剛體極限平衡法和材料力學法對膠凝砂礫石材料壩進行穩(wěn)定及應力計算，供同類工程參考。

膠凝砂礫石壩；穩(wěn)定；應力；分析

膠凝砂礫石壩與土石壩、重力壩不同，這種壩型核心技術為：在天然砂石料中加入適量水泥直接用于筑壩。這種壩型安全性高，壩基適應性強，可取消溫控措施，施工迅速。國內多位水利專家在推廣這項筑壩技術。目前國內已有大壩工程和臨時圍堰工程在應用此項筑壩技術。本文以貴州省惠水縣翁吟河水生態(tài)攔水堰工程樞紐膠凝砂礫石壩為研究對象進行穩(wěn)定和應力分析。

1 工程概況

翁吟河水生態(tài)攔水堰工程壩址以上集水面積339km2，多年平均徑流總量21628萬m3，多年平均流量6.64 m3/s。水庫校核洪水位971.784m，總庫容214萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫正常蓄水位967m，相應庫容55.3萬m3，死水位與正常蓄水位相同。

經(jīng)專家論證批復，翁吟河水生態(tài)攔水堰工程壩型選擇為膠凝砂礫石壩，其首部樞紐由膠凝砂礫石壩、壩頂開敞式溢洪道、底流消能建筑物、右岸放空建筑物組成。壩頂軸線總長249.98m，壩頂寬5m，壩頂高程972.6m，壩軸線方位角為N98.0°E。

左、右岸非溢流壩段基本壩型為膠凝砂礫石壩，壩軸線采用直線布置，左岸長138.5m，右岸長55.48m，方位角為N98.0°E，河床建基面高程958m，壩頂高程972.6m，最大壩高14.6m，壩頂寬5m，最大壩底寬度為22.52m。大壩上、下游壩坡均為1∶0.6，上、下游壩面澆筑一層厚0.5m鋼筋混凝土防滲(保護)面板，大壩基本斷面為等腰梯形。

溢流壩段布置于河床中部，范圍為壩0+138.50～壩0+194.50，長56.0m，由控制段、泄槽段、底流消能段組成，堰頂高程967m，河床建基面高程958m，壩軸線方位角N98.0°E。溢流堰采用開敞式WES實用堰，凈寬50m，分為5孔，單孔凈寬10m，設4個中墩和2個邊墩，墩厚均為1m。堰上設置交通橋，采用板梁結構。堰頂控制段進口端底板高程為965m，采用平坡，則上游堰高為2m，進口寬度為54m，長7m。堰頂上游堰頭曲線采用三圓弧曲線，其下接方程為y=0.17239x1.85冪曲線，冪曲線下接長0.44m、坡比為1∶0.7的直線段，直線段下接反弧段，反弧半徑5m，弧長4.8m。反弧末端接消力池護坦，消力池長23m，寬54m。消力池護坦采用φ25錨桿進行錨固，錨桿長6m，間距3m；護坦底部設φ80豎向排水孔，孔距3m，梅花形布置。在消力池末端修建尾水坎，尾水坎頂部高程為961m。

右岸非溢流壩段布置有放空兼沖排沙孔，放空兼沖排沙孔底板高程為962m，孔徑為2m×2.2m，設檢修閘門和工作閘門各一扇，均采用平板鋼閘門。

2 大壩穩(wěn)定分析

根據(jù)《膠結顆粒料筑壩技術導則》(SL 678—2014)(以下簡稱《導則》)，膠結顆粒料壩壩基面抗滑穩(wěn)定計算應采用抗剪斷強度公式或者抗剪強度公式，該工程大壩穩(wěn)定分析采用抗剪斷公式。大壩主要分為溢流壩段和非溢流壩段，并以各壩段最高斷面為典型斷面。計算荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合為正常蓄水位情況、設計洪水位情況，特殊組合為校核洪水位情況。

抗剪斷強度計算公式為

式中K′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——壩基面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——壩基面的抗剪斷黏聚力， MPa；

A——壩基接觸面截面積，m2；

∑W——作用于計算截面以上壩體全部荷載(包含揚壓力)對滑裂面的法向分值，kN；

∑P——作用于計算截面以上壩體全部荷載(包含揚壓力)對滑裂面的切向分值，kN。

各壩段荷載計算簡圖見圖1、圖2。

圖1 非溢流壩段荷載計算

圖2 溢流壩段荷載計算

荷載計算成果見表1、表2。

表1 非溢流壩段荷載計算成果

表2 溢流壩段荷載計算成果

根據(jù)地質勘察成果，由于非溢流壩段建基面一部分為強風化冰磧礫巖，另一部分為弱風化含粉砂質泥巖，強風化冰磧礫巖抗剪斷強度參數(shù)小于弱風化含粉砂質泥巖抗剪斷強度參數(shù)，則非溢流壩段抗滑穩(wěn)定由強風化冰磧礫巖控制，且強風化冰磧礫巖抗剪斷強度參數(shù)的混凝土/巖值小于巖/巖值，則非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算采用強風化冰磧礫巖抗剪斷強度混凝土/巖參數(shù)，為f′=0.30、c′=0.08。溢流壩段建基面為強風化冰磧礫巖，溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算參數(shù)與非溢流壩段相同，為f′=0.30、c′=0.08。

抗滑穩(wěn)定計算成果見表3、表4。

表3 非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算成果

表4 溢流壩段壩基抗滑穩(wěn)定計算成果

由計算結果可知，溢流壩段和非溢流壩段各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，抗滑穩(wěn)定安全。

3 大壩應力分析

根據(jù)《導則》，大壩應力分析采用材料力學法，膠凝砂礫石壩的壩基面壩踵、壩趾的垂直應力應滿足：運行期各荷載組合，壩踵不應出現(xiàn)拉應力，壩趾應小于壩基允許壓應力，施工期壩踵應小于材料的允許拉應力；在非地震工況下，內部膠凝砂礫石不應出現(xiàn)主拉應力。故該工程計算分為運行期和施工期，其中運行期為正常蓄水位情況、設計洪水位情況、校核洪水位情況。

垂直應力計算公式為

ΣM——作用于壩段上或1m壩長上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m，以使上游面產生壓應力者為正；

T——壩體計算截面上、下游方向的寬度(壩底寬度)，m。

壩基應力計算結果見表5、表6。

表5 非溢流壩段壩基應力計算成果 單位：MPa

表6 溢流壩段壩基應力計算成果 單位：MPa

由計算結果可知，在各種荷載組合下，非溢流壩段壩踵最小垂直應力為0.123MPa，未出現(xiàn)拉應力；壩基最大垂直應力為0.205MPa，小于壩基容許壓應力0.8MPa。溢流壩段建基面最大垂直正應力為0.151MPa，小于基礎承載力0.8MPa，小于膠凝砂礫石承載力6.0MPa。建基面最小垂直應力為0.049MPa，壩趾無拉應力。大壩應力滿足規(guī)范的要求。

4 結 語

膠凝砂礫石壩屬于新型推廣壩型，在國內僅有一座永久性工程在建，壩體應力和穩(wěn)定分析經(jīng)驗并不豐富，該工程參照《導則》中的要求，采用材料力學法和剛體極限平衡法進行膠凝砂礫石壩的穩(wěn)定應力計算。這種計算方法也是目前膠凝砂礫石壩的主要計算方法。如工程遇到復雜地基，應采用有限元等效應力法。

[1] 劉學章.膠凝砂礫石壩特點及國外已建工程簡介[J].廣西水利水電，2011(3).

[2] 楊世鋒.膠凝砂礫石壩剖面設計研究[J].人民黃河，2016(11).

[3] 劉志明.膠凝砂礫石壩基本剖面研究[J].水利規(guī)劃與設計，2016(11).

Stability and Stress Analysis of Gelled Sandy Gravel Dam

GUO Rong

(QiannanWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Qiannan558000,China)

In this paper, the gelled sandy gravel dam of Wengyin River water ecological weir is the object of study. The rigid body limit equilibrium method and the material mechanics method are used to calculate the stability and stress of the gelled sandy gravel material dam for the reference of similar projects.

sandy gravel dam; stability; stress; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.021

TV64

B

1673-8241(2017)05- 0060- 04