壩體泄水建筑物水力學模型試驗及其穩(wěn)定性分析

宋景峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

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壩體泄水建筑物水力學模型試驗及其穩(wěn)定性分析

宋景峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

文章針對錦凌水庫工程泄水建筑物布置和斷面情況進行水力學模型試驗，通過模型試驗設計計算，確定了沖坑距溢流堰鼻坎、沖坑距底孔鼻坎以及沖刷坑上游反坡值，分析論證了溢流堰泄流能力偏于安全；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)觀測結果，確定了溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處等出現(xiàn)負壓的位置以及最大流速發(fā)生位置和設計流量水面高程；引進力學相關理論計算了溢流壩段壩體和壩基的應力，分析了溢流壩段抗滑穩(wěn)定性及深層抗滑穩(wěn)定性，得出結論：泄水建筑物結構設計滿足要求。該工程泄水建筑物結構和斷面布置可為類似壩體工程設計和施工提供借鑒和工程指導。

水利工程；壩體設計；泄水建筑物；水工試驗；穩(wěn)定性

0 引 言

壩體的結構設計和布置對于水利工程至關重要，如何確保壩體的結構安全，防治失穩(wěn)事故已然成為目前水利工程結構設計的關鍵[1-2]。目前的多數(shù)研究很多都是通過數(shù)值模擬等方式對結構設計進行模擬研究，缺乏工程施工現(xiàn)場的動態(tài)性和實時性研究。因此，通過水工試驗對壩體工程結構設計進行驗證極有必要[3]。

國內(nèi)外的專家學者進行的研究包括：沈輝，羅先啟，鄭安興[4]結合各對象技術及其軟件，協(xié)調(diào)合作，構建基于工程地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場背景的幾何模型，提出適用于地應力反演分析，壩體載荷、工程開挖等因素影響下壩肩穩(wěn)定性分析的三維精細有限元計算模型，得出結論：組合地震荷載作用下，所有楔塊安全系數(shù)均大幅下降，但仍具有一定的安全裕度；於正芳，宮必寧，方傳斌[5]通過分析水工建(構)筑物的結構特性、振動特性及其地震作用下的反應狀況，引入非壩體建筑物模型試驗，深入研究模型試驗的邊界條件、材料參數(shù)、地震動能耗散等重點問題，確定試驗基本參數(shù)和數(shù)據(jù)依據(jù)；嚴 瓊，吳順川，李 龍[6]以山西襄汾尾礦壩 2008 年潰壩案例為研究背景，分別采用應力-滲流耦合和連續(xù)-離散耦合數(shù)值分析方法建立數(shù)值模型，引入浮重度參數(shù)，將壩體材料考慮為在靜水作用下的含水土體，可用于連續(xù)-離散耦合算法，其模型計算結果與潰壩成因基本一致；何柱，劉耀儒，楊強[7]；孫從露，徐洪，楊建國[8]利用數(shù)值模擬軟件對某工程壩體施工以及溫度動態(tài)變化等進行數(shù)值分析，確定材料力學參數(shù)，研究對壩體進行三維非線性仿真計算，以預測壩體在下一階段蓄水以及最終蓄水后的穩(wěn)定性等。

此外，盧洪彥，付 樹，陳 旭[9]，劉小生，趙劍明，王鐘寧[10]等眾多學者對壩體泄水建筑物的穩(wěn)定性進行了分析，對泄水建筑物的結構的能夠進行驗證，取得了一定的研究成果。

文章以錦凌水庫工程泄水建筑物布置和斷面情況為背景，通過水工試驗對溢流堰泄流能力等進行了計算和分析，引進力學相關理論計算溢流壩段壩體和壩基的應力，分析溢流壩段抗滑穩(wěn)定性及深層抗滑穩(wěn)定性，對泄水建筑物穩(wěn)定性進行驗證。

1 工程概況

溢流壩段布置于河道右岸的主河床位置，設有10個泄洪表孔，布置在②-⑩壩段上，采用開敞式孔口，主要擔負水庫泄洪任務，壩段樁號為0+579.00-0+756.50。溢洪壩泄流凈寬150.0m，總寬177.50m，單寬泄流量90.49m3/s。每孔設有弧形作門控制，由壩頂門式啟閉機啟閉，弧門上游設檢修疊梁鋼閘門。溢流壩采用WES型堰面曲線，下游直接通過半徑為25.0m的反弧曲線，與挑流消能鼻坎相連。堰頂高程51.30m，堰體上游段采用1/4橢圓曲線。采用堰體分縫型式，單壩段長17.50m，邊壩段長10.00m，堰體分縫采用銅片止水，并沿堰面布置。

根據(jù)工程布置堰高P1=22.00m，Hmax=12.26m，P1≥1.33Hd，溢流堰屬于高堰，定型設計水頭Hd= (0.75-0.95)Hmax。挑流鼻坎反弧半徑確定為25.0m，反弧最低點高程為35.158m。根據(jù)反弧段內(nèi)最大流速，最大單寬流量均不是太大，因此本工程反弧段半徑確定為25.0m，反弧最低點高程為35.158m。下游最高水位為36.98m，根據(jù)計算和試驗確定的出射角及半徑，最后確定坎頂高程36.80m。

2 溢流壩水工模型試驗研究

2.1 水工模型試驗

為了驗證選用泄水建筑物布置和斷面的可行性和合理性，在本階段委托遼寧省水利水電科學研究院對錦凌水庫樞紐工程泄水建筑物進行了水工斷面、水工整體的水力學模型試驗，重點對泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上下游水流流態(tài)等進行了試驗研究。斷面模型比例為1∶50 ，整體模型比例為1∶100，河床按靜/動床狀態(tài)考慮。水工模型試驗測定水面線高程如下表1所示。

2.2 試驗結果及分析

試驗結果及分析見表2。

如表2所示，經(jīng)分析論證，試驗溢流壩泄流能力在設計水位情況下較計算多4.0%，校核水位情況下較計算多1.4%，設計采用試驗成果進行計算。沖坑水工模型試驗成果見表3。

根據(jù)表2和表3可知：試驗表明，該方案下溢流堰及底孔段沖坑距挑流鼻坎均較遠，校核流量時沖坑距溢流堰鼻坎90m，沖坑距底孔鼻坎70m，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，溢流堰泄流能力滿足設計要求，而且偏于安全。溢流堰斷面試驗下泄水流流態(tài)良好，挑距較遠，特征流量下坑距與沖深之比均>3，不會對壩體產(chǎn)生較大威脅。

根據(jù)模型試驗壓力觀測成果，溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處均有負壓出現(xiàn)，最大負壓值-2.4m水頭，由于泄水建筑物負壓是在超溢流堰面設計水頭(>0.85H設)情況下產(chǎn)生的，實際運行時發(fā)生幾率小而且此時過流時間較短，負壓不易對泄水建筑物產(chǎn)生較大破壞。在溢流堰反弧段及挑流鼻坎附近均有高速水流出現(xiàn)，最大流速發(fā)生在挑流鼻坎處，時流速21.38m/s。

表1 各測點位置及特征流量水面高程

表2 溢流壩水工模型試驗泄流能力成果表

表3 沖坑水工模型試驗成果表

由于水庫地址條件較差，特征流量下在泄水建筑物下游40-100m范圍內(nèi)形成沖刷坑，沖刷坑的巖土料在壩下100-200m范圍內(nèi)淤積，抬高了下游河床，使淤積下游水位平均壅高1.2-3.1m，設計流量時壩軸線下游200m平均水面高程39.1m，下游300m平均水面高程38.2m，下游400m平均水面高程37.6m，下游500m平均水面高程37.2m。

3 壩體建筑物穩(wěn)定及應力計算

3.1 荷載組合

各壩段穩(wěn)定及壩基應力計算的荷載組合見表4。

表4 壩段各施工斷面荷載組合情況匯總表

3.2 壩體穩(wěn)定及應力計算

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，溢流壩段最低建基高程16.00m，坐落在熔巖弱風化中部。因此，取堰體整體利用材料力學法，剛體極限平衡法進行計算?？够€(wěn)定計算公式：

(1)

式中：K′為抗滑定安全系數(shù)；A為壩基面截面積；f′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)較小值，f′=0.75MPa；C′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝集力較小值，C′=0.65MPa；J為壩基面截面積對形心軸的慣性矩，m4。

壩基面應力計算公式：

(2)

式中：K′為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；σy為壩踵、壩趾垂直應力，kPa；∑M為作用于壩體上的全部荷載對滑動平面形心力矩，kN·m；J為壩基面截面積對形心軸的慣性矩，m4；x為壩基面截面上計算點到形心軸的距離，m。

圖1 溢流壩穩(wěn)定、應力計算簡圖

設計組合作用組合考慮情況作用類別持久狀況偶然狀況基本組合特殊組合正常蓄水位設計洪水位冰凍情況校核洪水位施工期抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算值3 823 873 973 763 71規(guī)范值3 03 03 02 52 5壩踵垂直正應力計算值/MPa0 170 200 140 050 15允許值/MPa00000壩趾垂直正應力計算值/MPa0 950 920 911 050 82允許值/MPa28 028 028 028 028 0

由以上計算成果可知，溢流壩段抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范規(guī)定的安全值，壩鍾處無拉應力，壩址處壓應力均小于壩基容許壓應力值，結構設計滿足要求。

3.3 壩基深層抗滑穩(wěn)定計算及分析

(3)

式中：W為作用于壩體上的全部荷載的垂直分值，kN；H為作用于壩體上的全部荷載的水平分值，kN；G1，G2為楔體重量的垂直作用力，kN；f1,f2為體滑動面的抗剪斷系數(shù)，取0.75；c1,c2為楔體滑動面的抗剪斷凝聚力，取0.65；A1,A2為楔體滑動面的面積，m2；Q為楔體間的作用力，kN；ψ為楔體間的作用力與水平面的夾角，°；U1,U2,U3為楔體滑動面及楔體形的揚壓力，kN；α，β為楔體滑動面與水平面的夾角，°。壩基深層抗滑穩(wěn)定計算結果見表6。

表6 壩基深層抗滑穩(wěn)定計算結果

由以上計算成果可知，溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范規(guī)定的安全值，結構設計滿足要求。

4 結 論

1)針對錦凌水庫工程泄水建筑物布置和斷面情況進行水力學模型試驗，測定水面線高程并進行了校核，確定了沖坑距溢流堰鼻坎90m、沖坑距底孔鼻坎70m以及沖刷坑上游反坡值1:3-1:6之間，溢流堰泄流能力偏于安全。

2)通過對測點數(shù)據(jù)進行觀測分析，溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處均有負壓出現(xiàn)，最大負壓值-2.4m水頭，最大流速發(fā)生在挑流鼻坎處，時流速達到21.38m/s，并確定了設計流量水面高程。

3)計算了溢流壩段壩體和壩基的應力，溢流壩段抗滑穩(wěn)定和深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范規(guī)定安全值，壩鍾處無拉應力，壩址處壓應力均小于壩基容許壓應力值，結構設計滿足要求，該研究成果可為類似壩體工程的設計提供參考。

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[2]徐飛.沈陽地區(qū)水資源短缺原因分析及對策研究[J].水資源開發(fā)與管理，2015(01)：24-26.

[3]夏建軍.膠結材料筑壩技術在白土嶺水電站的應用[J].中國水能及電氣化，2014(11)：14-16.

[4]沈輝，羅先啟，鄭安興． 拱壩聯(lián)合壩肩巖體三維計算模型構建[J]．巖土力學， 2014,35( 05)：1455-1460．

[5]於正芳，宮必寧，方傳斌．非壩體水工建筑物結構抗震模型試驗研究[J]．水電能源科學， 2009,27( 05)：104-106．

[6]嚴 瓊，吳順川，李 龍．基于耦合模型的尾礦壩穩(wěn)定性對比分析[J]．金屬礦山， 2015，27( 09)：05-10．

[7]何柱，劉耀儒，楊強．基于位移反分析的小灣拱壩穩(wěn)定性評價[J]．巖石力學與工程學報， 2013,32(11)：2242-2249．

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[9]盧洪彥，付 樹，陳 旭．水工混凝土壩體帷幕耐久性試驗實踐研究[J]．大壩與安全，2012(05)：49-52．

[10]劉小生，趙劍明，王鐘寧．土石壩及地基抗震若干進展及規(guī)范修編[J]．水力發(fā)電學報， 2014，33( 02)：185-192．

Hydraulic Model Test of Discharge Structure on Dam Body and Its Stability Analysis

SONG Jing-feng

(Anshan Hydrology Bureau of Liaoning province,Anshan 114000,China)

According to the discharge structure layout and section situation of Jinling reservoir, by calculating the model test, the hydraulic model test was conducted in the paper to determine the scour hole from the overflow weir bucket, bucket bottom scour distance and scour upstream against the slope value, and also analyze the discharging capacity of overflow weir on the safe side. In line with the results observed from the monitoring data, the position appearing negative pressure, the location of maximum flow velocity and surface elevation of design discharge were determined near the downstream of the spillway crest and the bucket; relevant theory about mechanics was introduced to calculate the stress of spillway dam and dam foundation and analyze the stability against sliding on spillway dam section and deep layer. A conclusion is drawn that the discharge structure meets the demands of design. The structure and section arrangement of the discharge structure can provide references and guidance for design and construction of similar dam projects.

water conservancy project; dam design; discharge structure; hydraulic test; stability

1007-7596(2017)03-0009-04

2017-02-24

宋景峰(1969-)，男，遼寧鞍山人，高級工程師，研究方向為水文站網(wǎng)建設與規(guī)劃，水文遙測技術等。

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