慈坑水庫大壩結構加固與溢流面抗滑設計

葉立龍

(歙縣杞梓里鎮(zhèn)水利站，安徽 黃山 245200)

1 工程概況

1.1 大壩建設情況

慈坑水庫地處歙縣岔口鎮(zhèn)金前村境內，位于新安江流域大洲源支流，集水面積6.5 km2，總庫容24.4 萬m3，是一座以發(fā)電為主的小(二)型水庫。該大壩為堆石壩，壩長72.8 m，最大壩高27.33 m，壩頂高程183.3 m，頂寬2 m。大壩內坡1 ∶0.5，硬殼為1.5～3.2 m厚的漿砌塊石和0.3 m厚的鋼筋混凝土防滲面板；外坡1 ∶2，非溢流壩段硬殼為1 m厚的漿砌塊石。壩體內部為干砌塊石，在壩體內部垂直壩軸線方向設有兩道漿砌石隔墻。溢洪道位于大壩中央，為開敞式壩頂溢流，非真空實用堰型，堰頂高程180.57 m，上口寬31.3 m,下口寬18.6 m，鋼筋混凝土溢流面板厚0.15 m(其下為 0.85 m厚的漿砌塊石)，出口采用挑流消能，挑流反弧半徑4.69 m，挑射角14°。

該水庫當年建至11.5 m壩高時，在未來得及采取臨時度汛措施的情況下洪水漫壩，造成挑流鼻坎沿坎座頂向下游滑動，形成初始滑動面，在沒有對滑動面進行仔細修復的情況下工程繼續(xù)完成施工。

1.2 歷次加固情況

慈坑水庫于1985年開始蓄水，1986年汛期發(fā)現(xiàn)溢流面板開裂，原滑動過的鼻坎進一步滑動，面板最大縫寬3 cm，鼻坎最大出移(相對壩趾直墻)約10 cm，并向兩壩肩逐漸減少。1990年采用在溢流面和下游壩坡面鑲短樁梁(混凝土樁深4 m，樁徑2 m，樁距8.75 m；鋼筋混凝土梁高1 m，厚1 m，樁與梁相接)方案進行了加固處理。1991年壩面修復的裂縫處又繼續(xù)開裂，1996年在溢流面裂縫下游又增加一排短樁梁進行加固，并在溢洪道挑流鼻坎兩側(側墻部位)各增設一道排架支撐，阻止鼻坎進一步下滑。經過幾次處理后，情況有所好轉，但沒有徹底根治，從現(xiàn)場所作的觀察記號來看，滑移沒有停止，鼻坎最大出移已增至13 cm。

2 大壩結構安全性復核

2.1 基本資料

(1)特征水位

慈坑水庫正常蓄水位180.57 m，20年一遇設計洪水位181.93m，200年一遇校核洪水位182.58 m。

(2)建筑材料與地基特性

經取芯試驗，大壩漿砌石r漿=23.3 kN/m3；干砌石r干=19.95 kN/m3，砌石體容許壓應力2.5 MPa，地基容許承載力30 MPa。壩體與壩基摩擦系數取0.5；漿砌塊石與干砌塊石摩擦系數取0.45。

(3)安全系數

根據《漿砌石壩設計規(guī)范》(SL25—2006)，按抗剪強度公式計算的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數K2，基本組合不小于1.05，特殊組合不小于1.0。

(4)應力要求

用材料力學方法計算壩體應力時，壩體應力應符合下列要求：

①在各種荷載組合(地震荷載除外)下，壩基面垂直正應力應小于砌石體容許壓應力和地基容許承載力,砌石體容許應力見SL25—2006《砌石壩設計規(guī)范》的附錄A表A-7。[1-2]

②壩基面最小垂直正應力應為壓應力。

③壩體最大主壓應力應小于砌體容許壓應力。

④壩體內除溢流堰頂、廊道和孔洞周邊等部位出現(xiàn)拉應力時，應采用鋼筋混凝土結構，其他部分一般不得出現(xiàn)拉應力。

⑤需進行抗震計算的壩體，應符合SL203—97《水工建筑物抗震設計規(guī)范》的規(guī)定。

2.2 荷載組合

(1)基本組合

取20年一遇設計洪水位情況，即設計洪水位與相應的不利水位的靜水壓力、壩體自重、揚壓力(浮托力和滲透壓力)及浪壓力。

(2)特殊組合

取200年一遇校核洪水位情況，即校核洪水位與相應的不利水位的靜水壓力、壩體自重、揚壓力(浮托力和滲透壓力)及浪壓力。

2.3 計算方法

抗滑穩(wěn)定計算主要核算堰基面的抗滑穩(wěn)定情況,按抗剪斷強度公式或者抗剪強度公式來計算堰基面的抗滑穩(wěn)定安全系數[3-4]。本案例壩體抗滑穩(wěn)定計算采用公式(1)進行復核，壩體應力計算采用材料力學方法。大壩計算分別選取溢流壩段和非溢流壩段兩個斷面，壩長取1 m。

(1)壩體抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪強度公式：

(1)

式中：K2—抗剪計算的抗滑穩(wěn)定安全系數；

f—滑動面上的抗剪摩擦系數，取0.5；

∑W—作用于壩基面上壩體的全部荷載對滑動平面的法向分值,kN；

∑P—作用于壩基面上壩體的全部荷載對滑動平面的切向分值,kN。

(2)本工程屬低壩，只計算壩體邊緣應力，即壩基面上游(壩踵)、下游(壩址)垂直正應力值。[5]壩體應力計算采用下列偏心受壓公式：

(2)

(3)

(4)

式(2)—(4)中：∑M—大壩計算基底面上全部垂直力和水平力對于計算截面形心的力矩總和，以使上游產生壓應力為正值；

∑W—作用于壩基面上壩體的全部荷載對滑動平面的法向分值,kN；

T—大壩計算基底沿上、下游方向的長度，即壩底寬度,m。

2.4 計算成果及安全分析

經復核，慈坑水庫大壩在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數、壩體邊緣應力及偏心距計算成果(見表2)。

表2 大壩結構安全復核成果表

根據以上抗滑穩(wěn)定計算成果可以看出，慈坑水庫溢流壩與非溢流壩最小穩(wěn)定安全系數均大于規(guī)范允許值，因此，大壩結構是穩(wěn)定的。

2.5 溢流壩面抗滑穩(wěn)定分析

由于大壩溢流壩面開裂較大，有必要進行溢流壩面的抗滑穩(wěn)定分析。接觸面取壩體漿砌塊石與干砌塊石接觸面，取單寬做穩(wěn)定分析，分離體(見圖1)。

圖1 溢流壩面抗滑穩(wěn)定分析示意圖

由圖1所示，列出分離體的公式(5)：

G=Gw+G1+G2

(5)

式中：G—分離體自重；

Gw—取校核洪水位時溢洪道水體重量，Gw=rw×Sw×1,Sw為水流截面積，rw為水的容重，取10 kN/m3；

G1—0.15 m鋼筋混凝土面板重量，G1=r1×S1×1，S1為鋼筋混凝土截面，r1為鋼筋混凝土容重，取r1=24.5 kN/m3；

G2—0.85 m漿砌塊石重量，G2=r2×S2×1，S2為漿砌塊石截面積，r2為漿砌塊石容重，取r2=23.3 kN/m3。

得：G=402.3+99.9+538.2=1 040.4 kN

Gt=G×sinθ=465.3 kN

Gn=G×sinθ=930.6 kN

由以上計算可知，大壩溢流面抗滑穩(wěn)定安全系數小于規(guī)范1.0的允許值,不滿足穩(wěn)定要求，因此，該水庫大壩屬“三類壩”，必須采取工程措施保證大壩安全運行。[6]

3 大壩加固設計

3.1 斷面設計

經穩(wěn)定分析，大壩溢流面及挑流鼻坎下滑的主要原因是由于壩體內部漿砌塊石與干砌塊石摩擦力不足，導致溢流壩面和挑流鼻坎下滑，致使壩面開裂。加固設計方案是緊靠原大壩下游直墻面新建4.3 m寬埋石混凝土壩體，原有挑流鼻坎拆除后前移至埋石混凝土壩體上。大壩加固結構布置示意圖(見圖2)。

圖2 大壩加固結構布置示意圖

3.2 壩體新建部分穩(wěn)定分析

對新建部分的推力包括壩內松散的干砌塊石推壓力和水壓力，還有下滑力在水平方向上的分力F推，由式(6)給出。

(6)

其中:r2—干砌塊石容重,取19.95 kN/m3；

h—作用面高度,m。

計算得F推=600.73 kN新建部分自重G新=1 074.14 kN

3.3 溢流面加固后穩(wěn)定分析

加固后，取溢流壩段單寬1 m分析，溢流壩段可按新建部分抗剪考慮，下滑力按加固前考慮，取F=Gt-fGn=46.53 kN。

新建埋石混凝土抗剪強度按純抗剪考慮，抗剪強度，f剪=0.07fc,fc=4 250 kN/m2(埋石混凝土抗拉強度)，所以f剪=297.5 kN/m2，從圖2可知抗剪長度為4.8 m，因此,新建部分埋石混凝土能提供的抗剪力為1 428 kN，遠遠大于下滑力46.53 kN，溢流壩面安全穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。[7]

4 結 語

依據上述加固方案，對慈坑水庫進行了大壩除險加固，新建部分埋石混凝土溢流壩段可提供1 428 kN的抗剪力,遠遠大于其加固前46.53 kN的下滑力，因此，原有縱向裂縫可以得到有效地控制，解決了溢流面及挑流鼻坎的下滑問題。同時，新建溢流壩面安全系數達到1.16，大于規(guī)范允許值，也滿足了大壩的安全要求。新建溢流壩面自2009年9月完工運行以來，已經歷了多次洪水考驗，大壩運行安全穩(wěn)定，可以為相類似的水利工程提供設計思路與借鑒。