觀音水庫拱壩基礎(chǔ)處理應(yīng)力變形分析

錢雪晉，李應(yīng)周，周 華

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

觀音水庫位于遵義地區(qū)仁懷市學(xué)孔鄉(xiāng)與匯川區(qū)山盆鎮(zhèn)交界處，距仁懷市52km，遵義市70 km。水庫總庫容12070萬m3，正常蓄水位633m，工程規(guī)模為大(2)型，工程等別為Ⅱ等?？裳须A段選擇混凝土拋物線雙曲拱壩參與壩型比選，拱壩壩頂高程637m，最大壩高112m，壩頂寬7.0m，最大底厚30m，厚高比0.275，大壩為2級建筑物。

工程任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水為主，結(jié)合灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。工程建成后，水庫年供水量9150萬m3。工程總工期44個月，總投資323064萬元。

2 壩址地形地質(zhì)條件

大壩處河流流向為N15°E至N20°E，河床高程537-541m，正常蓄水位633m高程時，河谷寬 220m，河谷寬高比2.4:1。河谷為不對稱“V”型斜向谷，左岸為順-斜向坡，右岸為斜-逆向坡。左岸：615m高程以下，地形坡度約70-85°，靠近河床段多為倒坡，615-650m高程以上，地形坡度約10-30°，650m高程以上，地形坡度約34-50°；右岸：605m高程以下，地形坡度約27-57°，605-606m高程左右為一緩坡平臺，606m高程以上，坡度約25-45°。

壩址出露地層為茅草鋪組第二段第一層T1m2-1中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，第二段第二層T1m2-2溶塌角礫巖夾泥巖、泥巖；第二段第三層T1m2-3中厚層白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀為N55°-65°E/SW∠20°-36°，巖層傾向下游偏右岸。T1m2-1微風(fēng)化巖體變形模量6Gpa，地基承載力4.5MPa，巖體工程地質(zhì)屬BⅢ2類，局部為BⅣ1類；T1m2-2微風(fēng)化巖體變形模量1.5Gpa，地基承載力1.2MPa，巖體工程地質(zhì)屬CⅣ類；T1m2-3微風(fēng)化巖體變形模量5Gpa，地基承載力3.5MPa，巖體工程地質(zhì)屬BⅣ1類。

右壩肩592-615m高程出露的T1m2-2，巖性為溶塌角礫巖夾泥巖、泥巖、白云巖及薄層灰?guī)r，底為炭質(zhì)頁巖，厚度約33m，遇水易軟化或泥化，巖體破碎，巖體強度較低，該層對壩肩抗滑穩(wěn)定不利，需采取處理措施。

3 拱壩布置、設(shè)計及基礎(chǔ)處理

3.1 拱壩布置及設(shè)計

大壩為拋物線變厚雙曲拱壩，拱壩壩頂高程637m，最大壩高112m，壩頂寬7.0m，最大底厚30m，最大壩高112m，厚高比0.275，屬于中厚拱壩。最大中心角83°(637.0m高程)，最小中心角50°(528.0m高程)。壩基高程525m，壩頂總長340.813m。壩體碾壓混凝土設(shè)計強度采用90 天齡期C20 三級配碾壓混凝土，根據(jù)不同高程，壩體二級配碾壓抗?jié)B混凝土厚度為2.5m、5.0m和7.0m，抗?jié)B等級為W8。壩體迎水面采用C20二級配變態(tài)混凝土加強防滲，兩拱端與基巖接觸的部位采用相同的二級配變態(tài)混凝土澆筑，下游面采用C20三級配變態(tài)混凝土澆筑，上、下游面變態(tài)混凝土層厚度均為80cm。壩頂采用30cm 厚C20二級配常態(tài)混凝土鋪筑，作為壩頂防水層，同時使壩頂平坦[1-2]。

壩體共分6條橫縫，將壩體分為7個壩段，壩段長度分別為40、50、60.87、35.896、54.104、60、40.813m。大壩壩頂左、右岸分別與637m高程灌漿平洞連接。根據(jù)帷幕灌漿和壩基、壩身排水的需要，在壩內(nèi)556.5m高程設(shè)置2.5m×3.5m的灌漿排水廊道，與左、右岸556.5m灌漿平洞連接，灌漿平洞斷面尺寸3m×3.5m；在壩內(nèi)590m高程設(shè)置2.5m×3.5m的排水檢查廊道。

大壩左右兩岸為非溢流壩，河床段為溢流壩段。溢洪道設(shè)閘控制開敞式自由溢流，堰頂高程625m。溢流前沿凈寬24m，壩頂設(shè)8m×8m(b×h)工作閘門，其上設(shè)寬為6m的鋼筋混凝土人行交通橋。泄洪兼放空底孔布置于右壩段，進(jìn)口底板高程為595.00m，孔身為4.5m×5.0m(寬×高)的矩形斷面，通過漸變壓坡段后出口尺寸為4.5m×4.5m。取水口布置于右壩段，采用分層取水措施，共設(shè)置四層分層取水口，進(jìn)口底板高程分別為627m、622m、611m、599m，孔口尺寸均為2.4m×2.4m，均設(shè)置隔水平板閘門。

圖1 拱壩下游立視圖

3.2 拱壩壩肩基礎(chǔ)處理

右壩肩595-615m高程分布茅草鋪組第二段第二層T1m2-2泥巖，巖石強度較低，使壩肩抗滑穩(wěn)定、承載力不滿足要求。故需對右壩肩579-620m高程深挖、擴挖、回填處理，并設(shè)置C30鋼筋混凝土圓弧拱，使壩肩推力通過圓弧拱分別傳遞至上部T1m2-3白云質(zhì)灰?guī)r及下部T1m2-1灰?guī)r。T1m2-2泥巖按1：1邊坡開挖，開挖邊坡采用噴錨支護(hù)處理措施，設(shè)200t預(yù)應(yīng)力錨索，間、排距6m。C30鋼筋混凝土圓弧拱厚10m，寬40m，高41m，兩端厚度按1:4.381的坡比由10m漸變至12m，圓弧拱外半徑40m，內(nèi)半徑30m，中心角90°。圓弧拱與壩建基面之間采用C30混凝土回填；與開挖邊坡之間采用C20混凝土回填，圓弧拱與回填C20混凝土之間設(shè)置伸縮縫，并設(shè)置止水。

4 應(yīng)力及變形分析

4.1 壩體應(yīng)力、變形計算

采用中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所編制的拱壩多拱梁混合法應(yīng)力分析程序——《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》電算程序計算。

荷載組合如下：

基本組合1：正常蓄水位633.0m+壩體自重+設(shè)計正常溫降+揚壓力+泥沙壓力；

基本組合2：設(shè)計洪水位633.39m(相應(yīng)下游水位554.55m)+壩體自重+設(shè)計正常溫升+揚壓力+泥沙壓力；

基本組合3：死水位605.0m+壩體自重+設(shè)計正常溫升+揚壓力+泥沙壓力；

特殊組合：校核洪水位634.71m(相應(yīng)下游水位555.93m)+壩體自重+設(shè)計正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

圖2 拱壩壩肩基礎(chǔ)處理大樣圖

圖3 拱壩579m高程平切圖

計算結(jié)果分析如下：

基本組合1最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程592m左拱端下游面，為3.72 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程576m左拱端上游面，為-1.02MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程623m拱冠梁處，為34.5mm。

基本組合2最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程592m左拱端下游面，為4.21MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程592m左拱端上游面，為-1.19MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程608m拱冠梁處，為27.5mm。

基本組合3最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程544m右拱端上游面，為2.4MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程576m右拱端上游面，為-0.87MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程560m拱冠梁處，為11.5mm。

特殊組合最大壓應(yīng)力發(fā)生在高程592m左拱端下游面，為4.29MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程592m左拱端上游面，為-1.22MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程608m拱冠梁處，為28.8mm。

綜上，基本組合最大壓應(yīng)力值為4.21Mpa，最大拉應(yīng)力值為為-1.19MPa；特殊組合最大壓應(yīng)力值為4.29MPa，最大拉應(yīng)力值為為-1.22MPa?；A(chǔ)允許壓應(yīng)力為3500-4500kPa，經(jīng)分析壩體各計算點的計算應(yīng)力值均滿足要求。

4.2 拱壩有限元分析

采用Abaqus軟件對拱壩進(jìn)行三維有限元計算復(fù)核。

圖4 計算模型(下游視圖)

基本組合1最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩體下游面右岸岸坡1/3壩高處，為3.85MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩體下游面左岸岸坡1/2壩高處，為-1.2MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程637m拱冠梁處，為39.3mm。

特殊組合最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩體下游面左岸岸坡1/2壩高處，為4.44MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩體上游面左岸岸坡1/2壩高處，為-1.33MPa。順河流向最大位移發(fā)生在高程637m拱冠梁處，為28.9mm。

綜上，經(jīng)有限元復(fù)核，壩體各計算點的計算應(yīng)力值仍滿足要求。

4.3 壩肩拱有限元分析

基本組合1最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩肩拱下部靠近上游側(cè)，為2.81MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩肩拱上部靠近下游側(cè)，為-0.75MPa。順河流向最大位移發(fā)生在1/3-1/2高度處，為5.2mm。

特殊組合最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩肩拱下部靠近上游側(cè)，為3.06MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩肩拱上部靠近下游側(cè)，為-1.07MPa。順河流向最大位移發(fā)生在1/3-1/2高度處，為5.1mm。

經(jīng)有限元分析，拱壩右壩肩與茅草鋪組第二段第二層T1m2-2泥巖接觸處，未出現(xiàn)明顯的變形突變，同時，T1m2-2泥巖并未出現(xiàn)大面積塑性貫通區(qū)，說明壩肩拱起到了良好的傳力作用，將壩體右岸拱端推力通過壩肩拱分別傳遞至上部T1m2-3白云質(zhì)灰?guī)r及下部T1m2-1灰?guī)r。

5 穩(wěn)定分析

在拱壩壩肩穩(wěn)定計算中截取單位高度的壩體及巖體，在拱端的推力下，核算壩肩巖體的平面穩(wěn)定，拱壩的穩(wěn)定計算采取“剛體極限平衡法”計算拱壩的分層穩(wěn)定。壩肩力系由程序ADASO提供，該工程靜力計算共計算了四種工況，即三種基本組合、一種特殊組合。

表1 壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)計算結(jié)果[3]，左岸基本工況最小安全系數(shù)分別為3.29，特殊工況最小安全系數(shù)為3.4，均分別大于規(guī)范要求3.25、2.75，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語

觀音水庫拱壩右壩肩基礎(chǔ)通過設(shè)置壩肩拱處理后，將拱端推力通過壩肩拱分別傳遞至上部T1m2-3白云質(zhì)灰?guī)r及下部T1m2-1灰?guī)r，避開了T1m2-2泥巖，使得拱壩方案成立。