南康羅邊水庫重力壩主體結(jié)構(gòu)安全分析

黃小敏，甘小艷

（1.贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000；2.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009）

1 工程結(jié)構(gòu)概況

羅邊水利樞紐工程位于江西省南康區(qū)龍華鄉(xiāng)羅邊村，壩址距南康城區(qū)33 km。始建于1993年，1996年開始蓄水，1997年竣工，水庫至今已運(yùn)行20多年未做過大壩安全鑒定，是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼有養(yǎng)魚等綜合利用的中型水利工程。水庫樞紐建筑物由砼溢流壩、砼非溢流壩、河床式發(fā)電廠房、土壩等組成。

（1）溢流壩

大壩主壩中段河床部位布置有溢流壩，全長(zhǎng)128 m，由9孔表孔溢流堰組成，單孔凈寬12 m，平面鋼閘門擋水，中墩厚2 m，邊墩厚2 m。溢流堰型式為Ш型折線型實(shí)用堰，堰頂高程118.50 m。溢流壩中墩長(zhǎng)15.70 m，邊墩長(zhǎng)20.788 m。

（2）非溢流壩

本工程非溢流壩位于廠房壩段的左側(cè)，與山體相連接，該壩段總長(zhǎng)47.90 m，最大壩高14 m，壩頂寬度為6 m，最大壩底寬為8.0 m，上游面為鉛直布置，下游面折坡點(diǎn)高程為119.00 m，坡度1∶0.667，壩體砼標(biāo)號(hào)為150（即C15砼），埋塊石15%。

（3）廠房

廠房壩段布置于右側(cè)，廠房為河床式發(fā)電廠房，緊鄰溢流壩左側(cè)布置，該壩段由主機(jī)間壩段及安裝間壩段組成，壩段全長(zhǎng)61.6 m，其中主機(jī)間壩段長(zhǎng)38.8 m，安裝間壩段長(zhǎng)22.8 m。發(fā)電廠房進(jìn)水口壩頂高程129 m。

2 重力壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

2.1 重力壩壩基及壩體情況

壩基巖性主要為變質(zhì)砂巖，裂隙及斷裂較發(fā)育，導(dǎo)致巖石易受風(fēng)化。根據(jù)巖石的顏色、巖體組織結(jié)構(gòu)的變化與破碎程度、礦物成分的變化特征及其物理力學(xué)性質(zhì)等，其風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化兩個(gè)風(fēng)化帶。巖體風(fēng)化主要受地形地貌、巖性及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度控制，以面狀風(fēng)化為主。

壩體為砼埋塊石重力壩，為R28150#砼（相當(dāng)于C14砼）。根據(jù)安鑒檢查尚未發(fā)現(xiàn)裂縫、沉降及析鈣等現(xiàn)象，根據(jù)我院2017年11月～12月勘探成果知，壩體砼呈短柱狀、柱狀，局部為碎塊狀，未見氣泡狀孔隙，塊石間混凝土砂漿膠結(jié)緊密，膠結(jié)較好，壩體砼抗壓強(qiáng)度指標(biāo)為19.1 MPa～21.9 MPa，符合要求；對(duì)上游壩面進(jìn)行炭化深度檢測(cè)可知，砼碳化深度為5.6 mm～6.2 mm，局部可達(dá)10 mm以上。綜上所述，左岸非溢流壩段砼及砼埋石總體澆筑質(zhì)量尚可。完成的主要勘測(cè)工作項(xiàng)目及工作量見表1。

表1 地質(zhì)勘探工作量統(tǒng)計(jì)表

2.2 抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核

2.2.1 基本資料

（1）計(jì)算條件

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201—2014），羅邊水電站為中型水庫，樞紐工程等級(jí)為Ⅲ等，主要永久性建筑物為3級(jí)，永久性次要建筑物為4級(jí)，即大壩建筑物為3級(jí)。水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

（2）計(jì)算參數(shù)

據(jù)地表測(cè)繪及鉆孔揭露，壩基巖體為青灰色、灰綠色變質(zhì)砂巖，上部為強(qiáng)風(fēng)化，下部為弱風(fēng)化?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探情況、室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)合原初設(shè)資料，參照本地區(qū)同類巖體工程經(jīng)驗(yàn)類比分析，綜合提出本工程壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)取值，見表2。

表2 壩基巖石物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

（3）容重與泥沙淤積高程

根據(jù)本次鉆探取芯觀察，砼芯樣室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)砼回彈測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，本工程壩體容重采用值見表3。

表3 壩體主要分區(qū)容重建議值表

羅邊水電站泥砂淤積高程取118.70 m，泥沙浮容重取為10 kN/m3，內(nèi)摩擦角 Φ=20°。

（4）風(fēng)速與吹程

根據(jù)南康市的氣象資料，多年平均最大風(fēng)速為12.2 m/s，吹程取1.3 km。

（5）滲透壓力系數(shù)

計(jì)算采用的揚(yáng)壓力折減系數(shù)取值，因運(yùn)行管理單位無測(cè)壓管觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合大壩滲流分析以及壩基地質(zhì)條件和帷幕布置情況進(jìn)行分析選取。大壩地基帷幕灌漿處理和設(shè)置了排水設(shè)施，考慮排水設(shè)施可能失效，有帷有排時(shí)揚(yáng)壓力計(jì)算折減系數(shù)取值α=0.25，有帷無排揚(yáng)壓力計(jì)算折減系數(shù)取值α=0.5～0.7之間，本次取α=0.7。

（6）荷載組合

基本組合：工況①—正常蓄水位124.10 m、下游無水的計(jì)算荷載；工況②—設(shè)計(jì)洪水位126.47 m、下游水位124.38 m的計(jì)算荷載。

特殊組合：工況③—校核洪水位127.66 m、下游水位125.78 m的計(jì)算荷載。

2.2.2 溢流壩段計(jì)算

（1）計(jì)算單元

根據(jù)羅邊水電站溢流壩結(jié)構(gòu)布置，計(jì)算單元考慮中墩加兩個(gè)半孔溢流孔寬14 m進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)本次地勘，溢流壩段壩基均清基至弱～微風(fēng)化巖體，本次溢流壩段結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算取沿建基面進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

（2）計(jì)算荷載

在溢流壩段復(fù)核計(jì)算中，考慮的荷載有：壩體自重、水重、壩體上下游面承受的靜水壓力、泥沙壓力、相應(yīng)特征水位時(shí)的揚(yáng)壓力、浪壓力和動(dòng)水壓力等。荷載計(jì)算結(jié)果見表4。

（3）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表4 溢流壩段沿建基面荷載計(jì)算結(jié)果表 單位：kN

《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2005）中推薦的壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式有抗剪公式和抗剪斷公式。本次大壩抗滑穩(wěn)定復(fù)核對(duì)兩種計(jì)算方法均進(jìn)行計(jì)算復(fù)核?？辜魪?qiáng)度系數(shù)f=0.5，抗剪斷強(qiáng)度系數(shù)f'=0.53，C'=0.4 MPa。

抗剪強(qiáng)度公式如下：

式中：K為抗剪計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為滑動(dòng)面上抗剪摩擦系數(shù)；∑W為作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對(duì)滑動(dòng)面的法向分值，kN；∑P為作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分值，kN。

抗剪斷強(qiáng)度公式如下：

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′，C′為滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)及粘結(jié)力（KPa）；A為壩基面截面積，m2；ΣW為作用在壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值，kN；ΣP為作用在壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表5可知：考慮揚(yáng)壓力折減系數(shù)α為0.25和0.7時(shí)，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故溢流壩段壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

2.2.3 非溢流壩段計(jì)算

（1）計(jì)算單元

非溢流壩段選取最大壩高斷面（壩頂高程129.00 m、壩基底高程115.00 m），按單寬進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

（2）計(jì)算荷載

根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)和地勘成果，在非溢流壩段結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算中，具體考慮的荷載有：壩體自重、壩體上下游面靜水壓力、相應(yīng)特征水位時(shí)的揚(yáng)壓力和浪壓力等。計(jì)算斷面荷載取單寬計(jì)算，荷載計(jì)算結(jié)果見表5。

表6 非溢流最大壩高斷面沿建基面單寬荷載計(jì)算結(jié)果表單位：kN

（3）抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算成果

非溢流壩段抗滑穩(wěn)定復(fù)核對(duì)抗剪公式和抗剪斷公式兩種計(jì)算方法均進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。非溢流壩最大壩高斷面（底高程115.00 m）斷面抗剪強(qiáng)度系數(shù)f=0.50；抗剪斷強(qiáng)度系數(shù)采用f′=0.4，c′=0.05 MPa。

抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 非溢流壩最大壩高斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表7可知：考慮揚(yáng)壓力折減系數(shù)α為0.25和0.7時(shí)，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故認(rèn)為溢流壩段壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

2.2.4 廠房穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

廠房的穩(wěn)定計(jì)算，包括抗滑穩(wěn)定計(jì)算和抗浮穩(wěn)定兩個(gè)方面。本工程取一個(gè)機(jī)組段作為計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算。

抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力的計(jì)算采用砼溢流壩部分所列公式計(jì)算，抗浮穩(wěn)定計(jì)算按下式計(jì)算：

式中：Kf為抗剪計(jì)算的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為機(jī)組段全部重量，kN；∑P為作用于機(jī)組段的揚(yáng)壓力總和，kN。

廠房的穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見表8。

表8 廠房的穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

從表8所列計(jì)算成果可知，廠房的穩(wěn)定安全系數(shù)及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2.2.5 壩體應(yīng)力復(fù)核

溢流壩段最大壩高段壩基為弱～微風(fēng)化變質(zhì)砂巖，允許承載力為1500 kPa；非溢流壩段典型斷面壩基為全～強(qiáng)風(fēng)化基巖，允許承載力為500 kPa。

各計(jì)算斷面的應(yīng)力計(jì)算參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2005)，應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，計(jì)算方法如下，壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表8。

式中：T為壩體計(jì)算截面上游、下游方向的長(zhǎng)度；∑W為計(jì)算截面上全部垂直力之和，以向下為正；∑M為計(jì)算截面上全部垂直力及水平力對(duì)于計(jì)算截面形心的力矩之和，以使上游面產(chǎn)生壓應(yīng)力為正。

圖1 壩面應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

表9 溢流壩段及非溢流壩段壩基面垂直正應(yīng)力計(jì)算成果表單位：kPa

從表9可知，重力壩的應(yīng)力復(fù)核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

根據(jù)大壩抗滑穩(wěn)定分析和材料力學(xué)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合羅邊水電站多年運(yùn)行情況、原設(shè)計(jì)和施工資料、以及最新地勘等資料有結(jié)論如下：

（1）溢流壩段，考慮揚(yáng)壓力折減系數(shù)α為0.25和0.7時(shí)，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

（2）非溢流壩段，考慮揚(yáng)壓力折減系數(shù) α為 0.25和0.7時(shí)，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

（3）壩的應(yīng)力復(fù)核結(jié)果滿足規(guī)范要求。