白石水庫壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)

劉 洋

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

1 概 述

白石水庫是遼寧省大凌河干流上的大(1)型水利樞紐工程，是一座以防洪、灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的控制性骨干工程，其工程的安全性和穩(wěn)定性關(guān)系著千萬百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以定期對(duì)水庫壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本文采用現(xiàn)場(chǎng)檢查、監(jiān)測(cè)資料計(jì)算分析等多種方法，對(duì)現(xiàn)狀條件下水庫壩體各個(gè)壩段進(jìn)行穩(wěn)定性安全計(jì)算分析，為水庫管理部門的運(yùn)行維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

2 工程概況

白石水庫樞紐攔河壩為混凝土重力壩。擋水壩、溢流壩內(nèi)部、底孔、電站、取水等壩段的下部采用碾壓混凝土RCD工法施工，型式為“金包銀”。而底孔、電站、取水等壩段的上部仍為常態(tài)混凝土。白石水庫從左至右由左岸擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、電站壩段組成，壩頂全長513m，總計(jì)32個(gè)壩段。擋水壩段左岸設(shè)6個(gè)壩段(0～5號(hào))，右岸設(shè)5個(gè)壩段(27～31號(hào))。溢流壩段布置在河床左側(cè)，共12個(gè)壩段(6～17號(hào))，設(shè)置11個(gè)溢流表孔，下泄水流采用異型寬尾墩挑流消能型式。底孔壩段布置在河床右側(cè)，共6個(gè)壩段(18～23號(hào))，壩段上游面與壩軸線重合。取水壩段(24號(hào))位于底孔壩段與電站壩段之間，取水壩段壩頂高程與擋水壩相同。電站壩段緊鄰取水壩段右側(cè)，共兩個(gè)壩段(25號(hào)、26號(hào))，電站為壩后式電站。

3 壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)，大壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算的荷載組合分為基本組合和特殊組合，故計(jì)算工況如下：

a.基本組合。工況1：正常蓄水位127.00m(溢流壩段采用最高擋水位130.24m計(jì)算)。

工況2：設(shè)計(jì)洪水位132.27m，下游水位101.20m。

b.特殊組合。

工況3：校核洪水位133.88m，下游水位103.35m。

3.2 計(jì)算參數(shù)

建筑物級(jí)別： 1級(jí)建筑物； 混凝土重度： 24kN/m3；水重度：10kN/m3；泥沙淤積高程：97.42m；泥沙飽和重度：18kN/m3；泥沙內(nèi)摩擦角：18°。

揚(yáng)壓力折減系數(shù)實(shí)測(cè)值：11號(hào)壩段a1=0.37，20號(hào)壩段a1=0.46，24號(hào)壩段a1=0.37，28號(hào)壩段a1=0.76。

抗剪斷參數(shù)：白石水庫初設(shè)階段給出的物理力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)施工開挖揭露，驗(yàn)收階段按巖性給出的統(tǒng)一巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值：玄武質(zhì)安山巖飽和抗壓強(qiáng)度為44.4MPa；巖體抗剪斷f′為0.85，c′為0.45；混凝土與基巖接觸面抗剪斷f′為0.95，c′為0.70。本次安全評(píng)價(jià)采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)附錄E中表E.0.4的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照壩基巖體工程地質(zhì)分類，對(duì)壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了修正。11號(hào)壩段壩基分類為BⅣ，20號(hào)、24號(hào)、28號(hào)壩段壩基分類為BⅢ。各階段巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值對(duì)比見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3.3 荷載組合

荷載組合分為基本組合和特殊組合，見表2。

表2 荷載組合

3.4 計(jì)算方法

由于壩基不存在沿基礎(chǔ)巖體內(nèi)部滑動(dòng)的軟弱結(jié)構(gòu)面，故本次只進(jìn)行大壩與基巖接觸面的穩(wěn)定和應(yīng)力以及碾壓層面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

a.穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷公式進(jìn)行：

(1)

式中K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷黏聚力，kPa；

∑W——作用于壩體上全部荷載對(duì)于滑動(dòng)平面法向分力之和(包括揚(yáng)壓力)；

∑P——作用于壩體全部荷載對(duì)于滑動(dòng)平面的切向分力之和(包括揚(yáng)壓力)；

A——壩基接觸面截面積。

擋水壩段選取最高擋水壩段5號(hào)壩段，溢流壩段選取11號(hào)壩段，底孔壩段選取20號(hào)壩段，取水壩段選取24號(hào)壩段。

b.壩基截面垂直正應(yīng)力計(jì)算采用下式進(jìn)行：

(2)

式中σy——壩踵、壩址垂直應(yīng)力，kPa；

∑W——作用于壩段上全部荷載的法向總和，kN；

∑M——作用于壩體上全部荷載對(duì)壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m；

A——壩基接觸面截面積，m2；

x——壩基截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m；

J——壩段的壩基截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4。

c.岸坡壩段受三向荷載作用，其抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行。岸坡壩段仍采用河床壩段的抗剪斷參數(shù)，即f′=0.95，c′=0.7MPa。計(jì)算時(shí)以28號(hào)壩段為代表壩段。

(3)

d.碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計(jì)算。大壩采用碾壓混凝土RCD工法施工，碾壓層厚0.75m，計(jì)算選擇最高擋水壩段，即5號(hào)壩段。壩段基礎(chǔ)高程88.0m，基礎(chǔ)常態(tài)混凝土蓋板厚2.0m，其頂面高程90.0m，第一層碾壓混凝土頂面高程90.75m。

本次計(jì)算選擇第一碾壓層(即90.75m高程層面)以及以上每10層選取的一個(gè)計(jì)算截面(即98.25m、105.75m、113.25m碾壓層)。126.705m高程為下游面變坡點(diǎn)，此處也選為計(jì)算截面。層間抗剪斷參數(shù)采用壩體原位抗剪斷實(shí)驗(yàn)復(fù)核值，f′=1.11，c′=0.59MPa。

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

采用以上計(jì)算方法，對(duì)最高擋水壩段5號(hào)壩段、溢流壩段11號(hào)壩段、底孔壩段20號(hào)壩段、取水壩段24號(hào)壩段，以及岸坡壩段28號(hào)壩段進(jìn)行穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算(見表3)。對(duì)最高擋水壩段5號(hào)壩段的第一碾壓層(即90.75m高程層面)以及以上每10層選取的一個(gè)計(jì)算截面和下游面變坡點(diǎn)截面進(jìn)行碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計(jì)算(見表4)。計(jì)算結(jié)果表明，擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、岸坡壩段及碾壓層面抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表3 穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算成果

表4 混凝土層間穩(wěn)定計(jì)算成果

4 壩體應(yīng)力計(jì)算評(píng)價(jià)

本次壩體應(yīng)力計(jì)算是通過計(jì)算運(yùn)用期壩體上游面的垂直應(yīng)力是否出現(xiàn)拉應(yīng)力以及壩體最大主應(yīng)力是否大于混凝土的允許壓應(yīng)力值來復(fù)核其安全性。計(jì)算壩段采用最高擋水壩段，即5號(hào)壩段。5號(hào)壩段壩頂高程134.3m，底高程88.0m。對(duì)124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7個(gè)截面進(jìn)行復(fù)核?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的擋水壩段混凝土抗壓強(qiáng)度最小值為34.2MPa(見表5)。

表5 壩體應(yīng)力計(jì)算成果

續(xù)表

計(jì)算表明，運(yùn)行期大壩上游未出現(xiàn)拉應(yīng)力；壩體最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游面，計(jì)算值與檢測(cè)值對(duì)比，抗壓安全系數(shù)大于4，滿足《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)要求。

5 結(jié) 論

a.通過對(duì)最高擋水壩段5號(hào)壩段、溢流壩段11號(hào)壩段、底孔壩段20號(hào)壩段、取水壩段24號(hào)壩段，以及岸坡壩段28號(hào)壩段進(jìn)行穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算，各壩段在不同荷載組合工況下其安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求，各壩段整體穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)基本安全。

b.通過對(duì)最高擋水壩段5號(hào)壩段的第一碾壓層以及以上每10層選取的一個(gè)計(jì)算截面和下游面變坡點(diǎn)截面共5個(gè)截面進(jìn)行碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計(jì)算，各截面在不同荷載組合工況下其安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求，壩體層間穩(wěn)定。

c.通過對(duì)最高擋水壩段5號(hào)壩段124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7個(gè)截面進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核，各截面運(yùn)行期大壩上游均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩體抗壓安全系數(shù)大于4，滿足規(guī)范要求。fffff8