王 華，劉會琦

( 黔西市水務(wù)局,貴州 黔西 551500 )

1 工程概況

綠堰灘水庫位于黔西縣中坪鎮(zhèn)吉豐村境內(nèi),水庫所在河流屬長江流域烏江水系野濟河左岸一級支流野馬小河。綠堰灘水庫為?。?）型水利工程,總庫容10.60萬m3。大壩為漿砌石重力壩,除險加固后最大壩高21.50 m,壩軸線長53 m,壩頂寬3.0 m,工程等別為Ⅴ等,主要建筑物級別為5級。迎水面為1.50 m厚漿砌石直墻,直墻后為50 cm厚的C25現(xiàn)澆砼防滲墻,防滲墻下游側(cè)為砼埋塊石砌筑,頂部為水平溢流寬頂堰,下游溢流壩面經(jīng)坡比1∶0.78斜坡后接中部反弧挑流段,挑流鼻坎高程為1066.41 m,反弧段半徑為5 m,溢流面及反弧段采用厚20 cm的C25 砼護面。除險加固設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年（P=5%）一遇,設(shè)計洪水位1078.61 m,相應(yīng)下游水位為1064.49 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年（P=0.5%）一遇,校核洪水位1079.14 m,相應(yīng)下游水位為1064.91 m；正常蓄水位為1077.00 m,相應(yīng)下游無水位。壩基高程為1058.00 m。本文選取該大壩一處溢流壩段與非溢流壩段計算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩踵與壩趾應(yīng)力值,以評價壩體結(jié)構(gòu)安全性,為水庫除險加固設(shè)計施工提供指導(dǎo)。所選取的非溢流壩段與溢流壩段結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～圖2。

圖1 非溢流壩段結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 溢流壩段結(jié)構(gòu)示意圖

2 抗滑穩(wěn)定計算

2.1 計算工況

根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 25-2006）的規(guī)定,考慮壩體工作情況以及可能遇到的最不利情況,擬定計算工況為：基本工況1：正常水位靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+土壓力；基本工況2：設(shè)計洪水位靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+土壓力；特殊工況：校核洪水位靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+土壓力。

2.2 計算原則

采用剪切摩擦公式計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),基本工況時,在各種荷載組合下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于規(guī)范規(guī)定值[k]=1.05；特殊工況時,在各種荷載組合下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于規(guī)范規(guī)定值[k]=1.0。采用抗剪斷摩擦公式計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),基本工況時,在各種荷載組合下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于規(guī)范規(guī)定值[k]=3；特殊工況時,在各種荷載組合下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于規(guī)范規(guī)定值[k]=2.5。

綠堰灘水庫大壩為漿砌石重力壩,最大壩高為21.50 m,最大庫容10.60萬m3,工程規(guī)模小,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算先采用剪切摩擦公式計算,若計算滿足抗滑穩(wěn)定要求,然后再采用抗剪斷摩擦公式進行復(fù)核,若采用抗剪斷摩擦公式復(fù)核后大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求,則最終評價大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求。若采用抗剪斷摩擦公式復(fù)核后,大壩不滿足抗滑穩(wěn)定要求,則評價大壩不滿足穩(wěn)定要求。若采用剪切摩擦公式計算大壩不滿足抗滑穩(wěn)定要求,則不再采用抗剪斷摩擦公式再次復(fù)核,此時可評價大壩為不安全。故本次大壩抗滑穩(wěn)定計算方法采用剪切摩擦公式和抗剪斷摩擦公式聯(lián)合進行計算。

2.3 非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算

漿砌石重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)先采用剪切摩擦公式計算,根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 25-2006）,計算公式為[1]:

式中：K為按剪切摩擦公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體墊層混凝土與壩基接觸面的剪切摩擦系數(shù),本文取0.5；∑W為大壩全部荷載對滑動面的法向分力值,kN；∑P為作用于壩段上全部荷載對滑動面的切向分值,kN。

壩體主要受包括靜水壓力、壩體自重、泥沙壓力和揚壓力等作用,其中浪壓力較小,可不考慮。揚壓力折減系數(shù)為0.5,靜水壓力和泥沙壓力分別采用以下計算公式：

式中：P為計算點處的靜水壓強,kN/m2；γ為水的重度,取9.8 kN/m3；H為計算點作用水頭,m。

式中：Psk為泥沙壓力,kN/m；γsb為泥沙浮容重,取14 kN/m3,γsb=γsd-（1-n）·γ；γsd為泥沙干容重,取16.5 kN/m3；n為泥沙孔隙率,取0.46；hs為壩前泥沙淤積厚度,取1.5 m；φs為泥沙內(nèi)摩擦角,取6°。

采用剪切摩擦公式計算各個工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),計算結(jié)果見表1。

表1 剪切摩擦公式計算抗滑穩(wěn)定結(jié)果表

表1所示,由剪切摩擦公式計算的各個工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均符合要求,因此需要繼續(xù)采用抗剪斷摩擦公式進行復(fù)核,抗剪斷摩擦公式如下[2]：

式中：K'為按抗剪斷摩擦公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f'為壩體墊層混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù),本文取0.25；c'為壩體墊層混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力,本文取0.3 MPa。

經(jīng)抗剪斷摩擦公式計算各個工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果如下,基本工況1：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K'=3.25＞[k]=3.0,正常蓄水位時,大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求；基本工況2：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K'=3.22＞[k]=3.0,設(shè)計洪水位時,大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求；特殊工況時：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K'=3.11＞[k]=2.5,校核洪水位時,大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2.4 溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算

中部溢流壩段除上述作用力外,還承受動水壓力、反弧段離心力等作用,其中反弧段水流離心力計算式為：

式中：Pcr為水流離心力壓強代表值,N/m2；q為相應(yīng)設(shè)計狀況下反弧段上的單位寬流量,m3/（s·m）；v為反弧段最低點平均流速,m/s；R為反弧段半徑,取5.0 m。

反弧段水流離心力的水平分力與垂直分力分別為：

根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)型式,各工況下游水位均低于反弧段高程,故校核水位和設(shè)計水位時需考慮反弧段動水壓力作用,因此需按照工程實際情況對溢流壩段進行抗滑穩(wěn)定分析計算。

除險加固后的溢流壩段堰頂高程為1077 m,挑流鼻坎高程為1066.41。正常水位工況下,上游水位等于堰頂高程,堰頂不會發(fā)生溢流,因此不需要考慮反弧段動水壓力作用。設(shè)計與校核洪水位工況下,下游水位均低于挑流鼻坎高程,因此需要考慮反弧段動水壓力作用。

采用兩種抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式計算結(jié)果見表2。

表2 溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

經(jīng)過對計算結(jié)果分析,本次除險加固后,該溢流壩段滿足抗滑穩(wěn)定要求,設(shè)計達到除險加固目的。

2.5 大壩抗滑穩(wěn)定評價

分別采用剪切摩擦公式和抗剪斷摩擦公式兩種計算公式對一處非溢流壩段與一處溢流壩段的抗滑穩(wěn)定進行計算和復(fù)核,且兩種計算方法在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位三種工況下所得的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值,因此該非溢流壩段與溢流壩段均滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3 應(yīng)力計算

3.1 計算方法

漿砌石重力壩應(yīng)力按材料力學(xué)法計算,根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 25-2006）,壩基面上、下游面垂直正應(yīng)力計算公式如下[3]：

式中：σ為壩基面垂直應(yīng)力,kPa；∑W為作用于壩段上或1 m壩長上全部荷載在壩基截面上法向力的總和,kN；∑M為作用于壩段上或1 m壩長上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和,kN·m；A為壩段或1 m壩長的壩基截面積,m2；x為壩基截面上計算點到形心軸的距離,m；J為壩段或者1 m壩長的壩基截面對形心軸的慣性矩,m4。

對壩體上、下游面應(yīng)力計算時,計算公式分別如下:

式中：T為壩體計算截面上、下游方向?qū)挾取?/p>

3.2 計算原則

綠堰灘水庫大壩上下游面料石或砼預(yù)制塊膠凝材料為M7.5水泥砂漿,膠凝材料標(biāo)號強度在基本組合時為2.3 MPa,特殊組合時2.7 MPa。

采用材料力學(xué)法計算大壩壩基面垂直正應(yīng)力,在各種工況下,壩基面最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fk]=2.00 MPa,最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于0；對于壩體上、下游面應(yīng)力而言,在正常水位與設(shè)計水位工況下,最大應(yīng)力應(yīng)小于壩體承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fn]=2.3 MPa,在校核水位工況下,最大應(yīng)力應(yīng)小于壩體承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fn]=2.7 MPa,在各種工況下,壩體不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.3 非溢流壩段應(yīng)力計算

非溢流壩段壩基面垂直正應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 非溢流壩段壩基面垂直正應(yīng)力計算結(jié)果表

非溢流壩段上、下游面壩體應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

表4 非溢流壩段上、下游面壩體應(yīng)力計算結(jié)果表

通過上述對壩基面應(yīng)力計算,壩基面最大應(yīng)力值為0.472 MPa,小于壩基承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fk]=2.00 MPa,滿足抗壓強度要求；最小應(yīng)力值為0.016 MPa,滿足抗拉強度要求。

由上述壩體上下游面應(yīng)力計算,壩體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在正常水位工況時,應(yīng)力值為0.540 MPa,小于壩體承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fn]=2.7 MPa,滿足抗壓強度要求；最小應(yīng)力值出現(xiàn)在設(shè)計水位工況時,應(yīng)力值為0.015 MPa,大于0 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足抗拉強度要求。

3.4 溢流壩段應(yīng)力計算

根據(jù)工程布置,溢流壩段與非溢流壩段作用力最大區(qū)別,主要為溢流壩體的末端反弧段存在動水向心力,最終將向心力分解為水平向心力和垂直向心力,并對溢流壩產(chǎn)生相應(yīng)作用。按照上述非溢流壩計算方法,在考慮動水壓力作用后,溢流壩段壩基及壩體應(yīng)力計算情況見表5～表6。

表5 溢流壩段壩基面垂直正應(yīng)力計算結(jié)果表

表6 非溢流壩段上、下游面正應(yīng)力計算結(jié)果表

通過上述對壩基面應(yīng)力計算,壩基面最大應(yīng)力值為0.497 MPa,小于壩基承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fk]= 2.00 MPa,滿足抗壓強度要求；最小應(yīng)力值為0.006 MPa,滿足抗拉強度要求。

由上述壩體上下游面應(yīng)力計算,壩體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在校核水位工況時,應(yīng)力值為0.569 MPa,小于壩體承載力標(biāo)準(zhǔn)值[fn]= 2.7 MPa,滿足抗壓強度要求；最小應(yīng)力值出現(xiàn)在設(shè)計水位工況時,應(yīng)力值為0.008 MPa,大于0 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足抗拉強度要求。

3.5 大壩應(yīng)力穩(wěn)定評價

采用材料力學(xué)法對一處非溢流壩段與一處溢流壩段的壩基面應(yīng)力與壩體應(yīng)力進行計算,兩處壩段的壩基面與壩體應(yīng)力在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位三種工況下均滿足要求,因此綠堰灘水庫大壩應(yīng)力符合要求。

4 結(jié)論

綠堰灘水庫大壩經(jīng)除險加固后,對該大壩是否滿足抗滑穩(wěn)定、壩體應(yīng)力與壩基面應(yīng)力是否出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)進行計算分析,分析結(jié)果表明,該大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩基最大、最小垂直正應(yīng)力、壩體最大、最小應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,水庫大壩結(jié)構(gòu)安全。