基于實(shí)例漿砌石拱壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)分析

劉昱煜，陳向明，鄭漢種

(1.武義縣宣平溪水電工程管理處，浙江 金華 321200；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

漿砌石拱壩在國(guó)內(nèi)拱壩建設(shè)中占比最高，據(jù)統(tǒng)計(jì)已建和在建的拱壩中約有90%為漿砌石拱壩。漿砌石拱壩能夠如此被廣泛運(yùn)用，具有如下不可代替的優(yōu)勢(shì)，其一山區(qū)石材多土少，便于就地取材，節(jié)省鋼材、木材和水泥等材料；其二工程量比同樣高度的混凝土重力壩約小40%左右，使樞紐布置緊湊，施工導(dǎo)流和度汛較易解決；其三施工技術(shù)便于群眾掌握，建壩勞動(dòng)力容易解決，施工成本較低。馬福恒等[1]在對(duì)大壩水平位移觀測(cè)資料定性和定量分析的基礎(chǔ)上，采用拱冠梁法和三維有限元法對(duì)金坑水庫拱壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析；滕樹生等[2]在方家溝漿砌石拱壩加高處理時(shí)將老壩的頂部作為新壩的基礎(chǔ)，對(duì)縫面按滑動(dòng)縫的設(shè)置作了相應(yīng)的處理，并采用成熟的計(jì)算理論對(duì)壩體加高后進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和分析；孫啟亮等[3]對(duì)友誼水庫漿砌石拱壩進(jìn)行應(yīng)力穩(wěn)定計(jì)算，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，并結(jié)合該工程的實(shí)際情況，提出合理的整治措施；高玉峰[4]引入均質(zhì)化思想把漿砌石拱壩分為壩面與壩腹兩部分，分別進(jìn)行等效材料模擬；呂君等[5]基于非線性多拱梁法分析龍?zhí)镀鍪皦魏褪T砌石拱壩的壩體應(yīng)力及其在拉壓與剪切破壞模式下的拱壩結(jié)構(gòu)安全度。目前，未對(duì)漿砌石拱壩在加高前后的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析，文章根據(jù)武義縣梁家山水庫的建設(shè)要求，運(yùn)用拱梁分載法，分別在現(xiàn)狀工況和設(shè)計(jì)工況下對(duì)大壩的壩體應(yīng)力和拱座抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 工程概況

武義縣梁家山水庫位于金華市武義縣柳城鎮(zhèn)梁家山村上游，庫區(qū)涉及柳城、大源兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。屬甌江水系宣平溪支流石貓坑溪，原設(shè)計(jì)上游集雨面積3.5km2，主流長(zhǎng)度3km，源短流急，多年平均降雨量1700mm。漿砌石拱壩原設(shè)計(jì)為小二型水庫，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，按30年一遇設(shè)計(jì)，相應(yīng)水位446.85m，相應(yīng)庫容16.8萬m3，300年一遇校核，相應(yīng)水位447.08m，校核庫容17.4萬m3，壩址河谷較狹窄，兩岸基巖裸露。主要建筑物由漿砌石雙曲拱壩和輸水涵管組成。大壩為漿砌石雙曲拱壩，原設(shè)計(jì)壩頂高程447.6m，最大壩高32.0m，壩頂寬度1.95m，壩長(zhǎng)度約90m，溢洪壩段位于大壩中間，堰頂高程446.0m，堰寬30.0m，堰型為WES堰，跌流消能?，F(xiàn)狀壩頂高程430～431.0m，最大壩高15.0m，壩頂寬度約3.4m，壩長(zhǎng)約50m，在上游建2.5m高左右的漿砌石擋墻，整個(gè)壩段從漿砌石擋墻頂溢流，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀壩體布置圖

梁家山水庫1989年冬天開建，由于缺乏資金，至1993年初停工，未達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高即開始蓄水，至今已經(jīng)運(yùn)行24年，由于當(dāng)?shù)芈糜伍_發(fā)，經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門要求需要恢復(fù)建設(shè)，因此需要對(duì)水庫的運(yùn)行狀態(tài)做一次全面評(píng)價(jià)，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性復(fù)核與評(píng)價(jià)，為后續(xù)建設(shè)和運(yùn)行管理提供依據(jù)。

2 壩體應(yīng)力計(jì)算

2.1 壩體結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

梁家山水庫大壩為5級(jí)建筑物，按照SL 25—2006《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：當(dāng)采用拱梁分載法計(jì)算時(shí)，壩體容許壓應(yīng)力等于筑壩材料的極限抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)。基本荷載組合安全系數(shù)采用3.5；特殊荷載組合安全系數(shù)采用3.0。本工程筑壩材料為細(xì)骨料漿砌毛石，表面材料為細(xì)骨料漿砌塊石，根據(jù)SL 25—2006的規(guī)定，砌石體的極限軸心抗壓強(qiáng)度為10.2MPa。

容許壓應(yīng)力：基本荷載組合：容許壓應(yīng)力取2.9MPa；特殊荷載組合：容許壓應(yīng)力取3.4MPa；壩體容許拉應(yīng)力：根據(jù)浙江省砌石拱壩經(jīng)驗(yàn)，取1.0MPa；采用剛體極限平衡法進(jìn)行拱座抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(按抗剪斷公式)：正常情況K≥3.0，非常情況K≥2.5。

2.2 計(jì)算方法

壩體應(yīng)力計(jì)算采用SL 282—2018《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范推薦的拱梁分載法。本次壩體應(yīng)力復(fù)核采用ADAO程序(浙江大學(xué)編制的拱壩分析及優(yōu)化系統(tǒng))進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算拱冠梁頂部的位移。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)本工程特點(diǎn)以及SL 282—2018的規(guī)定，選擇下列4種計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算：工況1：基本組合，正常蓄水位+泥沙壓力+自重+溫降；工況2：基本組合，死水位+泥沙壓力+自重+溫升；工況3：基本組合，設(shè)計(jì)洪水位+泥沙壓力+自重+溫升；工況4：特殊組合，校核洪水位+泥沙壓力+自重+溫升。

本工程現(xiàn)狀工況下，拱壩厚高比為0.432，屬厚拱壩，設(shè)計(jì)工況下，拱壩厚高比為0.205，屬中厚拱壩，應(yīng)力計(jì)算中應(yīng)考慮揚(yáng)壓力。

2.4 計(jì)算指標(biāo)的選用

2.4.1特征水位與特征高程

根據(jù)梁家山水庫大壩設(shè)計(jì)圖及水文復(fù)核成果，設(shè)計(jì)工況和現(xiàn)狀工況的工程特征水位與特征高程見表1。

表1 特征水位與特征高程表

2.4.2物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)梁家山水庫壩址地質(zhì)資料以及大壩混凝土內(nèi)部觀測(cè)資料分析成果，并參考類似工程，在拱壩壩體應(yīng)力計(jì)算時(shí)采用的指標(biāo)見表2。

表2 基巖與壩體物理力學(xué)參數(shù)表

2.4.3壩體溫度荷載：

根據(jù)實(shí)際壩體溫度的變化規(guī)律及水庫的運(yùn)行情況，采用兩種溫度荷載：一是溫升荷載為壩體多年9月份的平均最高溫度減去封拱時(shí)溫度；二是溫降荷載為壩體多年3月份的平均最低溫度減去封拱時(shí)溫度。

2.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述條件采用《拱壩分析及優(yōu)化系統(tǒng)ADAO》計(jì)算得到的主要成果匯總見表3，詳細(xì)的應(yīng)力分布情況如圖2—3所示。

表3 應(yīng)力計(jì)算主要成果表

圖2 設(shè)計(jì)工況應(yīng)力圖

圖3 現(xiàn)狀工況應(yīng)力圖

2.5.1現(xiàn)狀工況

(1)壓應(yīng)力

各種基本荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.88MPa(工況1，下游壩面)，發(fā)生在416.00m高程拱冠，小于該處容許壓應(yīng)力2.9MPa。特殊荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.52MPa(工況4，上游壩面)，發(fā)生在419.00m高程右拱端，小于該處容許壓應(yīng)力3.4MPa。因此，各種工況下壩體壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(2)拉應(yīng)力

基本荷載組合：壩體最大拉應(yīng)力為0.38MPa(工況2，下游壩面)，發(fā)生在422.00m高程拱圈右拱端，小于容許拉應(yīng)力1.0MPa，滿足規(guī)范要求。特殊荷載組合下最大拉應(yīng)力為0.22MPa(工況4，下游壩面)，發(fā)生在425.00m高程左拱端，小于容許拉應(yīng)力1.0MPa，滿足規(guī)范要求。

(3)理論計(jì)算得到拱冠梁頂部向上游位移最大值發(fā)生在工況2(高溫低水位條件)，向上游位移為1.63mm；拱冠梁頂部向下游位移最大值發(fā)生在工況4(高溫高水位條件)，向下游位移為6.72mm，位移變幅為8.35mm。

(4)從上述計(jì)算結(jié)果可見，現(xiàn)狀工況下，各種計(jì)算工況下的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均小于容許值，滿足規(guī)范要求。

2.5.2設(shè)計(jì)工況

(1)壓應(yīng)力

各種基本荷載組合下，最大壓應(yīng)力為1.66MPa(工況2，上游壩面)，發(fā)生在425.00m高程右拱端，小于該處容許壓應(yīng)力2.9MPa；特殊荷載組合下，最大壓應(yīng)力為1.44MPa(工況4，上游壩面)，發(fā)生在428.00m高程拱冠，小于該處容許壓應(yīng)力3.4MPa。因此，各種工況下壩體壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(2)拉應(yīng)力

基本荷載組合：工況1條件下壩體最大拉應(yīng)力發(fā)生在431.00m高程拱冠，為1.01MPa，工況3條件下壩體最大拉應(yīng)力發(fā)生在431.00m高程拱冠，為1.03MPa，均略大于容許拉應(yīng)力1.0MPa；其它基本荷載組合條件下的拉應(yīng)力不大于1.0MPa，滿足規(guī)范要求。特殊荷載組合下最大拉應(yīng)力為1.05MPa，略大于容許拉應(yīng)力1.0MPa。參照我省類似工程經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為本工況大壩應(yīng)力狀態(tài)目前尚屬正常。

(3)理論計(jì)算得到拱冠梁頂部向上游位移最大值發(fā)生在工況2(高溫低水位條件)，向上游位移為2.21mm；拱冠梁頂部向下游位移最大值發(fā)生在工況4(高溫高水位條件)，向下游位移為6.44mm，位移變幅為8.65mm。見表3。

(4)從上述計(jì)算結(jié)果可見，壩體在溫升條件下拉應(yīng)力容易超標(biāo)，設(shè)計(jì)洪水位+溫升和校核洪水位+溫升條件下，壩體下游面拉應(yīng)力均稍大，最大拉應(yīng)力大于容許拉應(yīng)力?？紤]到拱壩超載能力強(qiáng)，安全余度大，從已建成大壩運(yùn)行情況來看，大壩已經(jīng)歷過高溫低水位及高溫高水位的最不利工況，尚未發(fā)現(xiàn)壩體有明顯的結(jié)構(gòu)性裂縫；其它計(jì)算工況條件下的拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求；各種計(jì)算工況下的最大壓應(yīng)力均小于容許值，滿足規(guī)范要求。因此，參照我省類似工程經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為設(shè)計(jì)工況大壩應(yīng)力狀態(tài)屬于正常，但建議在今后建成運(yùn)行中，避免在高溫季節(jié)空庫運(yùn)行或采取壩面降溫等措施。

3 拱座抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)

3.1 拱座抗滑穩(wěn)定分析方法

在前面壩體應(yīng)力復(fù)核的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用ADAO程序(浙江大學(xué)編制的拱壩分析及優(yōu)化系統(tǒng))對(duì)拱座抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，鑒于兩岸壩肩未發(fā)現(xiàn)明顯的不利結(jié)構(gòu)面組合，采用平面分層核算其穩(wěn)定性。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)有關(guān)規(guī)范和工程實(shí)際情況，復(fù)核計(jì)算時(shí)考慮了以下3種荷載組合工況：

工況1：基本組合，拱端推力(正常蓄水位+溫降)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

工況2：基本組合，拱端推力(設(shè)計(jì)洪水位+溫升)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

工況3：特殊組合，拱端推力(校核洪水位+溫升)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

拱端推力采用相應(yīng)荷載組合下應(yīng)力計(jì)算成果中得到的拱座推力。滲壓計(jì)算圖形采用三角形分布，即壩踵處為全水頭，假想滑動(dòng)面下游坡的出露位置為零。

3.3 巖體參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工揭示，壩基地質(zhì)條件與初設(shè)勘察的結(jié)論基本相符，因此參照初設(shè)勘察時(shí)提供的巖體力學(xué)指標(biāo)，在拱座穩(wěn)定計(jì)算中采用f1=0.9，C1=0.55MPa，容重取24kN/m3。

3.4 拱座抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果

根據(jù)上述條件采用《拱壩分析及優(yōu)化系統(tǒng)ADAO》計(jì)算得到的主要成果，各高程拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。對(duì)上述拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果分析如下。

表4 拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3.4.1現(xiàn)狀工況

基本荷載組合下，最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.03(工況2)，發(fā)生在433.40m高程左岸拱座，大于規(guī)范要求的3.0，滿足規(guī)范要求。特殊荷載組合下，最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.98，發(fā)生在433.40m高程左岸拱座，大于規(guī)范要求的2.5，滿足規(guī)范要求。

從上述拱座抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果看，大壩的拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于3.0(基本荷載組合)或2.5(特殊荷載組合)，滿足規(guī)范要求；大壩基礎(chǔ)處理符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，因此該工況兩岸及壩基安全穩(wěn)定。

3.4.2設(shè)計(jì)工況

基本荷載組合下，最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.57(工況1)，發(fā)生在434.00m高程左岸拱座，小于規(guī)范要求的3.0，不滿足規(guī)范要求。特殊荷載組合下，最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.62，發(fā)生在434.00m高程左岸拱座，大于規(guī)范要求的2.5，滿足規(guī)范要求。

3.4.3復(fù)核成果

從上述拱座抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果看，基本荷載組合，大壩最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于3.0，不滿足規(guī)范要求；特殊荷載組合，大壩最小拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求；設(shè)計(jì)工況下，工程兩岸及壩基安全穩(wěn)定局部不能符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4 結(jié)語

終上所述，現(xiàn)狀工況下大壩應(yīng)力和拱座抗滑穩(wěn)定均能滿足要求；設(shè)計(jì)工況下，壩體在溫升條件下拉應(yīng)力容易超標(biāo)，考慮到拱壩超載能力強(qiáng)，安全余度大，從已建成大壩運(yùn)行情況來看，大壩已經(jīng)歷過高溫低水位及高溫高水位的最不利工況，尚未發(fā)現(xiàn)壩體有明顯的結(jié)構(gòu)性裂縫；最大壓應(yīng)力均小于容許值，滿足規(guī)范要求。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為設(shè)計(jì)工況大壩應(yīng)力狀態(tài)屬于正常。

建議在今后建成運(yùn)行中，避免在高溫季節(jié)空庫運(yùn)行或采取壩面降溫等措施。工程兩岸及壩基安全穩(wěn)定局部不能符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，故建議該大壩保持原狀，不進(jìn)行大壩加高改造工程。