白盆珠水庫主壩壩體穩(wěn)定性分析

摘要：白盆珠水庫大壩加固工程建設(shè)的主要內(nèi)容為主壩、副壩、防汛公路等水工建筑物的加固以及金屬結(jié)構(gòu)的更換。為了確保水庫安全運(yùn)行，結(jié)合白盆珠水庫加固工程，對主壩壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析探討。白盆珠水庫主壩為混凝土空心支墩重力壩，主要選取4#壩段和8#壩段作為典型壩段進(jìn)行壩體穩(wěn)定和壩基應(yīng)力計(jì)算。經(jīng)研究，白盆珠水庫主壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：白盆珠水庫 壩體穩(wěn)定 壩基 壓力

Stability Analysis of the Main Dam of Baipenzhu Reservoir

LIU Julian

Huizhou Baipenzhu Reservoir Engineering Management Bureau， Huizhou， Guangdong Province， 516341 China

Abstract： The main construction content of the reinforcement project for the Baipenzhu Reservoir dam includes the reinforcement of hydraulic structures such as the main dam， the auxiliary dam， the flood control road and the replacement of metal structures. In order to ensure the safe operation of the reservoir， the stability of the main dam is analyzed and discussed in combination with the Baipenzhu reservoir reinforcement project. The main dam of Baipenzhu Reservoir is a concrete hollow buttressed gravity dam. Section 4# and section 8# are selected as typical sections to calculate the stability of the dam body and the stress of the dam foundation. After research and analysis， the anti-sliding stability of the main dam of Baipenzhu Reservoir along the dam foundation can meet the requirements of relevant specifications.

Key Words：Baipenzhu reservoir; Stability of dam body;Base of dam; Pressure

惠州市白盆珠水庫大壩在第三次安全鑒定中被評定為三類壩。為盡快消除隱患，確保水庫安全運(yùn)行，需要對水庫大壩進(jìn)行除險加固。為使大壩壩體的加固設(shè)計(jì)符合結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的要求，須根據(jù)壩身的載荷量情況，來對壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，確保大壩安全可靠運(yùn)行[1]。

1白盆珠水庫概述

白盆珠水庫位于惠東縣白盆珠鎮(zhèn)，西枝江上游，是粵港澳大灣區(qū)庫容最大的水庫。集雨面積856 km2，占西枝江流域面積的20.8%，總庫容為11.90億m3，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉、改善航運(yùn)的大[Ⅰ]型水庫。

白盆珠水庫于1977年8月動工興建，1984年9月底下閘蓄水，1985年8月電站機(jī)組投入運(yùn)行，1987年12月竣工驗(yàn)收。

水庫集雨面積為856 km2，占西枝江流域面積的20.8%。水庫原設(shè)計(jì)正常蓄水位為75.0 m，500年一遇設(shè)計(jì)洪水位為83.90 m，主壩5000年一遇校核洪水位為85.80 m；土壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000 年一遇洪水的校核洪水位為87.90 m。

2白盆珠水庫布置與主壩現(xiàn)狀

工程主要水工建筑物包括1座主壩、2座副壩、1座壩后電站、1處灌溉涵管等，永久性主要建筑物級別為1級、次要建筑物級別為2級。

主壩位于惠東縣白盆珠鎮(zhèn)新庵區(qū)下游8 km的峽谷入口處，為混凝土空心支墩重力壩，分實(shí)體重力壩段5 個，支墩壩段11個。主壩高程88.20 m，壩頂長240 m，壩頂寬6 m，最大壩高66.20 m。主壩主要壩段為，電站廠房壩段、河床支墩溢流壩段、放水底孔壩段、左岸支墩壩段、右岸支墩壩段、左岸實(shí)體重力壩段、右岸實(shí)體重力壩段。壩中設(shè)有排洪堰閘1座2孔，跨②-④號壩段布置，堰面采用 WES 曲線，每孔凈寬12 m，邊墩厚度為1.5 m，中墩厚度為3 m，總寬度為30 m。堰頂高程73 m，上設(shè)9×12 m的弧形閘門，采用2臺BJQ-63t固定式卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行控制，單寬流量為108.46 m3/s，最大下泄流量為2 589 m3/s（P=0.02%時）。下游采用溢流壩下接長護(hù)坦梯形差動式鼻坎挑流式消能。壩后式主廠房設(shè)置在⑤、⑥號壩段，副廠房設(shè)置于主廠房右側(cè)，主廠房規(guī)模44.60 m×15.40 m×30.0 m，副廠房規(guī)模分別為8.50 m×44.60 m和23.90 m×7.60 m。電站引水壓力鋼管進(jìn)水口中心高程58.70 m，直徑為3.40 m，設(shè)有攔污柵、一扇平板檢修鋼閘門、二扇平板快速鋼閘門3.4 m×2.7 m，快速鋼閘門用二臺固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)BJQ2×25 t控制，檢修鋼閘門用一臺移動式卷揚(yáng)啟閉機(jī)2×5 t控制。

在主壩④號壩段設(shè)有放水底孔一個，采用壩內(nèi)壓力管接明渠泄水道形式，明渠出口是用連接式鼻坎挑流消能。放水底孔進(jìn)口底坎高程42.0 m，全長97.45 m，明渠泄水道長度為80.0 m，壓力管長度為17.45 m。在壓力管出口設(shè)有1扇弧形閘門（4.0 m×4.0 m），中間設(shè)有1扇事故檢修閘門（4.60 m×5.50 m），弧形閘門在壩內(nèi)用螺桿式啟閉機(jī)75/40 t控制，事故檢修閘門在壩頂用固定式卷揚(yáng)機(jī)QPQ-2×80 t控制。主壩壩后式電站裝機(jī)兩臺，裝機(jī)容量為2×15 MW，多年平均發(fā)電量7900萬kWh。

3.1壩基抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力復(fù)核

3.1.1計(jì)算方法

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2018）的要求[2]，分別采用材料力學(xué)法、剛體極限平衡法對砼壩沿建基面的壩基應(yīng)力和穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。分別選取4#壩段（雙支墩擋水壩段，寬度為18.0 m，單個支墩寬度為4.0 m）和 8#壩段（單支墩壩段，寬度為15.0 m，支墩寬度為6.0 m）作為典型壩段進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力復(fù)核[3]。

剛體極限平衡法選用抗剪斷參數(shù)，計(jì)算公式如下。

式（1）、式（2）中：為壩體與壩基接觸面的抗剪斷 摩擦系數(shù)；為壩體與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，單位為kPa；A為接觸面的截面積，單位為m2；為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，單位為kN。

壩踵、壩趾法向應(yīng)力計(jì)算公式：

式（2）中：為作用于壩體上全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對滑動平面的法向分值，單位為kN；為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，單位為kN；為計(jì)算截面上全部荷載對截面形心的力矩之和，以使上游面產(chǎn)生壓應(yīng)力者為正，單位為kN·m。

3.1.2荷載計(jì)算方法

穩(wěn)定應(yīng)力分析中考慮的荷載包括壩體自重、上下游靜水壓力、淤沙壓力、揚(yáng)壓力、風(fēng)浪壓力、地震慣性力、地震動水壓力。各種荷載的計(jì)算方法如下。

式（3）中：為壩體材料容重；根據(jù)混凝土天然容重在2.41g/cm3～2.43g/cm3 之間，計(jì)算中取2.41g/cm3；V為壩體體積，單位為m3；計(jì)算中扣除壩段空腔及灌漿廊道的體積。

式（4）中：為水容重，單位為kN/m3；為水深，單位為m。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2018）的相關(guān)規(guī)范[4]，壩基揚(yáng)壓力的計(jì)算方法如下。假定壩底面上游（壩踵）處的揚(yáng)壓力作用水頭為，下游（壩趾）處為，其間依次以直線連接各段。

根據(jù)截止2008年11月31日的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，白盆珠水庫上游最高水位為1997年8月5日的78.42 m，而目前已有的揚(yáng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)對應(yīng)的上游最高水位僅76.47 m，此時的揚(yáng)壓力監(jiān)測成果表明：13個壩段17條測壓管揚(yáng)壓力折減系數(shù)均小于規(guī)范要求的25%，右重1#無揚(yáng)壓力監(jiān)測記錄。故本次復(fù)核滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)仍按規(guī)范取值：河床壩段0.25，岸坡壩段 0.35。

式（5）中：為淤沙的浮重度，取8.0 kN/m3；為壩前的淤沙淤積厚度，按 100 年淤沙高程42.0 m計(jì)；為淤沙的內(nèi)摩擦角，按15°計(jì)。

浪壓力是指作用于鉛直迎水面的建筑物，當(dāng)和時，在單位長度上的浪壓力值按下式計(jì)算。

式（6）、式（7）、式（8）中：為平均波長，單位為m；為波高（是累積頻率為1%），單位為m；為擋水建筑物迎水面的水深，單位為m；為波浪中心線至計(jì)算水位的高度，單位為m；為使波浪破碎的臨界水深，單位為m。

（6）地震慣性力。

沿建筑物高度作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力，采用擬靜力法計(jì)算地震效應(yīng)[5]，按下式計(jì)算。

式（9）、式（10）中：為水平向設(shè)計(jì)加速度，單位為m/s2；為折減系數(shù)，取0.25；為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力；為質(zhì)點(diǎn)i的動態(tài)分布系數(shù)；為質(zhì)點(diǎn)總數(shù)；為壩高，單位為m；、分別為質(zhì)點(diǎn)i、j的高度，單位為m。

自上至下把壩體分成八段計(jì)算壩體的地震慣性力。

（7）地震動水壓力。

式（11）中：為水平向設(shè)計(jì)加速度，單位為m/s2；為折減系數(shù)，取0.25；為水的容重，單位為kg/m3；為水深標(biāo)準(zhǔn)值，單位為m。

3.1.3計(jì)算結(jié)果

白盆珠水庫主壩4#壩段和8#壩段加固后的壩體穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以壓為正，以拉為負(fù)。

4 結(jié)語

白盆珠水庫主壩壩基抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，在各種水位情況下，壩踵未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾最大壓應(yīng)力為1.11 MPa，小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李鐵哲.淺析水利水電工程中的大壩加固設(shè)計(jì)技術(shù)[J].珠江水運(yùn)，2021（21）：39-40

[2] 白川.白草坪水庫主壩滲流穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析[J].河北水利，2020（1）：47-48.

[3]高香凱.碧流河水庫主壩滲流安全分析[J].黑龍江水利科技，2022，50（9）：62-65.

[4]鄒紅，何敏.龍門下庫水庫大壩安全綜合評價[J].人民黃河，2023，45（S1）：171-172.

[5]沈慶雙，蔣德才，普俊華等.高沖水庫大壩滲流安全評價分析[J].人民珠江，2023，44（S1）：134-138，160.