司才龍,舒仲英

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065)

1 工程概況

鮮店水庫位于蓬安縣鮮店鄉(xiāng)境內(nèi),嘉陵江水系龍灘子河上游。壩型為漿砌條石單曲拱壩。壩高28.8 m,壩底寬10 m,壩頂寬3 m,壩頂弧長(zhǎng)106 m。大壩右端直接與山巖連接,左邊由寬4.25 m,長(zhǎng)5.9 m,高13 m的梯級(jí)重力墩支撐。壩址以上控制集雨面積4.9 km2,主河道長(zhǎng) 4.4 km,平均坡降13.47‰。校核洪水位為380.60 m,庫容為305×104m3;設(shè)計(jì)洪水位380.15 m;正常高水位為 378.86 m,相應(yīng)的庫容 247.2×104m3;死水位 369.157 m,死庫容43×104m3。

水庫樞紐工程于1972年動(dòng)工修建,1977年建成,運(yùn)行至今已30 a,樞紐在發(fā)揮效益的同時(shí),也存在一些嚴(yán)重的病害問題。壩體左端下游面與重力墩有一集中滲漏點(diǎn),大壩下游面高程369.3 m以下壩體大面積散浸濕潤(rùn),局部有滴水現(xiàn)象,散浸和滴水主要發(fā)生在灰漿部位;壩基和左壩肩存在滲漏;現(xiàn)場(chǎng)檢查壩體拱冠迎水面有縱橫交錯(cuò)的裂縫多處。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

壩區(qū)巖石主要由侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組之砂巖與砂質(zhì)泥巖的不等厚互層組成。強(qiáng)風(fēng)化帶厚5.00～9.00 m,弱風(fēng)化帶厚9.00～13.00m。壩址處河谷地形較為寬淺(呈“U”)。

水庫大壩左壩端為開敞式溢洪道,壩肩為漿砌條石重力墩,墩基為層砂質(zhì)泥巖,墩背為溢洪道左邊墻,由于砂質(zhì)泥巖抗風(fēng)化及抗沖刷能力低,墩側(cè)邊坡巖體又未作抗風(fēng)化處理、而且左放水設(shè)施從重力墩中穿過,因此對(duì)壩肩重力墩的穩(wěn)定不利。

右岸壩端下游20m處在渠道內(nèi)側(cè)陡坡處,沿卸荷裂隙發(fā)生的切層巖質(zhì)滑坡?；嬗尚逗闪严督M成 ,卸荷裂隙產(chǎn)狀為 N39°～ 42°E/SE ∠80°～ 81°,裂隙上大下小,縫寬8～20 cm,裂隙間充填物為碎石和泥質(zhì)物。該塌滑體清除后將使右壩肩巖體在下游形成臨空面,因此對(duì)大壩右壩肩巖體穩(wěn)定性有影響,需進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

3 應(yīng)力和穩(wěn)定分析

3.1 壩體應(yīng)力計(jì)算

拱壩(圖1)體型尺寸見表1。對(duì)拱壩的應(yīng)力分析,根據(jù)規(guī)范[1]規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及其編制說明[2]及《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[1],采用拱冠梁計(jì)算[4],計(jì)算程序采用經(jīng)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范編制說明》推薦的陜西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院的拱冠梁法程序?yàn)榛A(chǔ),而該程序的溫度荷載方法與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定不合,現(xiàn)舍去這種溫度荷載計(jì)算方法,改用規(guī)范[1]推薦公式編制溫度荷載計(jì)算程序計(jì)算溫度荷載,其計(jì)算原理是應(yīng)先分別計(jì)算拱和梁所經(jīng)全部溫度變化的初始變位,然后協(xié)調(diào)其差值,在求出分載應(yīng)力之后,拱應(yīng)力還應(yīng)疊加上純拱的初始溫度應(yīng)力[5],再將計(jì)算結(jié)果調(diào)入拱壩應(yīng)力分析程序。經(jīng)改造后的程序已經(jīng)驗(yàn)算考核合格,在多個(gè)中小型砌石拱壩中得到應(yīng)用,證明可靠。

圖1 拱壩橫剖面圖Fig.1 Cross section drawing of arch dam

計(jì)算工況如下:①正常高水位+溫降;②校核洪水位+溫升;③死水位+溫升;④死水位+溫降。計(jì)算結(jié)果見表2～表5。

3.2 壩體應(yīng)力分析

1)本拱壩按膠結(jié)材料為M7.5,拱壩周邊拉應(yīng)力允許值為1.0 MPa,其它部位為0.8MPa,在正常高水位+溫降工況下懸臂梁上游面高程352.66m,最大拉應(yīng)力為1.32MPa。故大壩的計(jì)算拉應(yīng)力未達(dá)到規(guī)范要求。這主要是壩址處河谷地形較為寬淺(呈“U”),梁分到的荷載比例比拱大,因此造成應(yīng)力分布不均,甚至在高水位是拱冠梁底部的拉應(yīng)力超強(qiáng)。

2)由文獻(xiàn)[1]可知,實(shí)際發(fā)生的最大壓應(yīng)力為5.1946MPa,發(fā)生在校核洪水位+溫升工況下拱端上游面352.66m處。而本壩采用料石未達(dá)該標(biāo)準(zhǔn)且應(yīng)力大大超過。根據(jù)觀測(cè)資料,在大壩上游拱冠偏右上游面有明顯的裂縫,則可作為壩體應(yīng)力超限的佐證。

3)在死水位+溫降工況下,拱圈出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,且據(jù)運(yùn)行觀測(cè)資料,施工時(shí)的砌體水泥砂漿強(qiáng)度不夠和填縫不滿,使其抗拉強(qiáng)度有所下降,故拱壩出現(xiàn)裂縫有其必然性。

表1 拱壩體型尺寸Table1 Size of arch dam

表2 正常高水位+溫降工況下的應(yīng)力Table2 Normal high water level and temperature drop operating conditions of stress

表3 校核洪水位+溫升工況下的應(yīng)力Table3 Check flood level and temperature rise operating conditions of stress

表4 死水位+溫升工況下的應(yīng)力Table4 Dead water level and temperature rise operating conditions of stress

表5 死水位+溫降工況下的應(yīng)力Table5 Dead water level and temperature drop operating conditions of stress

4)在校核洪水位+溫升和死水位+溫升工況下,拱圈多數(shù)部位不存在拉應(yīng)力,由此可判定在高溫季節(jié),拱壩不會(huì)出現(xiàn)豎向裂縫。

3.3 拱座穩(wěn)定計(jì)算

由于拱壩左端直接作用于重力墩上,故左端拱座穩(wěn)定分析只計(jì)算重力墩[3],計(jì)算采用文獻(xiàn)[1]中公式,計(jì)算參數(shù)采用地質(zhì)報(bào)告建議值,計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 左端拱座穩(wěn)定計(jì)算表Table6 Left end of abutment stability calculation

由于右拱端下游有一條較長(zhǎng)的卸荷裂隙,該裂隙后部已發(fā)育成滑坡體,把滑坡體清除后就會(huì)形成橫斷河床方向的臨空面,使得該卸荷裂隙與J3P頂面組成的塊體可能滑出,以下對(duì)楔形塊體進(jìn)行校核。穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法,采用文獻(xiàn)[1]中公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算參數(shù)采用地質(zhì)報(bào)告建議值。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 右端拱座穩(wěn)定計(jì)算表Table7 Right end of abutment stability calculation

3.4 穩(wěn)定分析

1)由計(jì)算可知,左、右拱座的穩(wěn)定均不滿足規(guī)范的要求值,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與規(guī)范允許值差距較大,這是由于壩體清基不徹底,f、c值很小造成的。

2)在進(jìn)行各種工況的計(jì)算時(shí),采用的邊界條件和計(jì)算參數(shù)與工程的實(shí)際情況存在一定的差別,因此抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與規(guī)范允許值存在差距。

3)在理論計(jì)算時(shí),采用的是最不利工況,然而在工程實(shí)際中,最不利工況并沒有發(fā)生,這使得拱壩運(yùn)行未出現(xiàn)安全問題,但本次鑒于拱壩以后的安全運(yùn)行,需對(duì)本工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

4 結(jié) 語

通過拱壩的應(yīng)力和穩(wěn)定分析,結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況找到鮮店拱壩目前存在的安全隱患,針對(duì)具體問題,提出以下整治措施:

1)針對(duì)壩體滲漏以及裂縫,根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,在上游面死水位以上做鋼絲網(wǎng)-水泥纖維砂漿防滲層,大壩下游增設(shè)混凝土砌塊石加固層,通過以上整治,大壩的應(yīng)力滿足文獻(xiàn)[1]要求和解決了滲漏及裂縫問題。

2)針對(duì)左壩肩的穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求,左壩肩采取增加重力墩的重量;針對(duì)右壩肩存在的卸荷裂隙使右壩肩存在不穩(wěn)定的因素,在右壩肩20 m范圍內(nèi)沿卸荷裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3)對(duì)壩基及壩肩的滲漏問題,結(jié)合地質(zhì)以及工程的實(shí)際情況,對(duì)大壩壩基段,采用單排帷幕灌漿,灌漿軸線沿大壩下游面新增條形基礎(chǔ)布置;右壩肩灌漿沿壩體中心線延伸30 m,左岸灌漿軸線順溢洪道方向延伸30 m。

[1]SL 25-2006,砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL 282-2003,混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]林繼鏞.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[4]王世夏.水工設(shè)計(jì)的理論和方法[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[5]黎展眉.拱壩[M].北京:水利電力出版社,1982.