段 飛

(福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ，福建 漳州 363000)

龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩結(jié)構安全分析評價

段 飛

(福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ，福建 漳州 363000)

龍?zhí)端畮煳挥诟＝ㄊ≡t安縣東溪流域干流的中、下游結(jié)合部，控制流域面積722.0km2，是東溪流域干流最末一級開發(fā)的中型水利樞紐工程。文章通過對龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩的抗滑穩(wěn)定、應力及變形三方面的計算分析，為空腹重力壩的結(jié)構穩(wěn)定作出評定依據(jù)，并對重力壩的結(jié)構安全進行了綜合評價，同時為同類壩的結(jié)構安全評價作出參考。

漿砌石空腹重力壩；變形分析；應力分析；抗滑穩(wěn)定

0 前 言

空腹重力壩是在重力壩體內(nèi)沿軸方向布置縱向空腹的一種新壩型。其特點是壩體空腔對減少壩基揚壓力及改善壩基應力有利，且較實體重力壩節(jié)省了原材料，從而大大降低了工程投資。文章以龍?zhí)端畮齑髩沃胁恳缌鲏味螢槔?，根?jù)《砌石壩設計規(guī)范》、《水庫大壩安全評價導則》，并參照《混凝土重力壩設計規(guī)范》，主要從抗滑穩(wěn)定、應力、變形等三方面的計算分析，對空腹重力壩結(jié)構安全作出評價。文章采用水工結(jié)構有限元分析軟件Autostable和Autobank進行計算。

1 工程概況

龍?zhí)端畮煳挥诟＝ㄊ≡t安縣東溪流域干流的中、下游結(jié)合部，控制流域面積722.0km2，是東溪流域干流最末一級開發(fā)的中型水利樞紐工程。龍?zhí)端畮齑髩螢闈{砌石空腹重力壩，壩頂高程42.5m，最大壩高48.5m，壩頂長238m，壩頂寬度5m。中部為溢流壩段，兩岸為非溢流壩段。中部溢流壩段長73m，設5孔12m×10m溢流表孔，堰頂高程31.5m，溢流段設有大空腹，最大底寬12.4m，最大高度11.5m，空腹長72.8m，壩內(nèi)設有灌漿排水廊道。龍?zhí)端畮齑髩我堰\行10多年，目前運行良好。

2 計算工況及參數(shù)

2.1 計算工況

按照《砌石壩設計規(guī)范》SL25-2006規(guī)定，荷載組合按基本組合和特殊組合二種情況共4種工況進行結(jié)構計算，由于目前Autobank軟件應力分析尚未加入地震力。因此，文章中暫不進行地震工況下的應力分析，大壩抗滑穩(wěn)定計算計入地震工況[1]。各計算工況組合見表1。

表1 大壩結(jié)構計算工況

注：空腹內(nèi)水深約0.5m

2.2 計算參數(shù)

本工程砌石體允許最大壓應力：壩體膠結(jié)材料C10混凝土，砌石采用600號毛石，按《砌石壩設計規(guī)范》SL25-2006附錄A中表A.0.7取值，基本荷載允許壓應力3.1MPa，特殊荷載允許壓應力3.7MPa。前腿膠結(jié)材料C15混凝土，砌石采用600號毛石，按表A.0.7取值，基本荷載允許壓應力4.1MPa，特殊荷載允許壓應力4.8MPa。

地基允許承載力：根據(jù)地質(zhì)，龍?zhí)端畮齑髩螇位挥谌躏L化花崗巖上，其承載力為3500kPa。

壩體材料其余參數(shù)詳見表2。

表2 壩體材料參數(shù)表

3 穩(wěn)定計算

3.1 計算方法

重力壩抗滑穩(wěn)定采用Autostable軟件，根據(jù)現(xiàn)狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點，上游取至x=-7.05m，下游取至x=86.2m；y方向取整個溢流壩段為一個壩段，長度72.8m，基巖深度及寬度均取約1倍壩高。軟件按抗剪斷公式計算，依據(jù)地質(zhì)提供參數(shù)，中部溢流壩段抗剪斷摩擦系數(shù)f′=1.1，c′=1.15。大壩設防烈度7度，地震動峰值加速度為0.15g。

3.2 穩(wěn)定計算成果與分析

校工況大壩抗滑穩(wěn)定計算簡圖見圖1。

圖1 校核工況大壩抗滑穩(wěn)定計算簡圖

部位作用組合計算工況抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范最小安全系數(shù)最大溢流壩段基本組合特殊組合工況①3 185工況②3 036工況③3 195工況④2 6993 002 502 30

以上計算結(jié)果表明：各工況下大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且在地震工況下，抗震穩(wěn)定安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求。從圖1可知，龍?zhí)端畮煲缌鲏慰崭沟脑O置降低了空腹處的揚壓力，且在空腹上游設置了灌漿排水廊道，對揚壓力進行了有效折減，從而提高了大壩整體抗滑穩(wěn)定性[2]。

4 應力變形分析

4.1 計算模型

應力變形分析采用Autobank軟件，根據(jù)現(xiàn)狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點，上游取至x=-7.05m，下游取至x=86.2m；y方向取整個溢流壩段為一個壩段，長度72.8m，基巖深度及寬度均取約1倍壩高。約束條件為：側(cè)邊僅為水平位移約束，底板為全約束。單元數(shù)2143，節(jié)點2236個，邊界數(shù)303。

4.2 應力計算成果與分析

校洪洪水位工況主應力等值線圖見圖2。

圖2 校核洪水位工況主應力等值線圖

在龍?zhí)端畮煲缌鲏螒τ嬎阒?，正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3種工況，荷載組合類似，僅庫水位與下游水位高程不同。因此，在以上各工況下，采用平面有限元法計算的應力分布規(guī)律一致：壩體大部分以壓應力為主，最大壓應力出現(xiàn)在壩趾處，在溢流壩壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側(cè)均出現(xiàn)了拉應力，最大拉應力出現(xiàn)在壩踵處；在壩趾和壩踵處有明顯的應力集中現(xiàn)象，最大應力值均出現(xiàn)在校核洪水位工況，應力分析具體如下：

1)上游壩面邊界應力。在各工況下，壩踵均出現(xiàn)拉應力，最大拉應力在壩踵角緣處約990kPa，隨著高程增加拉應力減小，最終在距壩基約1.8m高處減為零，并逐漸轉(zhuǎn)為壓應力，且壓應力值隨著壩高增加。

2)空腹周邊應力。在各工況下，空腹拱頂均出現(xiàn)拉應力，且最大值均位于拱頂偏上游處，但其應力值較小，約74.8-527kPa。空腹下游側(cè)均為壓應力區(qū)，壓應力值為1530-1910kPa。

3)壩體內(nèi)部應力分量。①水平正應力σx：在各工況下，壩踵處均為拉應力，最大拉應力值為430kPa。②垂直正應力σy：在各工況下，前腿承擔了拱頂以上自重的大部分，自重壓應力較大，最大值為3450kPa，小于各組合情況砌石體允許最大壓應力值。③剪應力τxy：在各工況下，應力基本分布于前腿及后腿頂部，在后腿頂部靠腹拱處，出現(xiàn)較大剪應力，最大剪應力786kPa，剪應力往腹拱外側(cè)逐漸減小。

4)壩體內(nèi)部主應力。從等值線圖可以看出，大主應力基本與壩體及空腹周邊平行，小主應力基本垂直于壩體及空腹周邊。大主應力均為壓應力，壩踵處壓應力值最小，壩趾處壓應力值最大，基本組合下最大壓應力值為3240kPa，小于砌石體允許最大壓應力3100kPa，特殊組合下最大壓應力值為3450kPa，小于砌石體允許最大壓應力3700kPa；小主應力在前腿下游底側(cè)和壩趾處為壓應力，在壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側(cè)均出現(xiàn)拉應力，壩踵處拉應力較大，最大值為990kPa，拉應力的高度約為1.8m，拉應力區(qū)高度為5%壩高,拉應力水平拉區(qū)寬度約4m，小于壩踵至帷幕中心線的距離5.1m，拉區(qū)范圍滿足規(guī)范要求；空腹拱頂及后腿上游底側(cè)拉應力均較小[3]。

表2 溢流壩最大斷面應力成果表 kPa

4.3 變形分析

龍?zhí)端畮齑髩紊瞎猜裨O位移標點11個，工作基點3個，校核基點3個。目前已運行10多年，自2004年完工時即進行大壩位移及沉降觀測，觀測資料較完整。通過對多年觀測資料的分析，其最大位移和沉陷值均出現(xiàn)在2014年7月30日。

根據(jù)位移觀測資料，溢流壩壩頂位移0.54cm，壩頂最大沉降量為0.5cm，大壩的沉降及位移均保持在較低的水平，均在規(guī)范規(guī)定的允許值范圍內(nèi)，說明其變形已經(jīng)穩(wěn)定。

從平面有限元法分析得出的溢流壩變形規(guī)律可以看出，壩體的位移均傾向下游，最大位移位于溢流壩頂，位移值為0.53cm。與實測數(shù)據(jù)相差不大。

5 安全評價

龍?zhí)端畮鞚{砌石空腹重力壩從抗滑穩(wěn)定、應力及變形分析3個方面分別對溢流壩進行分析，在各工況下大壩抗滑及抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，溢流壩應力滿足規(guī)范要求，根據(jù)位移觀測資料及有限元分析得出的變形，溢流壩壩頂位移及沉降值很小，均在規(guī)范規(guī)定的允許值范圍內(nèi)，其變形已經(jīng)穩(wěn)定。龍?zhí)端畮煲缌鲏谓Y(jié)構安全。

6 結(jié) 語

龍?zhí)端畮鞚{砌塊石空腹重力壩的空腹，不僅為大壩節(jié)約了材料，又能有效減小揚壓力，使得壩體整體穩(wěn)定性較好；溢流壩的拉應力區(qū)，主要發(fā)生在壩踵、空腹拱頂和后腿上游底側(cè)等處，壩踵處的應力控制標準為壩基面以上5%壩高(中壩)處不出現(xiàn)主拉應力，空腹拱頂和后腿上游底側(cè)周邊均澆筑有混凝土，利于增大以上部位允許拉應力。

[1]馬福恒，李永江，向衍，等．東方紅水庫漿砌石重力壩安全性態(tài)分析評價[J]．水電能源科學，2006，24(01)：22-25.

[2]解家畢，肖明.高巖水庫漿砌石空腹重力壩結(jié)構安全和穩(wěn)定性校核[J]．長江科學院院報，2001，18(03)：21-24.

[3]梅可方.漿砌石空腹重力壩穩(wěn)定計算與應力分析[J].四川水利，1989，10(06)：17-21.

1007-7596(2017)06-0154-04

2017-05-21

段飛(1984-)，女，甘肅蘭州人，工程師，從事水利水電工程設計工作。

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