葉立龍

(歙縣杞梓里鎮(zhèn)水利站，安徽 黃山 245200)

1 工程概況

1.1 大壩建設(shè)情況

慈坑水庫(kù)地處?kù)h岔口鎮(zhèn)金前村境內(nèi)，位于新安江流域大洲源支流，集水面積6.5 km2，總庫(kù)容24.4 萬(wàn)m3，是一座以發(fā)電為主的小(二)型水庫(kù)。該大壩為堆石壩，壩長(zhǎng)72.8 m，最大壩高27.33 m，壩頂高程183.3 m，頂寬2 m。大壩內(nèi)坡1 ∶0.5，硬殼為1.5～3.2 m厚的漿砌塊石和0.3 m厚的鋼筋混凝土防滲面板；外坡1 ∶2，非溢流壩段硬殼為1 m厚的漿砌塊石。壩體內(nèi)部為干砌塊石，在壩體內(nèi)部垂直壩軸線方向設(shè)有兩道漿砌石隔墻。溢洪道位于大壩中央，為開(kāi)敞式壩頂溢流，非真空實(shí)用堰型，堰頂高程180.57 m，上口寬31.3 m,下口寬18.6 m，鋼筋混凝土溢流面板厚0.15 m(其下為 0.85 m厚的漿砌塊石)，出口采用挑流消能，挑流反弧半徑4.69 m，挑射角14°。

該水庫(kù)當(dāng)年建至11.5 m壩高時(shí)，在未來(lái)得及采取臨時(shí)度汛措施的情況下洪水漫壩，造成挑流鼻坎沿坎座頂向下游滑動(dòng)，形成初始滑動(dòng)面，在沒(méi)有對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行仔細(xì)修復(fù)的情況下工程繼續(xù)完成施工。

1.2 歷次加固情況

慈坑水庫(kù)于1985年開(kāi)始蓄水，1986年汛期發(fā)現(xiàn)溢流面板開(kāi)裂，原滑動(dòng)過(guò)的鼻坎進(jìn)一步滑動(dòng)，面板最大縫寬3 cm，鼻坎最大出移(相對(duì)壩趾直墻)約10 cm，并向兩壩肩逐漸減少。1990年采用在溢流面和下游壩坡面鑲短樁梁(混凝土樁深4 m，樁徑2 m，樁距8.75 m；鋼筋混凝土梁高1 m，厚1 m，樁與梁相接)方案進(jìn)行了加固處理。1991年壩面修復(fù)的裂縫處又繼續(xù)開(kāi)裂，1996年在溢流面裂縫下游又增加一排短樁梁進(jìn)行加固，并在溢洪道挑流鼻坎兩側(cè)(側(cè)墻部位)各增設(shè)一道排架支撐，阻止鼻坎進(jìn)一步下滑。經(jīng)過(guò)幾次處理后，情況有所好轉(zhuǎn)，但沒(méi)有徹底根治，從現(xiàn)場(chǎng)所作的觀察記號(hào)來(lái)看，滑移沒(méi)有停止，鼻坎最大出移已增至13 cm。

2 大壩結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核

2.1 基本資料

(1)特征水位

慈坑水庫(kù)正常蓄水位180.57 m，20年一遇設(shè)計(jì)洪水位181.93m，200年一遇校核洪水位182.58 m。

(2)建筑材料與地基特性

經(jīng)取芯試驗(yàn)，大壩漿砌石r漿=23.3 kN/m3；干砌石r干=19.95 kN/m3，砌石體容許壓應(yīng)力2.5 MPa，地基容許承載力30 MPa。壩體與壩基摩擦系數(shù)取0.5；漿砌塊石與干砌塊石摩擦系數(shù)取0.45。

(3)安全系數(shù)

根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25—2006)，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K2，基本組合不小于1.05，特殊組合不小于1.0。

(4)應(yīng)力要求

用材料力學(xué)方法計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí)，壩體應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：

①在各種荷載組合(地震荷載除外)下，壩基面垂直正應(yīng)力應(yīng)小于砌石體容許壓應(yīng)力和地基容許承載力,砌石體容許應(yīng)力見(jiàn)SL25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄A表A-7。[1-2]

②壩基面最小垂直正應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力。

③壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于砌體容許壓應(yīng)力。

④壩體內(nèi)除溢流堰頂、廊道和孔洞周邊等部位出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其他部分一般不得出現(xiàn)拉應(yīng)力。

⑤需進(jìn)行抗震計(jì)算的壩體，應(yīng)符合SL203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

2.2 荷載組合

(1)基本組合

取20年一遇設(shè)計(jì)洪水位情況，即設(shè)計(jì)洪水位與相應(yīng)的不利水位的靜水壓力、壩體自重、揚(yáng)壓力(浮托力和滲透壓力)及浪壓力。

(2)特殊組合

取200年一遇校核洪水位情況，即校核洪水位與相應(yīng)的不利水位的靜水壓力、壩體自重、揚(yáng)壓力(浮托力和滲透壓力)及浪壓力。

2.3 計(jì)算方法

抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算堰基面的抗滑穩(wěn)定情況,按抗剪斷強(qiáng)度公式或者抗剪強(qiáng)度公式來(lái)計(jì)算堰基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[3-4]。本案例壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用公式(1)進(jìn)行復(fù)核，壩體應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)方法。大壩計(jì)算分別選取溢流壩段和非溢流壩段兩個(gè)斷面，壩長(zhǎng)取1 m。

(1)壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪強(qiáng)度公式：

(1)

式中：K2—抗剪計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f—滑動(dòng)面上的抗剪摩擦系數(shù)，取0.5；

∑W—作用于壩基面上壩體的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值,kN；

∑P—作用于壩基面上壩體的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值,kN。

(2)本工程屬低壩，只計(jì)算壩體邊緣應(yīng)力，即壩基面上游(壩踵)、下游(壩址)垂直正應(yīng)力值。[5]壩體應(yīng)力計(jì)算采用下列偏心受壓公式：

(2)

(3)

(4)

式(2)—(4)中：∑M—大壩計(jì)算基底面上全部垂直力和水平力對(duì)于計(jì)算截面形心的力矩總和，以使上游產(chǎn)生壓應(yīng)力為正值；

∑W—作用于壩基面上壩體的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值,kN；

T—大壩計(jì)算基底沿上、下游方向的長(zhǎng)度，即壩底寬度,m。

2.4 計(jì)算成果及安全分析

經(jīng)復(fù)核，慈坑水庫(kù)大壩在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩體邊緣應(yīng)力及偏心距計(jì)算成果(見(jiàn)表2)。

表2 大壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核成果表

根據(jù)以上抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果可以看出，慈坑水庫(kù)溢流壩與非溢流壩最小穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，因此，大壩結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

2.5 溢流壩面抗滑穩(wěn)定分析

由于大壩溢流壩面開(kāi)裂較大，有必要進(jìn)行溢流壩面的抗滑穩(wěn)定分析。接觸面取壩體漿砌塊石與干砌塊石接觸面，取單寬做穩(wěn)定分析，分離體(見(jiàn)圖1)。

圖1 溢流壩面抗滑穩(wěn)定分析示意圖

由圖1所示，列出分離體的公式(5)：

G=Gw+G1+G2

(5)

式中：G—分離體自重；

Gw—取校核洪水位時(shí)溢洪道水體重量，Gw=rw×Sw×1,Sw為水流截面積，rw為水的容重，取10 kN/m3；

G1—0.15 m鋼筋混凝土面板重量，G1=r1×S1×1，S1為鋼筋混凝土截面，r1為鋼筋混凝土容重，取r1=24.5 kN/m3；

G2—0.85 m漿砌塊石重量，G2=r2×S2×1，S2為漿砌塊石截面積，r2為漿砌塊石容重，取r2=23.3 kN/m3。

得：G=402.3+99.9+538.2=1 040.4 kN

Gt=G×sinθ=465.3 kN

Gn=G×sinθ=930.6 kN

由以上計(jì)算可知，大壩溢流面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范1.0的允許值,不滿足穩(wěn)定要求，因此，該水庫(kù)大壩屬“三類(lèi)壩”，必須采取工程措施保證大壩安全運(yùn)行。[6]

3 大壩加固設(shè)計(jì)

3.1 斷面設(shè)計(jì)

經(jīng)穩(wěn)定分析，大壩溢流面及挑流鼻坎下滑的主要原因是由于壩體內(nèi)部漿砌塊石與干砌塊石摩擦力不足，導(dǎo)致溢流壩面和挑流鼻坎下滑，致使壩面開(kāi)裂。加固設(shè)計(jì)方案是緊靠原大壩下游直墻面新建4.3 m寬埋石混凝土壩體，原有挑流鼻坎拆除后前移至埋石混凝土壩體上。大壩加固結(jié)構(gòu)布置示意圖(見(jiàn)圖2)。

圖2 大壩加固結(jié)構(gòu)布置示意圖

3.2 壩體新建部分穩(wěn)定分析

對(duì)新建部分的推力包括壩內(nèi)松散的干砌塊石推壓力和水壓力，還有下滑力在水平方向上的分力F推，由式(6)給出。

(6)

其中:r2—干砌塊石容重,取19.95 kN/m3；

h—作用面高度,m。

計(jì)算得F推=600.73 kN新建部分自重G新=1 074.14 kN

3.3 溢流面加固后穩(wěn)定分析

加固后，取溢流壩段單寬1 m分析，溢流壩段可按新建部分抗剪考慮，下滑力按加固前考慮，取F=Gt-fGn=46.53 kN。

新建埋石混凝土抗剪強(qiáng)度按純抗剪考慮，抗剪強(qiáng)度，f剪=0.07fc,fc=4 250 kN/m2(埋石混凝土抗拉強(qiáng)度)，所以f剪=297.5 kN/m2，從圖2可知抗剪長(zhǎng)度為4.8 m，因此,新建部分埋石混凝土能提供的抗剪力為1 428 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下滑力46.53 kN，溢流壩面安全穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。[7]

4 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)上述加固方案，對(duì)慈坑水庫(kù)進(jìn)行了大壩除險(xiǎn)加固，新建部分埋石混凝土溢流壩段可提供1 428 kN的抗剪力,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其加固前46.53 kN的下滑力，因此，原有縱向裂縫可以得到有效地控制，解決了溢流面及挑流鼻坎的下滑問(wèn)題。同時(shí)，新建溢流壩面安全系數(shù)達(dá)到1.16，大于規(guī)范允許值，也滿足了大壩的安全要求。新建溢流壩面自2009年9月完工運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)歷了多次洪水考驗(yàn)，大壩運(yùn)行安全穩(wěn)定，可以為相類(lèi)似的水利工程提供設(shè)計(jì)思路與借鑒。