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        永和水電站混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定分析

        2019-11-08 09:34:10李晨霞
        山西水土保持科技 2019年3期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        李晨霞

        (長(zhǎng)治市水土保持試驗(yàn)站)

        1 水電站工程概況

        永和水電站地處沁河一級(jí)支流紫紅河上,壩址位于沁源縣郭道鎮(zhèn)永和村東1.2 km 處,是一座以向華電集團(tuán)沁源電廠等工業(yè)企業(yè)供水為主,兼有發(fā)電、灌溉和其他效益的綜合利用水利水電工程。

        大壩樞紐工程處,河床寬243 m,地面高程1 121.07-1 123.10 m。河谷形狀基本為梯形河谷,河床覆蓋層厚度3.05-4.60 m,其下為紫紅色長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖薄層和同生礫巖透鏡體,左壩肩為崩塌坡積混合土塊(碎)石堆積邊坡,右壩肩為Ⅲ級(jí)基座階地。

        樞紐主要建筑物,包括大壩(擋水壩段、溢流壩段)、壩下放空(排砂)洞、引水洞及水電站等。

        大壩壩型為混凝土實(shí)體重力壩,壩體結(jié)合壩頂溢流、壩底放空(排砂)洞、電站引水洞等結(jié)構(gòu)集中布置。壩頂全長(zhǎng)395 m,最大壩高為40.00 m,壩頂寬為8.0 m,壩頂高程為1 152.00 m。擋水壩段全長(zhǎng)262.0 m,其中左岸長(zhǎng)114.0 m,右岸長(zhǎng)148.0 m。壩頂溢流段位于壩體左岸主河槽處,總長(zhǎng)度為133 m,堰頂高程為1 148.0 m,不設(shè)閘門,最大泄量為1 080.15 m3/s。

        放空(排砂)洞位于溢流壩段右側(cè)的擋水壩段內(nèi),結(jié)合施工導(dǎo)流洞布置,總長(zhǎng)度36.14 m,進(jìn)口中心線高程1 124.00 m。洞身為有壓圓形斷面,其直徑為3.0 m。進(jìn)口為喇叭口狀,安裝檢修閘門;出口處安裝工作閘門和啟閉設(shè)備。消能段長(zhǎng)35.0 m,采用底流消能。

        引水洞位于大壩右側(cè)擋水壩段,進(jìn)口中心線高程1 130.0 m,出口中心線高程1 121.0 m,進(jìn)口至電站總閥處的水平長(zhǎng)度為29.84 m。進(jìn)口處設(shè)攔污柵和檢修閘門,出壩后設(shè)控制總閥門。洞身為有壓圓形斷面,其直徑為1.2 m。

        水電站位于大壩右端,為壩后式引水電站,設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1×75 kW+2×125 kW,廠房為地面式。

        2 混凝土重力壩設(shè)計(jì)

        2.1 壩頂高程確定

        根據(jù)Δh=2h1+h0+a 確定壩頂高程。

        當(dāng)?shù)囟嗄昶骄畲箫L(fēng)速為16.0 m/s,吹程D 為1.85 km。經(jīng)計(jì)算波浪高度2h1為:非常運(yùn)用情況下0.617 m,正常運(yùn)用情況下為1.156 m;波浪中心線至靜水位的高度h0為:非常運(yùn)用情況0.257 m,正常運(yùn)用情況0.426 m。

        經(jīng)計(jì)算,得出的壩頂高程為1 151.72 m,設(shè)計(jì)取值為1 152.00 m。

        2.2 荷載分析

        混凝土重力壩的作用荷載包括以下方面:

        (1)壩體自重。對(duì)溢流壩段、擋水壩段,分別取1 m 長(zhǎng)的壩體進(jìn)行計(jì)算,壩體材料容重均按混凝土計(jì),取23.5 kN/m3。

        (2)靜水壓力。上游面傾斜度1∶0.2,分別考慮垂直分力和水平分力,計(jì)算各種水位下的靜水壓力。

        (3)動(dòng)水壓力。指溢流壩段上的動(dòng)水壓力,分別計(jì)算正常運(yùn)用、非常運(yùn)用情況下的水平分力和垂直分力。

        (4)作用于壩基面的揚(yáng)壓力。按壩基設(shè)有防滲帷幕和排水孔計(jì)算,防滲帷幕中心線在壩基處距壩踵距離為6.40 m,主排水孔中心線在壩基面處距壩踵距離為8.75 m;上游水深分別考慮校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位三種情況,下游對(duì)應(yīng)水深高程分別為1 123.95 m、1 123.15 m 和1 121.50 m;帷幕灌漿揚(yáng)壓力折減系數(shù)α1取0.5,排水孔揚(yáng)壓力折減系數(shù)α2取0.3。

        (5)作用于壩體內(nèi)部的揚(yáng)壓力。按壩體內(nèi)設(shè)有排水管計(jì)算,水位為計(jì)算截面以上對(duì)應(yīng)的各個(gè)水位,壩內(nèi)滲透壓力系數(shù)α3取0.20。

        (6)泥沙壓力。本工程主要擋水建筑物設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50a,壩前淤積高程計(jì)算年限也取50a。根據(jù)預(yù)測(cè)年淤積量和庫(kù)容曲線,壩前泥沙淤積高度高程取1 132.85 m,參考有關(guān)資料及本地區(qū)實(shí)際情況,泥沙浮容重vs取9.0 kN/m3,內(nèi)摩擦角φs取15°。

        (7)浪壓力。浪高、波長(zhǎng)采用官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算。vf計(jì)算風(fēng)速,正常水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí),取洪水期多年最大風(fēng)速的1.5 倍,為24.0 m/s;校核洪水位時(shí),取洪水期多年平均最大風(fēng)速,為16.0 m/s;Df計(jì)算吹程,指由壩前沿水面至對(duì)岸水面的最大直線距離,取1.85 km。

        (8)靜冰壓力。當(dāng)?shù)氐谋鶎雍穸劝?.60 m 考慮,選取單位長(zhǎng)度壩體上的最大靜冰壓力值180 kN/m。

        (9)地震荷載。本區(qū)地震基本烈度為7°,水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值αh為0.10 g,只考慮水平向的地震荷載。

        2.3 荷載組合

        基本組合:考慮正常蓄水位情況和設(shè)計(jì)洪水位情況。上游正常蓄水位高程1 148.00 m,相應(yīng)下游水位高程1 121.50 m;設(shè)計(jì)洪水位高程1 149.76 m,相應(yīng)下游水位高程1 123.15 m。因壩基設(shè)有防滲帷幕灌漿和基礎(chǔ)排水措施,要求按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥1.05,按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥3.0。

        特殊組合:考慮校核洪水情況和正常蓄水位加地震情況。校核洪水位高程1 150.55 m,相應(yīng)下游水位高程1 123.95 m。要求按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥1.0,按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)特殊組合(1)時(shí)須≥2.5,特殊組合(2)時(shí)須≥2.3。

        3 混凝土重力壩穩(wěn)定計(jì)算

        3.1 壩體穩(wěn)定計(jì)算

        采用如下公式:

        式中:K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

        f′——滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù);

        c′——滑裂面上的抗剪斷凝聚力,kPa;

        A——滑裂面面積,m2;

        ∑W——作用于計(jì)算截面以上壩體全部載荷(含揚(yáng)壓力)對(duì)滑裂面的法向分值,kN;

        ∑P——作用于計(jì)算截面以上壩體全部載荷(含揚(yáng)壓力)對(duì)滑裂面的切向分值,kN。

        3.2 穩(wěn)定計(jì)算考慮情況

        主要考慮沿混凝土壩基與基巖接觸面滑動(dòng)。

        3.3 力學(xué)參數(shù)確定

        混凝土與基巖接觸面的抗剪參數(shù)f′、c′:根據(jù)地質(zhì)勘探和試驗(yàn)報(bào)告,壩基面主要巖性為細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾薄層泥巖,泥巖單層厚度0.02-0.70 m,多在0.05-0.20 m 之間,與砂巖呈互層集中分布,互層厚度2.70-6.00 m。壩軸線與巖層走向垂直,完整性較差。參照《工程地質(zhì)勘探報(bào)告》提出的泥巖及泥化層的抗剪強(qiáng)度地質(zhì)建議值:泥巖抗剪斷強(qiáng)度取φ′=25°-30°,c′=1.5-2.5MPa,f′=0.55。泥化夾層抗剪強(qiáng)度取c=5-15kPa,φ=9-12.5°,f=0.16-0.22;c′=5-15 kPa,φ′=13.5°,f′=0.24。壩基巖體與混凝土的抗剪斷強(qiáng)度取c′=60-70 kPa,f′=0.85。

        綜合考慮采取壩基面固結(jié)灌漿措施后,使其與基巖成為一個(gè)整體,增加地基承載力和巖石的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,參數(shù)值可適當(dāng)提高。

        3.4 計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)上述荷載分析與確定的力學(xué)參數(shù),壩體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可以看出,在基本組合和特殊組合的各種情況下,壩體均能保持穩(wěn)定。

        表1 壩體穩(wěn)定分析成果表

        4 混凝土重力壩應(yīng)力分析

        4.1 分析方法

        應(yīng)力分析方法采用材料力學(xué)法,按平面間距進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)假定,壩體材料為均質(zhì)連續(xù)、各向同性的彈性體。

        4.2 力學(xué)計(jì)算參數(shù)確定

        因大壩為混凝土重力壩,壩體不同部位的混凝土標(biāo)號(hào)不同,在計(jì)算時(shí)采用C20混凝土抗壓強(qiáng)度。參考規(guī)范要求,混凝土的容許壓應(yīng)力值:基本荷載組合時(shí)取4.1 MPa,特殊荷載組合時(shí)取4.8 MPa。

        根據(jù)巖石試驗(yàn)結(jié)果:砂巖飽和密度2.60 g/cm3,飽和抗壓強(qiáng)度75 MPa,軟化系數(shù)0.80,飽和抗剪強(qiáng)度φ=28°-32°,c=10.0 MPa;泥巖飽和密度2.55 g/cm3,飽和抗壓強(qiáng)度20-25 MPa,飽和抗剪強(qiáng)度φ=20°-30°,c=2-2.5 MPa。地基承載力建議值:細(xì)砂巖1.5-2.0 MPa,泥巖0.8-1.2 MPa。

        4.3 計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)荷載分析與確定的力學(xué)參數(shù),壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2,壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。從表2和表3可以看出,在基本組合和特殊組合的各種情況下,計(jì)算結(jié)果均符合容許要求。

        表2 壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

        表3 壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

        5 混凝土重力壩基深層抗滑穩(wěn)定分析

        5.1 邊界條件和抗剪參數(shù)的確定

        壩體滑動(dòng)主要是壩基接觸滑動(dòng),包括淺層滑動(dòng)與深層滑動(dòng)?;瑒?dòng)面主要是壩基接觸面、泥巖軟化和泥化產(chǎn)生的滑動(dòng)面、節(jié)理裂隙及斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面。

        壩基基巖主要巖性為細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖,局部夾0.02-0.45 m 厚的泥巖。壩基中存在的泥巖為一軟弱巖層,且局部具泥化現(xiàn)象,將構(gòu)成壩基主要滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面。由于壩體走向與巖層傾向基本一致近于平行,與巖層走向垂直,故壩基滑動(dòng)將沿巖層走向方向產(chǎn)生水平向滑動(dòng)。

        巖層呈單斜構(gòu)造,斷裂構(gòu)造未發(fā)現(xiàn)。巖層面為緩傾結(jié)構(gòu)面,節(jié)理裂隙為高角度結(jié)構(gòu)面,節(jié)理裂隙走向與巖層向走向垂直或大角度斜交。

        滑動(dòng)方向包括底面(傾向)滑動(dòng)和側(cè)向(表面)滑動(dòng)。壩基下緩傾角泥化或軟化泥巖層是產(chǎn)生滑動(dòng)面的主要結(jié)構(gòu)面,但壩體走向與巖層傾向一致近于平行,由于壩肩山體穩(wěn)定,抗滑作用力必定大于下滑力,故底面(傾向)滑動(dòng)的可能性較小。因此,主要分析沿垂直壩軸線方向的滑動(dòng)。

        綜合細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖薄層為中硬—軟巖石的巖體特征,其巖石物理力學(xué)指標(biāo)建議值:泥巖抗剪斷強(qiáng)度φ′=25°-30°,c′=1.5-2.5 MPa,f′=0.55;泥化夾層抗剪強(qiáng)度c′=5-15 kPa,φ′=13.5°,f′=0.24。

        根據(jù)地質(zhì)資料,概化為雙滑裂面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。壩基下的基巖塊ABD 為可能存在的滑動(dòng)體,AB 面為主滑面。根據(jù)巖層走向、傾角,AB 滑裂面與水平面的夾角α 取9°,基巖塊BCD 為抗力體,因下游側(cè)巖體不存在明顯的第二滑裂面,則BC 滑裂面與水平面的夾角β 通過試算確定。

        5.2 安全系數(shù)計(jì)算公式

        深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用等安全系數(shù)法,按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算。按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:基本組合K′=3.0,特殊組合1 時(shí)K′=2.5。

        計(jì)算公式如下:

        式中:K′1、K′2——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

        W——作用于壩體上上荷載的垂直分值,kN;

        H——作用于壩體上上荷載的水平分值,kN;

        G1、G2——巖體ABD、BCD 重量的垂直作用力,kN;

        f′1、f′2——AB、BC 滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù);

        c′1、c′2、——AB、BC 滑裂面的抗剪斷凝聚力,kPa;

        A1、A2——AB、BC 滑裂面的面積,m2;

        α、β——AB、BC 滑裂面與水平面的夾角,°;

        U1、U2、U3—AB、BC、BD 面上的揚(yáng)壓力,kN;

        Q、φ——BD 面上的作用力(kN)及其與水平面的夾角,°。

        5.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        經(jīng)試算:在設(shè)計(jì)洪水位情況下,K′1=K′2=K′=3.310>3.00,符合抗剪斷穩(wěn)定要求;在校核洪水位情況下,K′1=K′2=K′=3.05>2.50,符合抗剪斷穩(wěn)定要求。

        夾層雖然分布層數(shù)多,但厚度很薄,也沒有成層展布。經(jīng)過對(duì)上部夾層的直接開挖清除,對(duì)下部夾層出露部位的混凝土封閉以及對(duì)壩基采取加筋固結(jié)灌漿措施,同時(shí)充分設(shè)置壩基排水系統(tǒng),減小壩底揚(yáng)壓力,可以滿足壩體穩(wěn)定要求。

        6 結(jié)論

        通過對(duì)永和水電站混凝土重力壩壩體與壩基抗滑穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析和壩基深層抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算,重力壩在各種工況下的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,混凝土重力壩的壩體設(shè)計(jì)是合理可行的。

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