劉 洋

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

1 概 述

白石水庫是遼寧省大凌河干流上的大(1)型水利樞紐工程，是一座以防洪、灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的控制性骨干工程，其工程的安全性和穩(wěn)定性關(guān)系著千萬百姓的生命財產(chǎn)安全，所以定期對水庫壩體結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性安全評價至關(guān)重要。本文采用現(xiàn)場檢查、監(jiān)測資料計算分析等多種方法，對現(xiàn)狀條件下水庫壩體各個壩段進行穩(wěn)定性安全計算分析，為水庫管理部門的運行維護工作提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

2 工程概況

白石水庫樞紐攔河壩為混凝土重力壩。擋水壩、溢流壩內(nèi)部、底孔、電站、取水等壩段的下部采用碾壓混凝土RCD工法施工，型式為“金包銀”。而底孔、電站、取水等壩段的上部仍為常態(tài)混凝土。白石水庫從左至右由左岸擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、電站壩段組成，壩頂全長513m，總計32個壩段。擋水壩段左岸設(shè)6個壩段(0～5號)，右岸設(shè)5個壩段(27～31號)。溢流壩段布置在河床左側(cè)，共12個壩段(6～17號)，設(shè)置11個溢流表孔，下泄水流采用異型寬尾墩挑流消能型式。底孔壩段布置在河床右側(cè)，共6個壩段(18～23號)，壩段上游面與壩軸線重合。取水壩段(24號)位于底孔壩段與電站壩段之間，取水壩段壩頂高程與擋水壩相同。電站壩段緊鄰取水壩段右側(cè)，共兩個壩段(25號、26號)，電站為壩后式電站。

3 壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算評價

3.1 計算工況

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319—2018)，大壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算的荷載組合分為基本組合和特殊組合，故計算工況如下：

a.基本組合。工況1：正常蓄水位127.00m(溢流壩段采用最高擋水位130.24m計算)。

工況2：設(shè)計洪水位132.27m，下游水位101.20m。

b.特殊組合。

工況3：校核洪水位133.88m，下游水位103.35m。

3.2 計算參數(shù)

建筑物級別： 1級建筑物； 混凝土重度： 24kN/m3；水重度：10kN/m3；泥沙淤積高程：97.42m；泥沙飽和重度：18kN/m3；泥沙內(nèi)摩擦角：18°。

揚壓力折減系數(shù)實測值：11號壩段a1=0.37，20號壩段a1=0.46，24號壩段a1=0.37，28號壩段a1=0.76。

抗剪斷參數(shù)：白石水庫初設(shè)階段給出的物理力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)施工開挖揭露，驗收階段按巖性給出的統(tǒng)一巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值：玄武質(zhì)安山巖飽和抗壓強度為44.4MPa；巖體抗剪斷f′為0.85，c′為0.45；混凝土與基巖接觸面抗剪斷f′為0.95，c′為0.70。本次安全評價采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)附錄E中表E.0.4的評價標準，按照壩基巖體工程地質(zhì)分類，對壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)進行了修正。11號壩段壩基分類為BⅣ，20號、24號、28號壩段壩基分類為BⅢ。各階段巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值對比見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3.3 荷載組合

荷載組合分為基本組合和特殊組合，見表2。

表2 荷載組合

3.4 計算方法

由于壩基不存在沿基礎(chǔ)巖體內(nèi)部滑動的軟弱結(jié)構(gòu)面，故本次只進行大壩與基巖接觸面的穩(wěn)定和應(yīng)力以及碾壓層面的抗滑穩(wěn)定計算。

a.穩(wěn)定計算采用抗剪斷公式進行：

(1)

式中K′——按抗剪斷強度計算的穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷黏聚力，kPa；

∑W——作用于壩體上全部荷載對于滑動平面法向分力之和(包括揚壓力)；

∑P——作用于壩體全部荷載對于滑動平面的切向分力之和(包括揚壓力)；

A——壩基接觸面截面積。

擋水壩段選取最高擋水壩段5號壩段，溢流壩段選取11號壩段，底孔壩段選取20號壩段，取水壩段選取24號壩段。

b.壩基截面垂直正應(yīng)力計算采用下式進行：

(2)

式中σy——壩踵、壩址垂直應(yīng)力，kPa；

∑W——作用于壩段上全部荷載的法向總和，kN；

∑M——作用于壩體上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m；

A——壩基接觸面截面積，m2；

x——壩基截面上計算點到形心軸的距離，m；

J——壩段的壩基截面對形心軸的慣性矩，m4。

c.岸坡壩段受三向荷載作用，其抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪斷強度公式進行。岸坡壩段仍采用河床壩段的抗剪斷參數(shù)，即f′=0.95，c′=0.7MPa。計算時以28號壩段為代表壩段。

(3)

d.碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計算。大壩采用碾壓混凝土RCD工法施工，碾壓層厚0.75m，計算選擇最高擋水壩段，即5號壩段。壩段基礎(chǔ)高程88.0m，基礎(chǔ)常態(tài)混凝土蓋板厚2.0m，其頂面高程90.0m，第一層碾壓混凝土頂面高程90.75m。

本次計算選擇第一碾壓層(即90.75m高程層面)以及以上每10層選取的一個計算截面(即98.25m、105.75m、113.25m碾壓層)。126.705m高程為下游面變坡點，此處也選為計算截面。層間抗剪斷參數(shù)采用壩體原位抗剪斷實驗復(fù)核值，f′=1.11，c′=0.59MPa。

3.5 計算結(jié)果及分析評價

采用以上計算方法，對最高擋水壩段5號壩段、溢流壩段11號壩段、底孔壩段20號壩段、取水壩段24號壩段，以及岸坡壩段28號壩段進行穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計算(見表3)。對最高擋水壩段5號壩段的第一碾壓層(即90.75m高程層面)以及以上每10層選取的一個計算截面和下游面變坡點截面進行碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計算(見表4)。計算結(jié)果表明，擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、岸坡壩段及碾壓層面抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表3 穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計算成果

表4 混凝土層間穩(wěn)定計算成果

4 壩體應(yīng)力計算評價

本次壩體應(yīng)力計算是通過計算運用期壩體上游面的垂直應(yīng)力是否出現(xiàn)拉應(yīng)力以及壩體最大主應(yīng)力是否大于混凝土的允許壓應(yīng)力值來復(fù)核其安全性。計算壩段采用最高擋水壩段，即5號壩段。5號壩段壩頂高程134.3m，底高程88.0m。對124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7個截面進行復(fù)核?，F(xiàn)場檢測的擋水壩段混凝土抗壓強度最小值為34.2MPa(見表5)。

表5 壩體應(yīng)力計算成果

續(xù)表

計算表明，運行期大壩上游未出現(xiàn)拉應(yīng)力；壩體最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游面，計算值與檢測值對比，抗壓安全系數(shù)大于4，滿足《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319—2018)要求。

5 結(jié) 論

a.通過對最高擋水壩段5號壩段、溢流壩段11號壩段、底孔壩段20號壩段、取水壩段24號壩段，以及岸坡壩段28號壩段進行穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計算，各壩段在不同荷載組合工況下其安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求，各壩段整體穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)基本安全。

b.通過對最高擋水壩段5號壩段的第一碾壓層以及以上每10層選取的一個計算截面和下游面變坡點截面共5個截面進行碾壓混凝土壩層間穩(wěn)定計算，各截面在不同荷載組合工況下其安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求，壩體層間穩(wěn)定。

c.通過對最高擋水壩段5號壩段124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7個截面進行應(yīng)力復(fù)核，各截面運行期大壩上游均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩體抗壓安全系數(shù)大于4，滿足規(guī)范要求。fffff8