劉春鋒，董建鑫，王建勇

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222）

大興水利樞紐工程位于貴州省東北角的松桃縣境內(nèi)，主要由混凝土重力壩、3 座提水泵站、輸水隧洞和管道、引水發(fā)電鋼管及岸邊式電站廠房等建筑物組成。水庫正常蓄水位及設(shè)計洪水位均為514.00 m，校核洪水位515.30 m，死水位486.00 m，50 a淤沙高程479.55 m。水庫總庫容為4 672 萬m3，電站裝機容量為5 MW，為Ⅲ等中型工程，大壩等主要建筑物級別為3 級，設(shè)計洪水標準為50 a 一遇，相應的下泄洪峰流量為1 062 m3/s；校核洪水標準為500 a 一遇，相應的下泄洪峰流量為1 454 m3/s。工程任務為城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和灌溉供水，兼顧發(fā)電等，是綜合利用水利工程。

大興重力壩壩頂高程517.00 m，最大壩高為60.0 m，壩頂總長98.0 m，分為6個壩段，從左至右依次為①—⑥壩段。③、④壩段布置在河床中部，各長20.0 m，設(shè)置3 個溢流表孔，孔寬10.0 m；左側(cè)布置①、②共2 個壩段，壩頂各長8.0 、20.0 m；右側(cè)布置⑤、⑥共2 個壩段，壩頂各長20.0 、10.0 m。②壩段布置輸水線路進水口，底板高程482.00 m，孔口尺寸2.0 m×2.0 m，輸水管徑為D2.0 m；⑤壩段布置發(fā)電引水進水口，底板高程480.60 m，孔口尺寸3.0m×3.0 m，輸水管徑為D3.0 m。

1 壩址工程地質(zhì)和處理措施

工程壩址位于已廢棄的原河界營水電站庫區(qū)內(nèi)，河流由西北流向東南，為“U”形狹窄河谷，兩岸山體雄厚，岸坡陡峻，坡度60°～70°，岸坡高度50～60 m，巖體風化及巖溶發(fā)育程度較弱，壩基巖體質(zhì)量較好。

壩址河床表部為淤泥質(zhì)土，厚度一般為3.0～7.0 m；基巖面高程約為466 m。壩基地層巖性為寒武系清虛洞組下段（∈1q1）條帶狀灰?guī)r、灰?guī)r及豹皮灰?guī)r，以薄—中厚層狀灰?guī)r為主，屬較堅硬—堅硬巖，上部夾有泥質(zhì)灰?guī)r或泥灰?guī)r，壩基利用巖體以BⅢ類為主。壩基巖層屬單斜構(gòu)造，傾向下游，產(chǎn)狀NE20°～40°/SE∠5°～20°。基巖為弱風化巖體，下限垂直深度6.0～8.3 m，厚度2.0～2.3 m；兩岸巖體強風化下限垂直深度0～21.8 m，厚度0～2.5 m，弱風化巖體下限垂直深度4.7～25.7 m，厚度3.9～15.6 m。壩基內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)f2、f5、f7等3 條壓性小斷層，延伸長度不大。壩址區(qū)主要發(fā)育2 組裂隙，產(chǎn)狀分別為：①NE70°～85°/NW ∠70°～85°；②NW325°～345°/NE∠60°～80°。

鉆孔揭示，在河床基巖面下6～8 m 發(fā)育有一薄層狀連續(xù)性較好、傾向下游的灰黃色泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r夾層（呈透鏡體分布），延伸至右岸壩肩巖體內(nèi)，該夾層與壩基灰?guī)r間層面無充填，抗剪強度較低，為河床壩基的潛在滑動面，其抗剪摩擦系數(shù)f=0.30～0.40，抗剪斷摩擦系數(shù)f'=0.5～0.6，凝聚力C'=100～150 kPa。

由于該軟弱夾層連續(xù)性好，埋藏較深，挖除的工程量和投資較大，為確保大壩穩(wěn)定，采取下列工程措施：壩踵處開挖大齒槽，切斷該軟弱夾層；壩段間橫縫均進行灌漿處理，以加強壩的整體穩(wěn)定性；采用底流消能，確保壩體尾巖的厚度和穩(wěn)定性；加強壩基帷幕和固結(jié)灌漿，設(shè)置滲漏水抽排系統(tǒng)，降低壩體揚壓力等。

工程區(qū)地震動峰值加速度小于0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相當于基本地震烈度小于Ⅵ度，水工建筑物按Ⅵ度設(shè)防。

2 溢流壩段和消力池的設(shè)計

在河床中部的2個溢流壩段布置3個表孔，壩體橫縫布置在中間孔的正中間，每個壩段布置1.5 孔，單孔寬10.0 m，邊墩、中墩各寬2.5 m，則溢流壩段各寬20.0 m。表孔采用WES實用堰，堰頂高程507.00 m。堰頂上游堰面曲線為1/4橢圓弧，方程為：

堰頂下游堰面曲線采用WES曲線，方程為：

其下接坡度為1∶0.7 的斜坡段，后接半徑為15.0 m 的反弧段和消力池。上游壩面采用折面，高程490.00 m 至溢流面橢圓弧間為鉛直面，高程490.00～465.00 m 采用坡度為1∶0.1 的斜面。表孔堰頂各設(shè)置一道10.0 m×7.0 m（寬×高）的弧形鋼閘門，由位于閘墩頂部的液壓啟閉機控制。壩頂交通橋布置在墩頂?shù)南掠蝹?cè)，寬4.60 m，橋面高程517.00 m。為增加消能效率，將表孔閘墩設(shè)置成寬尾墩，長4.70 m，每側(cè)加寬2.0 m（兩邊孔的內(nèi)側(cè)墩尾加寬為1.6 m）。

壩基巖體質(zhì)量較好，壩體建基面擬定為465.00 m。為增加壩趾處的溢流面結(jié)構(gòu)剛度，并與消力池底板厚度協(xié)調(diào)，基礎(chǔ)開挖面為460.50 m，其間以1∶2坡度連接。壩踵開挖大齒槽，底寬9.0 m，上游開挖坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.5，開挖至高程457.00 m，低于軟弱夾層1.0～2.0 m。

重力壩下游消力池采用綜合式，寬35.0 m，池底高程464.50 m，尾坎高程471.60 m，坎后防沖板高程470.00 m，則坎高1.60 m，池深5.5 m，池長60.0 m。表孔溢流面的反弧段與消力池相切于壩下樁號0+042.56，表孔壩段與消力池分縫于壩下樁號0+036.00，相差6.56 m。

3 溢流壩段的穩(wěn)定分析

3.1 荷載組合

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2018）規(guī)定，作用在重力壩上的荷載分為基本荷載和特殊荷載，根據(jù)各種荷載同時作用的實際可能性，分為基本組合和特殊組合，各選擇其中的最不利荷載組合來確定計算工況。

大興水利樞紐工程大壩穩(wěn)定分析各計算工況的荷載主要包括：壩體及其上的永久設(shè)備自重；揚壓力；上、下游壩面的靜水壓力；淤沙壓力；浪壓力；泄洪時的動水壓力等?；窘M合包括正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況；特殊組合為校核洪水位工況。

3.2 荷載計算

位于河床中部的溢流壩段承受的各種荷載采用《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》（SL744-2016）相應公式，根據(jù)壩體實際設(shè)計體形參數(shù)計算。

在泄洪工況下，溢流壩段溢流面上的水重可自壩趾處的收縮水深斷面，采用分段推算水面線方法，量算其容積，即可計算水重及其重心位置；孔口部位的壩體所承受的水平向荷載，包括靜水壓力和動水壓力[1，2]，可采用動量方程進行推算。

由于大興工程重力壩壩基內(nèi)存在軟弱夾層，所以采用壩踵開挖大齒槽、切斷該夾層等工程處理措施，大壩控制滑動面即為齒槽底部-軟弱夾層、高程為457.0 m的水平面。

大興工程2個溢流壩段的3孔閘門全開時，孔口寬度b=30.0 m，當下泄泄量為1 062 m3/s（設(shè)計洪水位514.00 m）或1 454 m3/s（校核洪水位515.30 m），壩址收縮斷面水深hc=1.03 m 或1.39 m，壩上游水位至壩基齒槽底部的高度為h1=57.0 m 或58.3 m。為簡單計，假定壩基滑動面為水平面，位于壩踵處原河床面以下h2、消力池底面以下h3。

根據(jù)水流連續(xù)方程、動量方程推算（推算過程參考相關(guān)教材[3]中的恒定流動量方程），則溢流孔口寬度b范圍內(nèi)壩體所受的水平向水荷載計算公式為：

式中：γw為水的容重（kN/m3）；b 為溢流孔口寬度（m）；h1為壩上游水位至壩基齒槽底部的高度（m）；h2為滑動面至壩踵處原河床面的高度（m）；Q為下泄泄量（m3/s）；g為重力加速度（9.81 m/s2）；hc為壩址收縮斷面水深（m）；h3為滑動面至消力池底面的高度（m）。

上式右邊第一、二項為溢流孔口處壩體所受的上游側(cè)水壓力，第三、四項為下游側(cè)的水壓力；右邊第一、三項為壩體所受的靜水壓力計算式，其對水平滑動面的力臂分別為（h1+h2）/3 和（hc+h3）/3；右邊第二、四項為壩體上游和下游泄水流速對孔口壩體的動水壓力，其對水平滑動面的力臂分別為h1/2+h2和hc/2+h3。

3.3 穩(wěn)定分析及計算結(jié)果

溢流表孔和壩內(nèi)孔口不泄洪時，使用設(shè)置在孔口處的閘門和壩體共同擋水，閘門所受的水壓力通過閘門支臂和支座作用于孔口邊壁或閘墩[4]，傳力至相應壩體和基礎(chǔ)，壩段承收的水平向水荷載按靜水壓強分布；打開孔口閘門泄洪時，下泄水流流線彎曲劇烈，過流面上的動水壓強不符合靜水壓強分布，故不能按靜水壓力計算方法確定動水壓力[5]。泄水工況下壩體的上、下游水位均較高，可能為壩體穩(wěn)定的控制工況，故需要根據(jù)設(shè)計規(guī)范，確定壩體所承受的各種荷載，包括水平向水荷載和豎直向水荷載。

泄水工況下的豎直向水荷載，主要包括壩體上的水重、揚壓力等，壩基揚壓力采用設(shè)計規(guī)范規(guī)定的方法分別計算浮托力、滲透力及各自的力臂。下面對泄水工況下的水平向水荷載的計算方法加以探討，如圖1所示。

工程實踐上重力壩一般劃分為多個壩段，溢流孔口（表孔、底孔等）布置在主河槽部位的中間壩段，便于布置壩下游消能設(shè)施。

圖1 壩體的水平向水荷載的計算簡圖

計算時需要結(jié)合孔口的泄流能力計算和消能計算，用于確定各設(shè)計水位下的孔口泄流量Q 和壩址處相應的收縮水深hc，其計算公式均可在各設(shè)計規(guī)范中查到，根據(jù)具體工程相關(guān)參數(shù)計算；針對某一具體壩段，需要注意泄流量Q 為本壩段（一個或多個）孔口所承擔的泄流量，不能把其他壩段孔口的泄流量計入本壩段泄流量中。工程上泄流孔口一般小于原河道寬度，式（3）中上游動水壓力計算值略偏大；隨著上游水深即h1增大，第二項上游動水壓力計算值占比很小，第四項下游動水壓力計算值占比加大。

從計算公式可知，孔口閘門關(guān)閉不泄水時，即下泄水量Q 為0，孔口壩體所受的動水壓力也為0，所受的水平向水荷載即為靜水壓力，以相應工況的下游水面相對于滑動面的計算高度代替hc+h3，因此非溢流壩段可看作是溢流壩段下泄水量Q 為0 的特殊情況。

根據(jù)工程布置，為減小溢水孔口的閘門尺寸和制作難度，根據(jù)過水面的寬度不同設(shè)置邊墩和中墩，用于分割溢流孔口，邊墩和中墩部位的壩體承受的水平向水荷載可采用靜水壓力計算式，忽略孔口泄流流速對其影響，與溢流孔口處壩體的受力疊加，即可得出整個壩段的水平向水荷載。

若溢流孔口壩段的壩址分縫位于收縮水深附近，則可近似采用收縮水深和分縫高程至滑動面的高度計算水平向水荷載及其作用力臂。

結(jié)合泄洪工況下壩段自重、永久閘門及啟閉機重、水重、揚壓力、淤沙壓力和其他荷載，即可復核壩體穩(wěn)定。

根據(jù)上述荷載，采用抗剪斷計算公式計算，溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。

表1 溢流壩段加齒槽后深層抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

4 結(jié)語

（1）孔口部位壩體的水平向水荷載計算公式與孔口的位置、型式、過水面形狀等無關(guān)，與泄流量、上下游水深有關(guān)，故計算公式可適用于混凝土壩溢流表孔、壩內(nèi)孔口、水閘等泄水和擋水工況下的穩(wěn)定復核。

（2）孔口部位壩體的水平向水荷載計算公式不僅適用于下游為底流消能，同樣適用于挑流消能，可采用挑流流量和下游河床的水深代替。

（3）水平向水荷載計算公式不僅適用于水平滑動面，同樣適用于斜滑動面、折線滑動面。

（4）非溢流壩段和閘墩部位可看作是溢流壩段下泄水量Q 為0 的特殊情況，或者說靜水壓力屬動水壓力的特殊情況。