王代兵

（深圳市深水兆業(yè)工程顧問(wèn)有限公司,廣東 深圳 518000）

1 工程概況

某水庫(kù)大壩為細(xì)石砼砌塊石雙曲拱壩,壩頂高程151.8 m,防浪墻頂高程152.70 m,最大壩高42 m,壩項(xiàng)寬3.0 m（含防浪墻）,壩頂弧長(zhǎng)191.0 m。沖砂孔埋在壩內(nèi),內(nèi)徑為 0.6 m,采用鋼管襯套,放水孔中心高程為115.0 m,底高程為114.7 m,壩后接閘閥。溢洪道位于大壩中部,為鋼筋混凝土實(shí)用堰,堰頂高程150.0 m,溢洪道凈寬73 m,挑流消能,鼻坎高程147.136 m,反弧半徑 R=4.0 m,挑射角15°。引水隧洞布置在大壩左岸,采用圓形有壓洞設(shè)計(jì),內(nèi)徑1.8 m,長(zhǎng)度1.78 km,進(jìn)洞口底高程為122.5 m,出洞口底高程為 98.0 m,隧洞距離出口50 m 設(shè)置一直徑為4.0 m 圓筒式調(diào)壓井。水位情況：正常水位 150.0 m,下游無(wú)水；設(shè)計(jì)洪水位152.05 m,校核洪水位152.62 m。本文通過(guò)拱壩應(yīng)力計(jì)算、重力墩穩(wěn)定計(jì)算和壩肩穩(wěn)定計(jì)算,進(jìn)一步研究壩體結(jié)構(gòu)安全,為水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

2 拱壩應(yīng)力計(jì)算

采用北京水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的 GADAP25 拱壩軟件進(jìn)行計(jì)算,其力學(xué)原理基礎(chǔ)是拱壩試荷載法,計(jì)算方法采用反力參數(shù)法[1]。

2.1 計(jì)算荷載組合

計(jì)算荷載組合分為以下五種工況：

基本組合為：（1）在正常蓄水位情況下均勻水砂壓力+溫度變化（溫降）；（2）在設(shè)計(jì)洪水位情況下均勻水砂壓力+溫度變化（溫升）；特殊組合為：（3）在校核洪水位情況下均勻水砂壓力+溫度變化（溫升）；（4）在死水位情況下均勻水砂壓力+溫度變化（溫升）；（5）在正常水位情況下均勻水砂壓力+溫度變化（溫降）+地震力。

2.2 計(jì)算參數(shù)

拱壩壩體計(jì)：根據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料,拱壩砌體飽和容重為2.3 t/m3,彈性模量取 Er=10 GPa（10×105t/m2）進(jìn)行計(jì)算,砌體溫度線性膨脹系數(shù)采用0.000007/℃。

壩基巖體：變形模量及泊松比：彈模 E0=23 GPa,泊松比 =0.25。

溫度變化荷載：按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 25-2006）中的簡(jiǎn)化計(jì)算法計(jì)算,庫(kù)水位以上：Tm2=±ρ1Axi；Td2=0

式中：y為水深；L為壩體厚度；Axi為最熱與最冷月多年平均氣溫差值之半；Asho為庫(kù)表面水溫年變幅,根據(jù)氣象情況,同時(shí)參考同類(lèi)水庫(kù)及初設(shè)情況取值, Axi為 8℃, Asho為 8℃。

本工程拱壩根據(jù)不同的荷載組合,溫度計(jì)算參數(shù) Tm2及Td2,篇幅所限僅列出兩種荷載工況,見(jiàn)表 1 。

表1 拱壩溫度荷載電算參數(shù)

（4）地震荷載：根據(jù)根據(jù)國(guó)家地震局、建設(shè)部發(fā)布的《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖（1990）》,云霄縣地震基本烈度為Ⅶ度,相應(yīng)加速度為0.10g,計(jì)算時(shí)先按45°增量從0 變化至360 °下每個(gè)方向的地震應(yīng)力,再進(jìn)行組合,找出其中最大的應(yīng)力值。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù),本工程拱壩應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表2~表3,應(yīng)力成果以壓為正,以拉為負(fù)[2]。

表2 拱壩左岸上、下游面應(yīng)力計(jì)算成果 單位：0.1MPa

續(xù)表2

表3 拱壩右岸上下游面應(yīng)力計(jì)算成果 單位：0.1MPa

從表 2~表 3的結(jié)果可以看出：

（1）拉應(yīng)力分布規(guī)律：在校核工況組合下,出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值為1.923 MPa；在地震荷載組合下,出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值為0.42 MPa。

（2）壓應(yīng)力分布規(guī)律：在校核工況組合下,出現(xiàn)的壓應(yīng)力最大值為3.692 MPa；在地震荷載組合下,出現(xiàn)的壓應(yīng)力最大值為1.19 MPa。

頂拱端上下游壩面主應(yīng)力值見(jiàn)表 4。

表4 頂拱端上下游壩面主應(yīng)力值成果表 單位：MPa

根據(jù)以上計(jì)算各表可知,大壩壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分布規(guī)律僅在112.0 m 高程個(gè)別應(yīng)力點(diǎn)略大于規(guī)范容許值,大壩應(yīng)力計(jì)算基本滿(mǎn)足要求。

3 重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算

3.1 基本情況

拱壩右岸重力墩基礎(chǔ)位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上,墩底高程142.30 m,墩頂高程152.80 m,墩頂長(zhǎng)×寬：12.2 m×13.5 m,墩底長(zhǎng)×寬：15.35 m×13.5 m。重力墩砌體容重為2.35 t/m3,根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,夯填粘土的容重為1.6 t/m3,c=2.2 t/m2,φ=15°,砌體與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)取0.50。拱壩重力墩穩(wěn)定計(jì)算荷載組合分基本組合和特殊組合下各種荷載作用具體組合方式見(jiàn)表5[3]。

（1）基本組合

正常蓄水位：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+土壓力+拱端推力；

設(shè)計(jì)洪水位：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+土壓力+動(dòng)水壓力+拱端推力。

（2）特殊組合：

校核蓄水位：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+土壓力+拱端推力；

正常蓄水位：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+土壓力+地震荷載+拱端推力。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）拱端推力荷載計(jì)算

拱的推力按照 GADAP25 程序計(jì)算結(jié)果采用,拱端推力荷載計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 拱端推力荷載計(jì)算成果表

（2）地震荷載計(jì)算

地震荷載采用擬靜力法計(jì)算,按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 203-97）關(guān)規(guī)定計(jì)算。沿建筑物高度作用于質(zhì)點(diǎn)i 的水平向地震慣性力代表值按下式計(jì)算：

式中：Fi為作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；ah為與地震設(shè)計(jì)烈度相對(duì)應(yīng)的地震加速度峰值,本工程7 度為0.1 g,8度為 0.2 g；GEi為集中于質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；ε為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù),拱壩一般取 0.1；ai為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)壩頂取 3,壩基取1,按壩高線性遞減。地震荷載計(jì)算表見(jiàn)表 6。

表6 地震荷載計(jì)算表

（3）其他荷載計(jì)算

當(dāng)拱壩設(shè)有重力墩時(shí),重力墩的應(yīng)力和穩(wěn)定分析,應(yīng)符合《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319-2005）和《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 25-2006）的規(guī)定,自重、揚(yáng)壓力等荷載計(jì)算參照規(guī)范中相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算,本文不再贅述,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 7。

表7 其他荷載計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算可得：式中,B=13.5 m,上下游邊緣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 8。

表8 上下游邊緣應(yīng)力計(jì)算成果表 單位：Pa

從表8 可以看出,在各種荷載組合作用下,均未生產(chǎn)拉應(yīng)力,故上下游邊緣應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

（4）抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算：

經(jīng)計(jì)算可知,在基本荷載組合一作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.4,基本荷載組合二作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.65,均大于1.05；在特殊荷載組合一作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.58,特殊荷載組合二作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)2.3,均大于1.00。故該重力墩的抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論及建議

大壩應(yīng)力及重力墩穩(wěn)定計(jì)算直接關(guān)系到大壩安全性,是大壩設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一,尤其是在拱壩除險(xiǎn)加固中判斷大壩結(jié)構(gòu)是否安全以及是否能夠繼續(xù)使用起著決定性作用,計(jì)算不準(zhǔn)確引起的后果顯而易見(jiàn)：第一,因計(jì)算不準(zhǔn)確判斷大壩已不能正常使用,需要重新建設(shè)或者采取大量措施而造成投資增加；第二,因計(jì)算不準(zhǔn)確判斷大壩結(jié)構(gòu)安全,后期使用中發(fā)生嚴(yán)重安全事故造成人身傷害及經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)例研究表明,本文采用 GADAP25 拱壩軟件開(kāi)展大壩應(yīng)力計(jì)算,能夠準(zhǔn)確預(yù)估不同工況下大壩應(yīng)力分布情況以及重力墩穩(wěn)定計(jì)算,結(jié)果符合《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求,計(jì)算結(jié)果較為保守,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。