守口堡水库大坝稳定计算

张海龙

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

守口堡水库位于黑水河上游段，在阳高县城西北约10 km处，是一座工业供水、农业灌溉及防洪等综合利用的水利工程。水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶长366 m，坝顶高程1 243.6 m，最大坝高64.6 m。水库总库容980万m3，属小（一）型水库，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，洪水设计标准选定重现期为50年一遇，校核标准重现期为500年一遇，地震设防烈度7度。

2 工程地质

工程坝址区河谷宽约220.0 m，地形高程1 204～1 210 m。覆盖层厚度6.5～19.8 m。下伏基岩为含辉石斜长角闪岩，基岩面高程1 185.739～1 199.620 m。坝基无大的断裂发育，仅在靠右岸处发育有小型断层及裂隙破碎带，破碎带宽度0.1～2 m，延伸200～300 m，为角砾和泥质全充填，影响带宽度5～30 m。

岩体节理裂隙发育四组：第1组N35°～45°W/NE∠70°～85°；第 2 组 N10°～25°E/SE 或 NW∠50°～70°；第 3 组 N70°～80°W/NE∠30°～80°；第 4 组 N65°～75°E/NW∠60°～70°，无充填或泥钙质充填。坝基强风化层厚度0.90～5.00 m，弱风化层厚度4.30～8.75 m，弱风化层下限高程1 174.539～1 186.17 m。

从钻孔压水资料分析，坝基岩体在高程1 149～1 196 m以上岩体属中等透水性，厚3～28 m，以下为弱透水岩体。地下水位高程1 202.38～1 203.8 m。

通过分析守口堡水库坝址处的地质资料可知，坝基岩体中未发现有缓倾展布的软弱结构面，岩体中不存在软弱滑动面，岩层倾向下游，且倾角大，坝基不存在深层滑动，产生浅层滑动的可能性不大。因此，守口堡水库大坝只进行坝基面抗滑稳定计算。

坝基岩体力学指标建议值：坝基岩体饱和抗剪断强度指标：c′=0.8～1.0 MPa，f′=0.8～0.9；混凝土与基岩接触面的抗剪断强度：c′=0.6 MPa，f′=0.85；混凝土与弱风化基岩抗剪强度摩擦系数f=0.60。

3 大坝稳定计算

3.1 荷载及组合

坝体抗滑稳定及应力分析计算需考虑以下荷载：

坝体及其永久设备自重：混凝土容重24 kN/m3。

静水压力及水重：水库正常蓄水位1 240.00 m，相应下游水位1 204.00 m；水库设计洪水位1 240.30 m，相应下游水位1204.88m；水库校核洪水位1 243.10 m，相应下游水位1 205.27 m。

泥沙压力：坝前淤沙高程按1 226.70 m考虑，泥沙内摩擦角取12°，浮容重取8 kN/m3。

扬压力：坝基设灌浆帷幕、排水孔，主排水孔处扬压力强度系数取0.2，副排水孔处残余扬压力强度系数取0.5。

地震荷载：按7°地震考虑。

表1 荷载组合表

3.2 大坝抗滑稳定计算

3.2.1 大坝建基面抗滑稳定计算

根据《混凝土重力坝设计规范》规定，坝基面抗滑稳定按抗剪断公式进行计算。由于守口堡水库大坝坝基面倾向上游，如果大坝发生失稳，则大坝将沿着该倾斜建基面滑动。

图1 缓倾角坝基面示意图

抗剪断强度计算公式如下：

式中:K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，取0.85；

C′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，取 600 kPa；

A——坝基接触面截面积，m2；

α——坝基面与水平面的夹角，°；

U——扬压力，kN；

ΣW——作用于坝体上全部竖向荷载，kN；

ΣP——作用于坝体上全部水平向荷载，kN。

坝体抗滑稳定安全系数K＇在基本荷载组合时采用 3.0，特殊荷载组合（1）采用 2.5，特殊荷载组合（2）采用2.3。

坝体抗滑稳定计算断面选取挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段最大坝高断面。计算结果见表2。

3.2.2 坝体混凝土层间抗滑稳定分析

碾压混凝土筑坝为分层碾压施工，存在层间结合问题，为此，要求通过层间的抗滑稳定计算来分析混凝土层间抗滑稳定是否满足要求。

坝体混凝土层间抗滑稳定分析的计算公式采用式（1）计算，抗滑稳定安全系数同前。

根据汾河二库坝体碾压混凝土芯样检测结果，参考类似工程，碾压层面平均凝聚力C′取2.0 MPa，平均摩擦系数f′取1.4，扬压力折减系数α取0.25。

坝体层间抗滑稳定选取挡水坝段、底孔坝段和溢流坝段的上游折坡处断面（高程1 205.0 m）进行计算，成果见表2。

表2 稳定计算成果

由表2可知，坝基面及混凝土层间抗滑稳定安全系数均满足规范允许值。

3.3 坝基面及坝体应力计算

坝基面及坝体垂直正应力采用材料力学法计算，按《混凝土重力坝设计规范》规定，采用式（2）计算：

式中：σy——坝踵、坝趾垂直正应力，kPa；

ΣW′——作用于单位坝段上全部荷载在坝基面上法向力总和，kN；

ΣM——作用于单位坝段上全部荷载对坝基面形心轴的力矩总和，kN·m；

A——计算截面的截面积，m2；

X——计算截面上计算点到形心轴的距离，m；

J——计算截面对形心轴的惯性矩，m4。

表3 坝基面垂直应力计算成果 单位：kPa

坝基面应力计算断面选取挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段最大坝高断面。计算结果见表2。坝体应力选取高程 1 234.6 m，1 219 m，1 205 m，1 193 m，1 182 m。

根据规范要求，运用期，在各种荷载组合情况下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基允许压应力；遭遇地震时，坝基面的垂直应力允许出现瞬时拉应力；施工期，坝趾垂直应力允许有小于0.1 MPa的拉应力。

经计算，坝体应力满足规范要求。

4 结语

第一，通过计算分析可知，守口堡水库大坝是稳定的，断面设计是合理的。第二，对于缓倾角建基面，在施工完成后未蓄水前，坝体自重将在倾斜面上产生倾向上游的滑动力，因此必须核算施工完建期的抗滑稳定。第三，对于倾角的确定，需要在大坝设计时经过精确计算。随着倾角的增大，坝踵处的压应力增大，坝趾处的压应力减小，坝趾处有可能出现拉应力。而且，倾角过大，即使完建期是稳定的，但水库蓄水后仍然有向上游倾覆的可能。因此，大坝建基面的倾角只限于倾向上游的缓倾角。