外掺MgO混凝土不分缝拱坝坝肩三维稳定分析探讨

2017-02-28娄剑永曹浙平

浙江水利科技 2017年1期

关键词：拱坝坝址安全系数

娄剑永，曹浙平

（1.南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210008；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

外掺MgO混凝土不分缝拱坝坝肩三维稳定分析探讨

娄剑永1，曹浙平2

（1.南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210008；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

坝肩岩体抗滑稳定是拱坝设计中的关键问题之一。外掺MgO混凝土不分缝拱坝是一种新型拱坝，由于外掺MgO混凝土的延迟微膨胀作用，该新型拱坝的坝肩推力与常规拱坝有较大的差别。采用刚体极限平衡法，根据仿真分析获得的拱坝坝肩推力成果，分析了广东省长潭外掺MgO混凝土不分缝拱坝的坝肩稳定，并与常规拱坝的分析成果相比较，发现采用外掺MgO混凝土不分缝筑拱坝技术有利于拱坝的坝肩抗滑稳定。

外掺MgO拱坝；坝肩稳定；刚体极限平衡；长潭水电站

1 问题的提出

在生产混凝土时加入适量特制的轻烧MgO，其水化过程中形成的Mg(OH)2会产生延迟性的体积微膨胀，利用其后期膨胀变形来补偿混凝土在温降时产生的收缩变形，以防止或减少混凝土由于温降产生的裂缝，是一种新的温控方式；修筑混凝土拱坝时利用MgO延迟性微膨胀特性，实现不分横缝通仓连续浇筑拱坝，是近年出现的新型筑坝技术。广东省长潭电站大坝为1座中型外掺MgO混凝土不分缝新型拱坝。在长潭坝型选定过程中，分别对常规拱坝和外掺MgO混凝土不分缝拱坝2种方案进行了计算，并根据2种方案计算成果中的坝肩推力，采用刚体极限平衡法，对拱坝坝肩抗滑稳定进行了三维分析。对2种坝型的坝肩抗滑稳定分析比较后发现，外掺MgO混凝土不分缝拱坝较常规拱坝有利于坝肩岩体的抗滑稳定。

2 工程概况

长潭水电站位于广东省翁源县涂屋水上游。大坝为抛物线双曲拱坝，坝顶高程200.1 m，最大坝高53.0 m，坝顶弧长为124.0 m，坝顶宽度3.0 m，坝底最大厚度9.5 m，厚高比0.179，采用外掺MgO混凝土不分缝新型拱坝技术，坝体混凝土量约为2.9万m3。大坝正常蓄水位196 m，设计洪水位198.08（P = 2.0%），校核洪水位200.10（P = 0.2%）。

坝址区地形陡峭，风化较浅，坝址河床狭窄，呈“V”字型峡谷。两岸山体雄厚，左岸地形坡度为40° ～ 50°，右岸稍陡，为50° ～ 60°。坝基主体岩石为泥盆系中下统桂头群下亚群第三岩组（D1-2gta-3）石英砂岩，层厚2.2 ～ 3.2 m，中间夹4层层厚小于0.3 m的青灰色泥质粉砂岩。岩层产状为N20° ～ 50°E/SE＜50° ～ 70°。坝址地质构造以断层和节理裂隙为主，断裂构造发育一般。

3 坝肩潜在滑动边界条件分析

3.1 影响坝肩稳定的因素

长潭拱坝右岸坝肩有f7断层（产状N20°W/SW＜80°）和f8断层（产状N15°E/NW＜20°），2条断层相交切割岩石，构成可能滑动棱体1，该滑动棱体以f7为侧滑面、f8为底滑面，但这2条断层规模较小，且都倾向山里，胶结好，对坝肩稳定影响较小；在坝址右岸PD5探洞中发现有4条层间错动带，产状N45°E/SE＜75° ～ 80°，为泥质粉砂岩夹层，后期发生层间错动，呈岩屑加泥型软弱夹层。层间错动带与f8断层组合切割岩石，构成可能滑动棱体2，该滑动棱体以层间错动带为侧滑面，缓倾断层f8为底滑面，对右岸坝肩稳定影响较大。

坝址左岸存在f11断层（产状N25°W/SW＜50°）和f12断层（产状N50° ～ 60°E/NW＜70° ～ 80°）。这2个断层倾角都较陡，分析后认为，左岸坝肩如果要失稳，则要在水平方向剪断岩层，因此，左岸坝肩的可能滑动棱体由f11断层、f12断层和水平方向剪断岩层切割而成。

3.2 坝址结构面抗剪强度指标

计算时选取的坝肩结构面的抗剪强度指标见表1。

表1 坝肩结构面的抗剪强度指标表

4 坝肩抗滑稳定分析计算

4.1 计算过程和结果

长潭拱坝坝体内力和应力计算采用陈正作教授编写的GADAP软件，其力学原理基础是梁拱分载法。计算分为常规拱坝计算和外掺MgO混凝土快速筑坝仿真计算2种。常规拱坝计算按照SL 282 — 2003《混凝土拱坝设计规范》，选取了“正常蓄水位+温降”和“校核洪水位+温升”2种工况；仿真计算模拟从坝体浇筑混凝土开始直到蓄水运行，按每7 d为1期，计算全过程的仿真应力。仿真计算共分150期进行，其中坝体混凝土浇筑时段为12月初至次年4月底，即在高温季节前完成坝体浇筑。设计混凝土粗骨料采用石灰岩，MgO掺量：高程147.1 至 162.0为5.0%，高程162.0至坝顶为5.5%。

根据常规拱坝计算成果中的坝肩推力，采用刚体极限平衡法计算常规拱坝的坝肩抗滑稳定安全系数；在仿真计算成果中，选取仿真118期（冬季）和仿真143期（夏季）的坝肩推力（仿真118期为冬季，大坝蓄水至正常蓄水位；仿真143期为夏季，坝前水位为校核洪水位），计算坝肩抗滑稳定安全系数，并与常规计算结果相比较。

本工程为 Ⅲ 等中型工程，根据SL 282 — 2003规范，坝肩稳定安全系数要求在基本组合下[k]≥3.0，特殊组合下[k]≥2.5。坝址区域地震基本烈度为6°，根据规范不作抗震计算。

常规计算和仿真计算中坝肩推力计算时选取的坐标系见图1，坝肩推力计算成果见表2和表3，其中，推力Tx和Ty的符号与X、Y坐标轴的方向一致为正，反之为负；Tz以竖直向下为正，向上为负。

图1 坝肩推力计算坐标系图

表2 右岸坝肩推力计算成果表 kN

表3 左岸坝肩推力计算成果表 kN

根据对右岸坝肩稳定边界条件分析，右岸可能滑动棱体有2个：f7断层和f8断层组合切割成的滑动棱体1；层间错动带与f8断层组合切割成的滑动棱体2。对2个可能滑动棱体进行稳定计算，计算工况和结果见表4。

表4 右岸坝肩稳定安全系数表

左岸坝肩的可能滑动棱体由f11断层、f12断层和水平方向剪断岩层组合切割而成。左岸坝肩稳定安全系数见表5。

表5 左岸坝肩稳定安全系数表

4.2 计算结果分析

（1）常规计算中，右岸坝肩可能滑动棱体1的安全系数能满足规范要求；可能滑动棱体2的安全系数在基本组合下为2.72，特殊组合下为2.30，不能满足规范要求，需采取以下工程措施进行处理：在160.0 m高程做断面为2.5 m×3.0 m的水平混凝土洞塞，穿过f8断层，并沿层间错动带向下游方向设10.0 m长混凝土洞塞，同时利用该开挖平洞对f8断层和f7断层进行灌浆处理，处理后的右岸可能滑动棱体2的安全系数见表6。