坝体泄水建筑物水力学模型试验及其稳定性分析

宋景峰

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)



坝体泄水建筑物水力学模型试验及其稳定性分析

宋景峰

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

文章针对锦凌水库工程泄水建筑物布置和断面情况进行水力学模型试验，通过模型试验设计计算，确定了冲坑距溢流堰鼻坎、冲坑距底孔鼻坎以及冲刷坑上游反坡值，分析论证了溢流堰泄流能力偏于安全；根据监测数据观测结果，确定了溢流坝堰顶下游附近和鼻坎、挑坎处等出现负压的位置以及最大流速发生位置和设计流量水面高程；引进力学相关理论计算了溢流坝段坝体和坝基的应力，分析了溢流坝段抗滑稳定性及深层抗滑稳定性，得出结论：泄水建筑物结构设计满足要求。该工程泄水建筑物结构和断面布置可为类似坝体工程设计和施工提供借鉴和工程指导。

水利工程；坝体设计；泄水建筑物；水工试验；稳定性

0 引 言

坝体的结构设计和布置对于水利工程至关重要，如何确保坝体的结构安全，防治失稳事故已然成为目前水利工程结构设计的关键[1-2]。目前的多数研究很多都是通过数值模拟等方式对结构设计进行模拟研究，缺乏工程施工现场的动态性和实时性研究。因此，通过水工试验对坝体工程结构设计进行验证极有必要[3]。

国内外的专家学者进行的研究包括：沈辉，罗先启，郑安兴[4]结合各对象技术及其软件，协调合作，构建基于工程地质条件和施工现场背景的几何模型，提出适用于地应力反演分析，坝体载荷、工程开挖等因素影响下坝肩稳定性分析的三维精细有限元计算模型，得出结论：组合地震荷载作用下，所有楔块安全系数均大幅下降，但仍具有一定的安全裕度；於正芳，宫必宁，方传斌[5]通过分析水工建(构)筑物的结构特性、振动特性及其地震作用下的反应状况，引入非坝体建筑物模型试验，深入研究模型试验的边界条件、材料参数、地震动能耗散等重点问题，确定试验基本参数和数据依据；严 琼，吴顺川，李 龙[6]以山西襄汾尾矿坝 2008 年溃坝案例为研究背景，分别采用应力-渗流耦合和连续-离散耦合数值分析方法建立数值模型，引入浮重度参数，将坝体材料考虑为在静水作用下的含水土体，可用于连续-离散耦合算法，其模型计算结果与溃坝成因基本一致；何柱，刘耀儒，杨强[7]；孙从露，徐洪，杨建国[8]利用数值模拟软件对某工程坝体施工以及温度动态变化等进行数值分析，确定材料力学参数，研究对坝体进行三维非线性仿真计算，以预测坝体在下一阶段蓄水以及最终蓄水后的稳定性等。

此外，卢洪彦，付 树，陈 旭[9]，刘小生，赵剑明，王钟宁[10]等众多学者对坝体泄水建筑物的稳定性进行了分析，对泄水建筑物的结构的能够进行验证，取得了一定的研究成果。

文章以锦凌水库工程泄水建筑物布置和断面情况为背景，通过水工试验对溢流堰泄流能力等进行了计算和分析，引进力学相关理论计算溢流坝段坝体和坝基的应力，分析溢流坝段抗滑稳定性及深层抗滑稳定性，对泄水建筑物稳定性进行验证。

1 工程概况

溢流坝段布置于河道右岸的主河床位置，设有10个泄洪表孔，布置在②-⑩坝段上，采用开敞式孔口，主要担负水库泄洪任务，坝段桩号为0+579.00-0+756.50。溢洪坝泄流净宽150.0m，总宽177.50m，单宽泄流量90.49m3/s。每孔设有弧形作门控制，由坝顶门式启闭机启闭，弧门上游设检修叠梁钢闸门。溢流坝采用WES型堰面曲线，下游直接通过半径为25.0m的反弧曲线，与挑流消能鼻坎相连。堰顶高程51.30m，堰体上游段采用1/4椭圆曲线。采用堰体分缝型式，单坝段长17.50m，边坝段长10.00m，堰体分缝采用铜片止水，并沿堰面布置。

根据工程布置堰高P1=22.00m，Hmax=12.26m，P1≥1.33Hd，溢流堰属于高堰，定型设计水头Hd= (0.75-0.95)Hmax。挑流鼻坎反弧半径确定为25.0m，反弧最低点高程为35.158m。根据反弧段内最大流速，最大单宽流量均不是太大，因此本工程反弧段半径确定为25.0m，反弧最低点高程为35.158m。下游最高水位为36.98m，根据计算和试验确定的出射角及半径，最后确定坎顶高程36.80m。

2 溢流坝水工模型试验研究

2.1 水工模型试验

为了验证选用泄水建筑物布置和断面的可行性和合理性，在本阶段委托辽宁省水利水电科学研究院对锦凌水库枢纽工程泄水建筑物进行了水工断面、水工整体的水力学模型试验，重点对泄水建筑物泄流能力、泄流水面线、上下游水流流态等进行了试验研究。断面模型比例为1∶50 ，整体模型比例为1∶100，河床按静/动床状态考虑。水工模型试验测定水面线高程如下表1所示。

2.2 试验结果及分析

试验结果及分析见表2。

如表2所示，经分析论证，试验溢流坝泄流能力在设计水位情况下较计算多4.0%，校核水位情况下较计算多1.4%，设计采用试验成果进行计算。冲坑水工模型试验成果见表3。

根据表2和表3可知：试验表明，该方案下溢流堰及底孔段冲坑距挑流鼻坎均较远，校核流量时冲坑距溢流堰鼻坎90m，冲坑距底孔鼻坎70m，冲刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之间，溢流堰泄流能力满足设计要求，而且偏于安全。溢流堰断面试验下泄水流流态良好，挑距较远，特征流量下坑距与冲深之比均>3，不会对坝体产生较大威胁。

根据模型试验压力观测成果，溢流坝堰顶下游附近和鼻坎、挑坎处均有负压出现，最大负压值-2.4m水头，由于泄水建筑物负压是在超溢流堰面设计水头(>0.85H设)情况下产生的，实际运行时发生几率小而且此时过流时间较短，负压不易对泄水建筑物产生较大破坏。在溢流堰反弧段及挑流鼻坎附近均有高速水流出现，最大流速发生在挑流鼻坎处，时流速21.38m/s。

表1 各测点位置及特征流量水面高程

表2 溢流坝水工模型试验泄流能力成果表

表3 冲坑水工模型试验成果表

由于水库地址条件较差，特征流量下在泄水建筑物下游40-100m范围内形成冲刷坑，冲刷坑的岩土料在坝下100-200m范围内淤积，抬高了下游河床，使淤积下游水位平均壅高1.2-3.1m，设计流量时坝轴线下游200m平均水面高程39.1m，下游300m平均水面高程38.2m，下游400m平均水面高程37.6m，下游500m平均水面高程37.2m。

3 坝体建筑物稳定及应力计算

3.1 荷载组合

各坝段稳定及坝基应力计算的荷载组合见表4。

表4 坝段各施工断面荷载组合情况汇总表

3.2 坝体稳定及应力计算

根据地质勘察资料，溢流坝段最低建基高程16.00m，坐落在熔岩弱风化中部。因此，取堰体整体利用材料力学法，刚体极限平衡法进行计算。抗滑稳定计算公式：

(1)

式中：K′为抗滑定安全系数；A为坝基面截面积；f′为坝体混凝土与坝基接触面抗剪断摩擦系数较小值，f′=0.75MPa；C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝集力较小值，C′=0.65MPa；J为坝基面截面积对形心轴的惯性矩，m4。

坝基面应力计算公式：

(2)

式中：K′为抗滑稳定安全系数；σy为坝踵、坝趾垂直应力，kPa；∑M为作用于坝体上的全部荷载对滑动平面形心力矩，kN·m；J为坝基面截面积对形心轴的惯性矩，m4；x为坝基面截面上计算点到形心轴的距离，m。

图1 溢流坝稳定、应力计算简图

设计组合作用组合考虑情况作用类别持久状况偶然状况基本组合特殊组合正常蓄水位设计洪水位冰冻情况校核洪水位施工期抗滑稳定系数计算值3 823 873 973 763 71规范值3 03 03 02 52 5坝踵垂直正应力计算值/MPa0 170 200 140 050 15允许值/MPa00000坝趾垂直正应力计算值/MPa0 950 920 911 050 82允许值/MPa28 028 028 028 028 0

由以上计算成果可知，溢流坝段抗滑稳定均满足规范规定的安全值，坝锺处无拉应力，坝址处压应力均小于坝基容许压应力值，结构设计满足要求。

3.3 坝基深层抗滑稳定计算及分析

(3)

式中：W为作用于坝体上的全部荷载的垂直分值，kN；H为作用于坝体上的全部荷载的水平分值，kN；G1，G2为楔体重量的垂直作用力，kN；f1,f2为体滑动面的抗剪断系数，取0.75；c1,c2为楔体滑动面的抗剪断凝聚力，取0.65；A1,A2为楔体滑动面的面积，m2；Q为楔体间的作用力，kN；ψ为楔体间的作用力与水平面的夹角，°；U1,U2,U3为楔体滑动面及楔体形的扬压力，kN；α，β为楔体滑动面与水平面的夹角，°。坝基深层抗滑稳定计算结果见表6。

表6 坝基深层抗滑稳定计算结果

由以上计算成果可知，溢流坝段深层抗滑稳定均满足规范规定的安全值，结构设计满足要求。

4 结 论

1)针对锦凌水库工程泄水建筑物布置和断面情况进行水力学模型试验，测定水面线高程并进行了校核，确定了冲坑距溢流堰鼻坎90m、冲坑距底孔鼻坎70m以及冲刷坑上游反坡值1:3-1:6之间，溢流堰泄流能力偏于安全。

2)通过对测点数据进行观测分析，溢流坝堰顶下游附近和鼻坎、挑坎处均有负压出现，最大负压值-2.4m水头，最大流速发生在挑流鼻坎处，时流速达到21.38m/s，并确定了设计流量水面高程。

3)计算了溢流坝段坝体和坝基的应力，溢流坝段抗滑稳定和深层抗滑稳定均满足规范规定安全值，坝锺处无拉应力，坝址处压应力均小于坝基容许压应力值，结构设计满足要求，该研究成果可为类似坝体工程的设计提供参考。

[1]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(02):33-35.

[2]徐飞.沈阳地区水资源短缺原因分析及对策研究[J].水资源开发与管理，2015(01)：24-26.

[3]夏建军.胶结材料筑坝技术在白土岭水电站的应用[J].中国水能及电气化，2014(11)：14-16.

[4]沈辉，罗先启，郑安兴． 拱坝联合坝肩岩体三维计算模型构建[J]．岩土力学， 2014,35( 05)：1455-1460．

[5]於正芳，宫必宁，方传斌．非坝体水工建筑物结构抗震模型试验研究[J]．水电能源科学， 2009,27( 05)：104-106．

[6]严 琼，吴顺川，李 龙．基于耦合模型的尾矿坝稳定性对比分析[J]．金属矿山， 2015，27( 09)：05-10．

[7]何柱，刘耀儒，杨强．基于位移反分析的小湾拱坝稳定性评价[J]．岩石力学与工程学报， 2013,32(11)：2242-2249．

[8]孙从露，徐洪，杨建国．基于渗流计算的尾矿坝静力稳定性分析[J]．矿业研究与开发， 2016,36( 06)：111-115．

[9]卢洪彦，付 树，陈 旭．水工混凝土坝体帷幕耐久性试验实践研究[J]．大坝与安全，2012(05)：49-52．

[10]刘小生，赵剑明，王钟宁．土石坝及地基抗震若干进展及规范修编[J]．水力发电学报， 2014，33( 02)：185-192．

Hydraulic Model Test of Discharge Structure on Dam Body and Its Stability Analysis

SONG Jing-feng

(Anshan Hydrology Bureau of Liaoning province,Anshan 114000,China)

According to the discharge structure layout and section situation of Jinling reservoir, by calculating the model test, the hydraulic model test was conducted in the paper to determine the scour hole from the overflow weir bucket, bucket bottom scour distance and scour upstream against the slope value, and also analyze the discharging capacity of overflow weir on the safe side. In line with the results observed from the monitoring data, the position appearing negative pressure, the location of maximum flow velocity and surface elevation of design discharge were determined near the downstream of the spillway crest and the bucket; relevant theory about mechanics was introduced to calculate the stress of spillway dam and dam foundation and analyze the stability against sliding on spillway dam section and deep layer. A conclusion is drawn that the discharge structure meets the demands of design. The structure and section arrangement of the discharge structure can provide references and guidance for design and construction of similar dam projects.

water conservancy project; dam design; discharge structure; hydraulic test; stability

1007-7596(2017)03-0009-04

2017-02-24

宋景峰(1969-)，男，辽宁鞍山人，高级工程师，研究方向为水文站网建设与规划，水文遥测技术等。

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