和尚沟水电站大坝抗滑稳定性分析

2019-09-06张彦文

水科学与工程技术 2019年4期

张彦文

（东港市水利事务服务中心，辽宁东港118300）

1 工程概况

和尚沟水电站属于爱河梯级开发的重要规划工程，坝址位于辽宁丹东凤城市和尚沟村境内的爱河上游干流上，是一座以发电为主，兼具防洪和养殖等综合功能的小型径流式水电站。该电站的装机总容量2400kW，设计库容1230万m3，工程等别Ⅲ等，主要水工建筑物级别3级，设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准100年一遇。和尚沟水电站项目所在地区属于长白山系，区内山脉多南北走向，由于受鸭绿江水系的强烈侵蚀作用，呈现出群峰耸立、山高谷深的地貌景观。从地层岩性来看，基底埋藏较深，沉积盖层主要是泥盆纪、三叠纪至下第三系地层，主要由海相碳酸盐和浅海、滨海碎屑岩构成。项目区的地貌以高山峡谷地貌为主，辅以部分溶蚀地貌，为典型的峡谷性水库。

和尚沟水电站工程主要由混凝土重力坝、泄洪建筑物、引水系统和电站厂房构成。水电站采用混凝土重力坝坝型，重力坝的最大坝高23.21m；坝顶宽6m，坡比1∶0.7。本次研究以重力坝的5#坝段为研究对象，该坝段坝基高程227.13m，厚20m，从252.48m高程开始按1 ∶0.7 的坡比进行折坡。上游设计水位258.50m，下游对应水位236.62m。坝体内部的廊道为城门型，宽3.0m，高3.5m，其中心线位于坝轴线的下游，距离坝轴线2.0m，底部高程119.02m。该坝段的迎水面和部分应力集中区域采用的C25混凝土浇筑，厚度2.5m，其余部位均为C15混凝土浇筑。

2 重力坝抗滑稳定计算

2.1 计算公式

按照相关的工程设计和施工经验［1-2］，本次采用

式中 K′为抗滑稳定性安全系数；f′大坝与坝基接触面抗剪断摩擦系数； ∑W 为滑动面上坝体荷载的法向分量（kN）；U 为扬压力大小；c′大坝与坝基接触面抗剪断凝聚力（kPa）；A为大坝与坝基接触面积（m2）；∑P 为滑动面上坝体荷载的切向分量（kN）。

2.2 计算数据

根据SL319—2005 《混凝土重力坝设计规范》中的相关数据［3］，和尚沟水电站混凝土重力坝与基岩接触面之间的力学参数如表1。抗剪断公式进行抗滑稳定性计算，计算如式（1）：

表1 大坝坝基岩体力学参数

根据坝址区地质情况和相关设计资料，大坝抗滑稳定性计算所需基本资料的参考值如表2。

表2 抗滑稳定性计算基本资料

2.3 计算结果

本次选取5#坝段进行计算，混凝土重力坝设计抗震烈度7°，在正常水位、设计水位、校核水位、冰冻情况、施工工况及地震工况等6种不同工况下，对大坝的抗滑稳定性进行分析计算，结果如表3。

表3 大坝抗滑稳定性计算结果

由表3可知，在6种计算工况下，坝踵部位竖直方向均未出现拉应力，符合设计规范要求；在施工工况下，坝趾竖直方向的拉应力33kPa，显著小于100kPa的设计规范要求；各种工况下的抗滑稳定性安全系数均为5～7之间，而规范要求抗滑稳定性安全系数必须大于3.0，因此大坝的抗滑稳定性满足设计要求。

3 和尚沟水电站大坝深层抗滑稳定性分析

3.1 计算方法

对混凝土重力坝而言，如果大坝的坝体面临软弱结构层或不利倾角时，在上游水荷载的作用下，大坝可能与基岩一起向下游方向滑动［4］。因此，有必要对和尚沟水电站混凝土重力坝进行深层抗滑稳定性分析。本次拟采用极限平衡法进行和尚沟水电站混凝土重力坝的深层抗滑稳定性分析。为此，选取重力坝地基下的标准双滑面模型作为计算模型，其结构如图1。

图1 深层抗滑稳定性计算

大坝深层抗滑稳定性计算采用抗剪断公式［5］，其中，ABD面稳定性计算公式如下：

BCD面的稳定性公式如下：

式中 K1和K2分别为ABD面和BCD面的抗滑稳定性安全系数；∑W 大坝坝体竖直方向上的荷载；∑P 为大坝水平方向上的荷载；G1和G2分别为ABD面和BCD面上的岩土重力；f1和f2分别为ABD面和BCD面上的抗剪断摩擦系数；c1和c2分别为ABD面和BCD面的抗剪断凝聚力；α和β分别为ABD面和BCD面与水平面的夹角；Q和φ为内裂面上的作用力与水平线夹角；A1和A2分别为ABD面和BCD面的面积。

计算过程中，同一面上的K＝K1＝K2，可以利用试算法计算出抗滑稳定性安全系数。如果BD和水平面的夹角与抗力角为固定值，即可通过等式两边相等获得抗力Q和K，并依据数值的变化规律，获得K与抗力角与破裂角之间的变化规律［6］，具体计算结果如表4。

表4 深层抗滑稳定安全系数

根据计算结果，和尚沟水电站混凝土重力坝在不同抗力角下的抗滑稳定性系数随破裂角变化的曲线如图2。

图2 抗滑稳定性系数随破裂角变化的曲线

由表4和图2可知，当破裂角为90°时，大坝的抗滑稳定安全系数最大，建议在具体计算中采用倾斜条件下的数据进行设计重力坝抗滑稳定性设计计算；在6种不同抗力角下，当倾斜角大于80°时安全系数增大速率明显变大，因此在具体施工中尽量选择80°~90°的倾斜角。从计算结果来看，和尚沟水电站重力坝深层抗滑稳定性良好，完全满足设计要求。