浆砌石直墙堆石坝坝体稳定及应力分析

王娟

摘要：大坝是水利枢纽中的重要建筑物，坝体的稳定及应力分析至关重要，关系整个大坝工程的安全。本文以某小型水库浆砌石直墙堆石坝为研究对象，采用《砌石坝设计规范》中规定的方法，对大坝进行稳定计算及应力分析，经复核，坝体抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求，大坝应力满足规范要求。

关键词：浆砌石直墙堆石坝；抗滑稳定；应力分析

1 工程概况

工程区位于潮河一级支流上，隶属于潮白蓟运河水系。控制流域面积23.6km2，原设计总库容10.4万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖和发电的小（2）型水库。工程等别为Ⅴ等，建筑物等级为5级。设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为50年一遇。

水库主要由大坝、溢洪道与放水洞组成。大坝为浆砌石直墙堆石坝，最大坝高10m，坝顶高程501.26m，坝顶宽1.2m，坝长40m，上游坝坡1：0.2，下游坝坡1：1.0。

2 工程地质

工程区地貌属低山丘陵地貌，山体坡度较缓，沟谷较发育，山体由侏罗纪粗粒、中粒花岗岩组成，岩性单一。坝址处河谷呈 “U”形，两岸岩石裸露，质地坚硬，未发现断层构造。

流域内沟谷发育，河床平均宽度约23～147mm，河底高程491～496m。

坝址区地质结构为双层结构。大坝上游坝坡为浆砌石，结构较完整；下游坝坡为堆石。坝基岩体以强风化粗粒、中粒花岗岩为主，粒状结构，块状构造。

坝基岩体力学性质指标建议值：浆砌石和坝基岩体之间的抗剪断强度指标建议值为f'=0.70，c'=0.30MPa，抗剪强度指标建议值为f=0.40；岩体抗剪断强度指标建议值为f'=0.55，c'=0.30MPa，抗剪强度指标建议值为f=0.45；变形模量建议值为5GPa，承载力建议值1200kPa。

3坝体稳定及应力计算

坝体属于浆砌石直墙堆石坝，根据《砌石坝设计规范》（SL25-2006），结合坝体现状，稳定计算考虑沿砌石体与岩基接触面滑动。

3.1 计算工况及荷载组合

根据水库原设计条件及水库运行情况，拟定计算工况及荷载组合，对现状坝体结构进行抗滑稳定、坝体基底应力验算。计算工况及荷载组合详见表1。

表1 计算工况及荷载组合表

3.2 计算典型断面选取

选择坝段中部最高坝体进行复核验算，计算时取1m单宽作为计算单元，断面基底宽度14m，坝高10m，上游坝面1：0.2。坝顶高程501.26m。下游坝面坡比为1：1.0，计算简图及特征水位详见图1。

3.3 荷载计算

①自重 G=γV

式中 G —坝体自重；

γ—浆砌石容重，=23kN/m3；

V —坝体的体积

②静水荷载

水平压力：

垂直水压力：

式中 γ—水的容重，按10kN/m3计；

H—靜水深；

n—坝坡坡率。

③扬压力

扬压力包括浮托力和渗透压力两部分。

④於沙压力

式中 Ps—坝面每米宽度上的水平泥沙压力，kN/m；

γsb—於沙的浮容重，kN/m3，取9.7kN/m3；

hs—坝体上游泥沙淤积厚度；

φs—於沙的内摩擦角，取28°。

⑤浪压力

a：波高波长按下列公式计算：

式中 h —波高，m；

Lm —平均波长，m；

v0 —计算最大风速，18m/s；

D —风区长度，取200m；

g —重力加速度，9.81m/s2。

b：浪压力近似按直墙式挡水建筑物计算：

当坝前水深H1满足H1≥Hcr，H1>Lm /2时，作用在单位坝长上浪压力Pwk按下式计算：

式中 Pwk—单位长度坝面上的浪压力，KN/m；

h —累积频率5%～10%的波高，m；

hz —波浪中心线至计算水位的高度，m；

Hcr—使波浪破碎的临界水深，m；

3.4坝体抗滑稳定应力计算

①坝体抗滑稳定计算公式为：

式中 W—全部荷载对滑裂平面的法向分值；

ΣP—作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑裂面的切向分值；

K2—抗剪计算的抗滑稳定安全系数；

f2—滑裂面上的抗剪摩擦系数，取0.4。

②坝基上下游基底应力按下式计算

式中 σmax min—坝基垂直正应力；

ΣW—作用在坝段上的所有荷载对坝基面的法向分力之和；

B—坝基底宽，m；

e—合力偏心距，m；

式中 ΣM—作用在坝段上的所有荷载对坝踵弯矩之和。

坝体沿岩基接触面滑动稳定及应力计算成果见表2。

表2 坝体稳定及应力复核计算成果表

4 结论

坝体抗滑稳定分别采用抗滑公式计算。由表2可知，坝体抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求。

参考文献：

[1] SL 252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2] SL 25-2006，砌石坝设计规范[S].

（作者单位：河北省水利水电勘测设计研究院）