观音水库拱坝基础处理应力变形分析

钱雪晋，李应周，周 华

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 工程概况

观音水库位于遵义地区仁怀市学孔乡与汇川区山盆镇交界处，距仁怀市52km，遵义市70 km。水库总库容12070万m3，正常蓄水位633m，工程规模为大(2)型，工程等别为Ⅱ等。可研阶段选择混凝土抛物线双曲拱坝参与坝型比选，拱坝坝顶高程637m，最大坝高112m，坝顶宽7.0m，最大底厚30m，厚高比0.275，大坝为2级建筑物。

工程任务是以城乡生活和工业供水为主，结合灌溉，兼顾发电等综合利用。工程建成后，水库年供水量9150万m3。工程总工期44个月，总投资323064万元。

2 坝址地形地质条件

大坝处河流流向为N15°E至N20°E，河床高程537-541m，正常蓄水位633m高程时，河谷宽 220m，河谷宽高比2.4:1。河谷为不对称“V”型斜向谷，左岸为顺-斜向坡，右岸为斜-逆向坡。左岸：615m高程以下，地形坡度约70-85°，靠近河床段多为倒坡，615-650m高程以上，地形坡度约10-30°，650m高程以上，地形坡度约34-50°；右岸：605m高程以下，地形坡度约27-57°，605-606m高程左右为一缓坡平台，606m高程以上，坡度约25-45°。

坝址出露地层为茅草铺组第二段第一层T1m2-1中厚层灰岩、白云质灰岩，第二段第二层T1m2-2溶塌角砾岩夹泥岩、泥岩；第二段第三层T1m2-3中厚层白云岩夹白云质灰岩。岩层产状为N55°-65°E/SW∠20°-36°，岩层倾向下游偏右岸。T1m2-1微风化岩体变形模量6Gpa，地基承载力4.5MPa，岩体工程地质属BⅢ2类，局部为BⅣ1类；T1m2-2微风化岩体变形模量1.5Gpa，地基承载力1.2MPa，岩体工程地质属CⅣ类；T1m2-3微风化岩体变形模量5Gpa，地基承载力3.5MPa，岩体工程地质属BⅣ1类。

右坝肩592-615m高程出露的T1m2-2，岩性为溶塌角砾岩夹泥岩、泥岩、白云岩及薄层灰岩，底为炭质页岩，厚度约33m，遇水易软化或泥化，岩体破碎，岩体强度较低，该层对坝肩抗滑稳定不利，需采取处理措施。

3 拱坝布置、设计及基础处理

3.1 拱坝布置及设计

大坝为抛物线变厚双曲拱坝，拱坝坝顶高程637m，最大坝高112m，坝顶宽7.0m，最大底厚30m，最大坝高112m，厚高比0.275，属于中厚拱坝。最大中心角83°(637.0m高程)，最小中心角50°(528.0m高程)。坝基高程525m，坝顶总长340.813m。坝体碾压混凝土设计强度采用90 天龄期C20 三级配碾压混凝土，根据不同高程，坝体二级配碾压抗渗混凝土厚度为2.5m、5.0m和7.0m，抗渗等级为W8。坝体迎水面采用C20二级配变态混凝土加强防渗，两拱端与基岩接触的部位采用相同的二级配变态混凝土浇筑，下游面采用C20三级配变态混凝土浇筑，上、下游面变态混凝土层厚度均为80cm。坝顶采用30cm 厚C20二级配常态混凝土铺筑，作为坝顶防水层，同时使坝顶平坦[1-2]。

坝体共分6条横缝，将坝体分为7个坝段，坝段长度分别为40、50、60.87、35.896、54.104、60、40.813m。大坝坝顶左、右岸分别与637m高程灌浆平洞连接。根据帷幕灌浆和坝基、坝身排水的需要，在坝内556.5m高程设置2.5m×3.5m的灌浆排水廊道，与左、右岸556.5m灌浆平洞连接，灌浆平洞断面尺寸3m×3.5m；在坝内590m高程设置2.5m×3.5m的排水检查廊道。

大坝左右两岸为非溢流坝，河床段为溢流坝段。溢洪道设闸控制开敞式自由溢流，堰顶高程625m。溢流前沿净宽24m，坝顶设8m×8m(b×h)工作闸门，其上设宽为6m的钢筋混凝土人行交通桥。泄洪兼放空底孔布置于右坝段，进口底板高程为595.00m，孔身为4.5m×5.0m(宽×高)的矩形断面，通过渐变压坡段后出口尺寸为4.5m×4.5m。取水口布置于右坝段，采用分层取水措施，共设置四层分层取水口，进口底板高程分别为627m、622m、611m、599m，孔口尺寸均为2.4m×2.4m，均设置隔水平板闸门。

图1 拱坝下游立视图

3.2 拱坝坝肩基础处理

右坝肩595-615m高程分布茅草铺组第二段第二层T1m2-2泥岩，岩石强度较低，使坝肩抗滑稳定、承载力不满足要求。故需对右坝肩579-620m高程深挖、扩挖、回填处理，并设置C30钢筋混凝土圆弧拱，使坝肩推力通过圆弧拱分别传递至上部T1m2-3白云质灰岩及下部T1m2-1灰岩。T1m2-2泥岩按1：1边坡开挖，开挖边坡采用喷锚支护处理措施，设200t预应力锚索，间、排距6m。C30钢筋混凝土圆弧拱厚10m，宽40m，高41m，两端厚度按1:4.381的坡比由10m渐变至12m，圆弧拱外半径40m，内半径30m，中心角90°。圆弧拱与坝建基面之间采用C30混凝土回填；与开挖边坡之间采用C20混凝土回填，圆弧拱与回填C20混凝土之间设置伸缩缝，并设置止水。

4 应力及变形分析

4.1 坝体应力、变形计算

采用中国水利水电科学研究院结构所编制的拱坝多拱梁混合法应力分析程序——《拱坝体形优化程序ADASO》电算程序计算。

荷载组合如下：

基本组合1：正常蓄水位633.0m+坝体自重+设计正常温降+扬压力+泥沙压力；

基本组合2：设计洪水位633.39m(相应下游水位554.55m)+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力；

基本组合3：死水位605.0m+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力；

特殊组合：校核洪水位634.71m(相应下游水位555.93m)+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力。

图2 拱坝坝肩基础处理大样图

图3 拱坝579m高程平切图

计算结果分析如下：

基本组合1最大压应力发生在高程592m左拱端下游面，为3.72 MPa；最大拉应力发生在高程576m左拱端上游面，为-1.02MPa。顺河流向最大位移发生在高程623m拱冠梁处，为34.5mm。

基本组合2最大压应力发生在高程592m左拱端下游面，为4.21MPa；最大拉应力发生在高程592m左拱端上游面，为-1.19MPa。顺河流向最大位移发生在高程608m拱冠梁处，为27.5mm。

基本组合3最大压应力发生在高程544m右拱端上游面，为2.4MPa；最大拉应力发生在高程576m右拱端上游面，为-0.87MPa。顺河流向最大位移发生在高程560m拱冠梁处，为11.5mm。

特殊组合最大压应力发生在高程592m左拱端下游面，为4.29MPa；最大拉应力发生在高程592m左拱端上游面，为-1.22MPa。顺河流向最大位移发生在高程608m拱冠梁处，为28.8mm。

综上，基本组合最大压应力值为4.21Mpa，最大拉应力值为为-1.19MPa；特殊组合最大压应力值为4.29MPa，最大拉应力值为为-1.22MPa。基础允许压应力为3500-4500kPa，经分析坝体各计算点的计算应力值均满足要求。

4.2 拱坝有限元分析

采用Abaqus软件对拱坝进行三维有限元计算复核。

图4 计算模型(下游视图)

基本组合1最大压应力出现在坝体下游面右岸岸坡1/3坝高处，为3.85MPa；最大拉应力出现在坝体下游面左岸岸坡1/2坝高处，为-1.2MPa。顺河流向最大位移发生在高程637m拱冠梁处，为39.3mm。

特殊组合最大压应力出现在坝体下游面左岸岸坡1/2坝高处，为4.44MPa；最大拉应力出现在坝体上游面左岸岸坡1/2坝高处，为-1.33MPa。顺河流向最大位移发生在高程637m拱冠梁处，为28.9mm。

综上，经有限元复核，坝体各计算点的计算应力值仍满足要求。

4.3 坝肩拱有限元分析

基本组合1最大压应力出现在坝肩拱下部靠近上游侧，为2.81MPa；最大拉应力出现在坝肩拱上部靠近下游侧，为-0.75MPa。顺河流向最大位移发生在1/3-1/2高度处，为5.2mm。

特殊组合最大压应力出现在坝肩拱下部靠近上游侧，为3.06MPa；最大拉应力出现在坝肩拱上部靠近下游侧，为-1.07MPa。顺河流向最大位移发生在1/3-1/2高度处，为5.1mm。

经有限元分析，拱坝右坝肩与茅草铺组第二段第二层T1m2-2泥岩接触处，未出现明显的变形突变，同时，T1m2-2泥岩并未出现大面积塑性贯通区，说明坝肩拱起到了良好的传力作用，将坝体右岸拱端推力通过坝肩拱分别传递至上部T1m2-3白云质灰岩及下部T1m2-1灰岩。

5 稳定分析

在拱坝坝肩稳定计算中截取单位高度的坝体及岩体，在拱端的推力下，核算坝肩岩体的平面稳定，拱坝的稳定计算采取“刚体极限平衡法”计算拱坝的分层稳定。坝肩力系由程序ADASO提供，该工程静力计算共计算了四种工况，即三种基本组合、一种特殊组合。

表1 坝肩抗滑稳定安全系数表

根据计算结果[3]，左岸基本工况最小安全系数分别为3.29，特殊工况最小安全系数为3.4，均分别大于规范要求3.25、2.75，满足规范要求。

6 结 语

观音水库拱坝右坝肩基础通过设置坝肩拱处理后，将拱端推力通过坝肩拱分别传递至上部T1m2-3白云质灰岩及下部T1m2-1灰岩，避开了T1m2-2泥岩，使得拱坝方案成立。