绿堰滩水库大坝除险加固抗滑稳定与应力计算

2023-09-12刘会琦

陕西水利 2023年9期

王华，刘会琦

( 黔西市水务局,贵州黔西 551500 )

1 工程概况

绿堰滩水库位于黔西县中坪镇吉丰村境内,水库所在河流属长江流域乌江水系野济河左岸一级支流野马小河。绿堰滩水库为小（2）型水利工程,总库容10.60万m3。大坝为浆砌石重力坝,除险加固后最大坝高21.50 m,坝轴线长53 m,坝顶宽3.0 m,工程等别为Ⅴ等,主要建筑物级别为5级。迎水面为1.50 m厚浆砌石直墙,直墙后为50 cm厚的C25现浇砼防渗墙,防渗墙下游侧为砼埋块石砌筑,顶部为水平溢流宽顶堰,下游溢流坝面经坡比1∶0.78斜坡后接中部反弧挑流段,挑流鼻坎高程为1066.41 m,反弧段半径为5 m,溢流面及反弧段采用厚20 cm的C25 砼护面。除险加固设计洪水标准为20年（P=5%）一遇,设计洪水位1078.61 m,相应下游水位为1064.49 m；校核洪水标准为200年（P=0.5%）一遇,校核洪水位1079.14 m,相应下游水位为1064.91 m；正常蓄水位为1077.00 m,相应下游无水位。坝基高程为1058.00 m。本文选取该大坝一处溢流坝段与非溢流坝段计算其抗滑稳定安全系数、坝踵与坝趾应力值,以评价坝体结构安全性,为水库除险加固设计施工提供指导。所选取的非溢流坝段与溢流坝段结构示意图见图1～图2。

图1 非溢流坝段结构示意图

图2 溢流坝段结构示意图

2 抗滑稳定计算

2.1 计算工况

根据《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）的规定,考虑坝体工作情况以及可能遇到的最不利情况,拟定计算工况为：基本工况1：正常水位静水压力+扬压力+泥沙压力+土压力；基本工况2：设计洪水位静水压力+扬压力+泥沙压力+土压力；特殊工况：校核洪水位静水压力+扬压力+泥沙压力+土压力。

2.2 计算原则

采用剪切摩擦公式计算抗滑稳定安全系数,基本工况时,在各种荷载组合下,抗滑稳定安全系数均不小于规范规定值[k]=1.05；特殊工况时,在各种荷载组合下,抗滑稳定安全系数均不小于规范规定值[k]=1.0。采用抗剪断摩擦公式计算抗滑稳定安全系数,基本工况时,在各种荷载组合下,抗滑稳定安全系数均不小于规范规定值[k]=3；特殊工况时,在各种荷载组合下,抗滑稳定安全系数均不小于规范规定值[k]=2.5。

绿堰滩水库大坝为浆砌石重力坝,最大坝高为21.50 m,最大库容10.60万m3,工程规模小,抗滑稳定安全系数计算先采用剪切摩擦公式计算,若计算满足抗滑稳定要求,然后再采用抗剪断摩擦公式进行复核,若采用抗剪断摩擦公式复核后大坝满足抗滑稳定要求,则最终评价大坝满足抗滑稳定要求。若采用抗剪断摩擦公式复核后,大坝不满足抗滑稳定要求,则评价大坝不满足稳定要求。若采用剪切摩擦公式计算大坝不满足抗滑稳定要求,则不再采用抗剪断摩擦公式再次复核,此时可评价大坝为不安全。故本次大坝抗滑稳定计算方法采用剪切摩擦公式和抗剪断摩擦公式联合进行计算。

2.3 非溢流坝段抗滑稳定计算

浆砌石重力坝抗滑稳定安全系数先采用剪切摩擦公式计算,根据《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）,计算公式为[1]:

式中：K为按剪切摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体垫层混凝土与坝基接触面的剪切摩擦系数,本文取0.5；∑W为大坝全部荷载对滑动面的法向分力值,kN；∑P为作用于坝段上全部荷载对滑动面的切向分值,kN。

坝体主要受包括静水压力、坝体自重、泥沙压力和扬压力等作用,其中浪压力较小,可不考虑。扬压力折减系数为0.5,静水压力和泥沙压力分别采用以下计算公式：

式中：P为计算点处的静水压强,kN/m2；γ为水的重度,取9.8 kN/m3；H为计算点作用水头,m。

式中：Psk为泥沙压力,kN/m；γsb为泥沙浮容重,取14 kN/m3,γsb=γsd-（1-n）·γ；γsd为泥沙干容重,取16.5 kN/m3；n为泥沙孔隙率,取0.46；hs为坝前泥沙淤积厚度,取1.5 m；φs为泥沙内摩擦角,取6°。

采用剪切摩擦公式计算各个工况下的抗滑稳定安全系数,计算结果见表1。

表1 剪切摩擦公式计算抗滑稳定结果表

表1所示,由剪切摩擦公式计算的各个工况下的抗滑稳定安全系数均符合要求,因此需要继续采用抗剪断摩擦公式进行复核,抗剪断摩擦公式如下[2]：

式中：K'为按抗剪断摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数； f'为坝体垫层混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,本文取0.25；c'为坝体垫层混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,本文取0.3 MPa。

经抗剪断摩擦公式计算各个工况下的抗滑稳定安全系数结果如下,基本工况1：抗滑稳定安全系数K'=3.25＞[k]=3.0,正常蓄水位时,大坝满足抗滑稳定要求；基本工况2：抗滑稳定安全系数K'=3.22＞[k]=3.0,设计洪水位时,大坝满足抗滑稳定要求；特殊工况时：抗滑稳定安全系数K'=3.11＞[k]=2.5,校核洪水位时,大坝满足抗滑稳定要求。

2.4 溢流坝段抗滑稳定计算

中部溢流坝段除上述作用力外,还承受动水压力、反弧段离心力等作用,其中反弧段水流离心力计算式为：

式中：Pcr为水流离心力压强代表值,N/m2；q为相应设计状况下反弧段上的单位宽流量,m3/（s·m）；v为反弧段最低点平均流速,m/s；R为反弧段半径,取5.0 m。

反弧段水流离心力的水平分力与垂直分力分别为：

根据大坝结构型式,各工况下游水位均低于反弧段高程,故校核水位和设计水位时需考虑反弧段动水压力作用,因此需按照工程实际情况对溢流坝段进行抗滑稳定分析计算。

除险加固后的溢流坝段堰顶高程为1077 m,挑流鼻坎高程为1066.41。正常水位工况下,上游水位等于堰顶高程,堰顶不会发生溢流,因此不需要考虑反弧段动水压力作用。设计与校核洪水位工况下,下游水位均低于挑流鼻坎高程,因此需要考虑反弧段动水压力作用。

采用两种抗滑稳定安全系数计算公式计算结果见表2。

表2 溢流坝段抗滑稳定计算结果表

经过对计算结果分析,本次除险加固后,该溢流坝段满足抗滑稳定要求,设计达到除险加固目的。

2.5 大坝抗滑稳定评价

分别采用剪切摩擦公式和抗剪断摩擦公式两种计算公式对一处非溢流坝段与一处溢流坝段的抗滑稳定进行计算和复核,且两种计算方法在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位三种工况下所得的抗滑稳定安全系数均大于规范规定值,因此该非溢流坝段与溢流坝段均满足抗滑稳定要求。

3 应力计算

3.1 计算方法

浆砌石重力坝应力按材料力学法计算,根据《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）,坝基面上、下游面垂直正应力计算公式如下[3]：

式中：σ为坝基面垂直应力,kPa；∑W为作用于坝段上或1 m坝长上全部荷载在坝基截面上法向力的总和,kN；∑M为作用于坝段上或1 m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和,kN·m；A为坝段或1 m坝长的坝基截面积,m2；x为坝基截面上计算点到形心轴的距离,m；J为坝段或者1 m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩,m4。

对坝体上、下游面应力计算时,计算公式分别如下:

式中：T为坝体计算截面上、下游方向宽度。

3.2 计算原则

绿堰滩水库大坝上下游面料石或砼预制块胶凝材料为M7.5水泥砂浆,胶凝材料标号强度在基本组合时为2.3 MPa,特殊组合时2.7 MPa。

采用材料力学法计算大坝坝基面垂直正应力,在各种工况下,坝基面最大垂直正应力应小于坝基承载力标准值[fk]=2.00 MPa,最小垂直正应力应大于0；对于坝体上、下游面应力而言,在正常水位与设计水位工况下,最大应力应小于坝体承载力标准值[fn]=2.3 MPa,在校核水位工况下,最大应力应小于坝体承载力标准值[fn]=2.7 MPa,在各种工况下,坝体不应出现拉应力。