抗滑穩定系數法及材料力學法在楓坑水庫安全復核中的應用

李如潔,周定安,劉兆鋒

(溫州宏源水電建設有限公司,浙江溫州 325000)

1 概 況

楓坑水庫位于浙江省義烏市赤岸鎮張田畈村上游200 m處,壩址以上集雨面積17.0 k m2,距義烏市30 k m,距赤岸鎮8 k m,對外交通主要以公路運輸為主,目前有四級公路(毛永公路)直通壩址,對外交通便利。

水庫樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、輸水涵管及發電站組成。除險加固前總庫容286萬m3。大壩為黏土心墻壩,壩高約33 m,壩頂長約161m,壩頂寬4m,壩頂高程159.30 m,正常蓄水位為155.45 m,相應庫容為229萬m3,大壩右岸131.85～130.66 m處埋有條石砌筑的壓力拱涵,涵管總長145m,拱涵寬1.1 m,高1.15 m,發電輸水隧洞進口底高程136.15 m,洞長137 m,襯后洞徑1.5 m。

溢洪道位于右岸壩頭,由側槽段、調整段、泄槽段、挑流鼻坎以及沖刷坑、出水渠等組成。側堰長度55m,堰面采用WE S型曲線,堰頂高程為186.0 m,堰體采用C25W6F 50鋼筋混凝土,堰體分縫處設有止水銅片,堰體基礎進行固結灌漿和帷幕灌漿。帷幕右岸延伸到正常蓄水位與相對不透水層相交處,并與大壩右壩頭防滲帷幕相邊接。

側槽底寬 8～12 m,底高程 181.0～180.5 m,內坡1∶0.5。側槽末端接長為26 m的調整段,矩形斷面底寬12 m,底高程180.5 m;并在其上架設了一座寬6 m的交通橋,橋面高程189.3 m。泄槽段水平投影長度72 m,坡度 1∶1.8,矩形斷面底寬12 m。泄槽末端接挑流鼻坎,鼻坎高程139.84m,反弧半徑10.0 m,挑射角 20°,采用挑流消能,最大挑距86.0 m。挑流鼻坎下游設預挖沖刷坑、出水渠和下游楓坑溪相接。側堰、泄槽底板和導墻、挑流鼻坎等基礎均位于弱風化至微風化基巖上。溢洪道基礎要求置于弱風化基巖上。

2 安全復核的必要性

2008年浙江省義烏市遭遇了超100 a一遇的洪水,超過防洪設防標準,洪水漫過堤頂泄入城區。洪水期間發現防洪堤后有管涌、人行道路面磚變位起拱等現象。為了進一步了解楓坑水庫溢流堰在經歷了超標準洪水運行后的安全性,更好的為義烏市赤岸鎮防洪決策提供科學依據,確保楓坑水庫安全運行,確保赤岸鎮人民的生命財產安全,開展了此水庫溢洪道安全復核論證的工作。

3 安全復核

3.1 溢流壩抗滑穩定復核

根據水利部《水利水電工程等級劃分及洪水標準》S L 252 -2004及《防洪標準》G B 50201-94的規定,楓坑水庫的洪水標準為 50～100 a一遇設計,500～1000 a一遇較核。該水庫原設計洪水標準為100 a一遇設計,1000 a一遇較核。應水庫管理部門的要求,本次大壩安全鑒定,對以上 4種頻率的洪水情況下的大壩安全分別進行復核,水位泄量見表1。

3.1.1 基本荷載

①壩體自重(包括上部永久設備重);②正常蓄水位或設計洪水位情況下的壩體上下游面的靜水壓力;③相應于正常蓄水位或設計洪水位時的揚壓力;④泥沙壓力;⑤相應于正常蓄水位或設計洪水位時的浪壓力;⑥設計洪水時的動水壓力[1]。

表1 水位泄量數據表

3.1.2 溢流壩抗滑穩定安全系數

本次復核采用的抗滑穩定安全系數按規定取值見表 2。

壩體穩定計算分別按《規范》中的抗剪斷強度計算公式和抗剪強度計算公式進行,即[2]

式中:K′為按抗剪斷計算抗滑穩定安全系數;f′為滑裂面上的抗剪斷摩擦系數;c′為滑裂面上的抗剪斷面凝聚力,k P a;A為滑裂動面截面積,m2;W為作用于計算截面以上壩體全部荷載(含揚壓力)對滑裂面的法向分值,k N;∑P為作用于計算截面以上壩體全部荷載(含揚壓力)對滑裂面的切向分值, k N;K為按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數;f為滑裂面上的摩擦系數。

表2 抗滑穩定安全系數表

3.1.3 計算結果

生物菌肥對鹽堿地燕麥生理特性及土壤速效養分的影響……………………………………………… 黃鋮程，劉景輝，楊彥明（57）

經過計算得出結果見表3、4,即滲壓折減系數 α=1,α= 0.45。

3.2 溢流壩應力計算——材料力學法

溢流壩應力復核采用的計算模型及邊界條件同穩定計算。壩基揚壓力分別按滲壓系數α=0.65、α=1.0和α= 0.45考慮,壩體內部揚壓力,根據《規范》規定,在上游壩面處為計算截面以上的上游水位H′,在下游壩面處為計算截面以上的下游水深H2′,在壩體排水管線上為 H2′+α3(H1′-H2′),取α=0.45。針對不同的計算工況、計算斷面和不同的滲壓圖形以及計入揚壓力和不計入揚壓力等組合。

表3 抗滑穩定安全系數表(滲壓折減系數α=1)

表4 抗滑穩定安全系數表(滲壓折減系數α=0.45)

《規范》S L 25-2006規定:壩體應力計算時,壩體應力計算采用材料力學法為基本分析方法。當壩體設置混凝土防滲面板時,也可考慮壩體一個方向異性,按分層異彈模方法分析[3]。

壩體應力的計算主要的是壩基面和折坡處截面的上、下游面應力。對于中、低壩可只計算壩面應力。

3.2.1 壩體的抗壓強度安全系數的要求

1)在基本荷載組合時,應≥3.5。

2)在特殊荷載組合時,應≥3.0。

1)在各種荷載(地震荷載除外)組合下,壩基面垂直正應力應小于砌石體容許壓應力和地基容許承載力。

2)壩基面最小垂直正應力應為壓應力。

3)壩體最大主壓應力應小于砌體容許壓應力。

4)壩體內一般不得出現拉應力。溢流堰頂、廊道和孔洞周邊除外,當這些部位出現拉應力時,應采用鋼筋混凝土結構。

5)需進行抗震設計的壩體,應符合《水工建筑物抗震設計規范》S L 203-97的規定。

3.2.3 計算方法、公式

根據《規范》S L 25-2006的以上規定,在進行楓坑水庫安全評價復核計算時,分別采用以下兩種計算方法進行復核。

1)視漿砌石壩體壩體為各向同性的均質體。

2)考慮壩體分層異彈模特性,按折算斷面轉化為均質體計算。

由于規范附錄中的公式是針對混凝土防滲面板的情況,根據本工程為心墻的實際,考慮分層異彈模特性,用材料力學法計算砌石壩體壩體應力的原理與方法。

計算公式為:

式中:Ec為混凝土彈性模量;Es為壩體漿砌石彈性模量。折算面積:

折算面積形心距上游面距離

形心距下游面距離:折算截面慣性矩:

3)壩面應力

上游面垂直正應力:

下游面垂直正應力:

上游面主應力:

下游面主應力:

3.2.4 計算結果

計算結果見表 5。

4 結 論

由表 3看出,當揚壓力按《規范》中的直線分布,即滲壓折減系數取 1.0計算時,抗剪斷安全系數在正常蓄水位工況下除16.0 m高程外全部滿足《規范》要求。抗剪強度安全系數全部不滿足規范要求。

表5 溢流壩段19.5m高程截面應力計算成果表(滲壓系數α=0.45) k P a

由表 4看出,當揚壓力按滲壓折減系數 0.45計算時,抗剪斷安全系數全部滿足《規范》要求。抗剪強度安全系數1000 a一遇校核洪水情況下,32.0 m高程及墊層混凝土與壩體(即16.5m高程和19.5m高程)接觸面的安全系數都不滿足要求。

由表 5看出,應力分析分別采用了材料力學法,在各個計算斷面的上游壩面處,計及揚壓力作用時,上游邊緣處的正應力及主應力在1000 a一遇校核洪水位時均出現拉應力,在α=0.45時,壩踵處有較大的拉應力產生。計算都得出在溢流壩上游壩踵處產生拉應力,不滿足規范要求,因此,壩體應力不安全。

根據對壩體的穩定分析結果,以及用抗滑穩定復核和材料力學法復核兩種方法進行的分析成果來看。楓坑水庫溢流壩段整體不穩定,應力不滿足規范要求,需要進行加固處理。

[1] 龐潔.梧州市河東防洪堤安全復核及工程加固設計[J].企業科學與發展,2009(18):179-182.

[2] 韓勃,劉曉青 .基于有限元的萬家寨混凝土重力壩安全復核[J].人民黃河,2009,31(5):116-117.

[3] 吳文彬,徐培.陽西茅垌水庫土壩結構安全復核[J].廣東水利水電,2007(1):42-44.