八一橋水庫拱壩安全分析

摘要：文章結合八一橋水庫對砌石拱壩的地質條件、壩體應力、壩肩穩定等方面進行綜合分析，以評價砌石拱壩的安全狀況。

關鍵詞：砌石拱壩；壩體應力；壩肩穩定

中圖分類號：TV642.4文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0146-03

八一橋水庫壩址位于龍潭河與同樂河交匯處上游100 m龍潭河干流上，初設庫容1 126萬m3，最大壩高44.8 m，為一變圓心、變截面、變半徑的砌石拱壩，左岸布置有長約210 m的岸邊溢洪道。八一水庫于1969年底開工建設，至1973年基本完成，至今已有三十余年。由于種種原因，溢洪道未按設計方案修建閘門，水庫長期低于設計蓄水位運行。業主重慶市川東電力集團青煙洞發電廠為了發揮更大效益，欲增高蓄水位，鑒于八一橋拱壩已經運行多年，需對壩體應力進行分析評價，以便合理調度水庫。

1基本概況

藺市河位于涪陵區西部，長江南岸，源起南川市，經涪陵區于另市鎮注入長江，其上游為龍潭河，流至八一橋處與同樂河匯合，以下流至兩匯口與油江河匯合，流域面積為934.7 km2。多年平均年降雨量1 201.7 mm，多年平均氣溫18.1℃。

壩址河底高程約為596 m，右岸山頂高程650 m，左岸山頂高程為637 m。河底是裸露的砂巖石灘，左岸630 m以下為厚層砂巖夾泥巖，以上為風化砂巖、泥巖及土層；右岸624.4 m以下為厚層砂巖夾泥巖，以上為厚度大于16 m的強風化砂巖層，基巖物理力學指標如表1所示。

八一大壩為砌石拱壩，為一變圓心、變截面、變半徑的砌石拱壩，壩頂高程637 m，最大壩高44.8 m，壩頂寬度1.5 m，壩底寬8.6 m，拱冠梁處下游面直立，壩體主要采用100＃漿砌條石砌筑，拱壩體形參數如表2所示。壩體正常蓄水位635 m（設計值），設計洪水為50年一遇，洪水流量552 m3/s，相應水位635 m；校核洪水為200年一遇，洪水流量759 m3/s，相應水位636.82 m。

2計算分析

2.1壩體應力分析

壩體應力分析計算采用TRIL—F拱梁分載法拱壩應力分析程序。

2.1.1荷載及荷載組合

作用荷載主要有靜水壓力、水平泥沙壓力、壩體自重、溫度荷載、地震荷載（本地區地震烈度為VI度，故不計地震力）。考慮到八一水庫水位沒有蓄到設計的635 m水位，由于淹沒的影響，今后也不可能可能加高蓄水至635 m，所以水庫大壩蓄水能力復核時計算沒有考慮正常蓄水位為635時特殊荷載組合的工況。水位635 m可作正常蓄水位633 m的校核洪水位的參考。荷載組合見表3。

2.1.2應力計算及成果分析

計算采用參數包括以下內容。壩前泥沙淤積高程：602 m；泥沙浮容重：0.72 t/m3，內摩擦角：12°；水庫設計正常蓄水位：635 m；設計洪水位：635 m；校核洪水位：636.82m；實際運行正常蓄水位：632 m；死水位：605 m；砌石線膨脹系數：8×10-6/℃；砌石泊松比：0.25；壩體彈模：618 m以下6 000 MPa，618 m以上8 000 MPa；基巖變形模量：砂巖5 000 MPa，粉砂質泥巖1500 MPa；壩體封拱溫度：15°。

八一橋砌石拱壩618 m以下采用箱型結構即上下游為漿砌條石并沿弧向每10 m順徑向設漿砌條石隔離墻，中間用100 #塊石混凝土填箱；618 m以上全部為100 #漿砌條石。因此八一橋拱壩主體為砌石，并以618 m高程為界進行材料分區即618 m以下以混凝土為主，以上為砌石，按均質壩進行分析。

根據國家地震局1990年1/400萬地震區劃圖，本工程場地地震基本烈度為Ⅵ度。應力表4 拱壩壩體應力成果表計算成果及分析。

由表4可以看出壩體拉應力高達2.35 MPa，遠遠超出規范要求，最大壓應力3.23 MPa滿足設計要求。八一水庫大壩修建已經36年，修建時沒有具體的規范標準，拱壩設計主要參考已建工程，根據資料，在設計之初的壩體應力遠遠超出現行規范。但到目前為止壩體并沒有出現大的問題，拉應力最大的拱冠梁底部并未發生拉裂、滲漏現象。究其原因應為砌石壩壩體應力發生再調整的性能比混凝土壩大，導致拉應力值降低甚至消除，使應力趨于均化，或受拉區不致擴展。同時獨特的箱型結構對應力的重新分布也起了一定的作用。通過對拱壩應力分布進行分析，拉應力超標主要局限于上游拱冠梁底部較小的范圍內，上游拉應力雖然超標，但并偉破壞壩體內部的箱型結構，因此壩體并未除險明顯的問題。雖然八一橋砌石拱壩應力不滿足現行規范要求，但可以肯定原設計壩型是非常先進的。鑒于砌石拱壩的自我調整能力，八一橋砌石拱壩真實應力用材料力學法難以準確反映，應以有限元進行分析，但拱梁分載法應力分析也可作為的參考。

2.2壩肩整體抗滑穩定分析

八一橋大壩為岸邊溢洪的砌石拱壩，左右兩岸均修建重力墩。溢洪道位于左岸緊靠左壩肩。考慮到八一橋大壩右岸滲、漏水較嚴重，左岸由于溢洪道開挖削弱壩肩巖石抗體，所以兩岸壩肩的穩定也是本次復核工作重點。

八一橋大壩為Ⅲ等3級工程，按照《砌石壩設計規范》SL25-2006規定壩體抗滑穩定應按抗剪斷強度公式或抗剪強度公式計算壩基面的抗滑穩定安全系數。重力墩抗滑穩定安全系數應不小于表5所示參數。

2.2.1控制壩肩穩定的因素

拱壩對壩肩巖體作用力的大小和方向是影響壩肩穩定的控制性因素。壩肩滑動塊體的滑動力，主要是拱端推力和水庫蓄水后滲入層面的滲透壓力。另外，水庫蓄水后的庫水壓力直接作用于壩肩巖體的上游拉裂面上，亦增加了巖體的下滑力。本工程壩址區地層巖性為砂泥巖互層。層間裂隙構成主要的控制性結構面，亦是影響壩肩巖體穩定的一個因素。

2.2.2壩肩抗滑穩定計算模型

采用剛體極限平衡法，按抗剪斷公式對左、右壩肩進行整體穩定復核計算。經對地質條件分析，左、右壩肩計算模型為：沿壩肩重力墩底部和基巖基礎接觸面為底滑面，左壩肩兩側及后側臨空，不考慮重力墩后巨風化巖石的作用。右壩肩后側臨空，側滑面為與基巖接觸面。

2.2.3抗滑穩定計算

①巖體和結構面物理力學參數取值。根據地質建議值，砂巖底滑面f=0.55，側滑面f＝0.45。

②滑移體作用荷載。滑移體作用荷載為拱端推力+滲透壓力等。

根據《混凝土拱壩設計規范》（SL 282-2003）拱壩壩肩抗滑穩定分析采用剛體極限平衡法時，按下列公式計算：K=。

式中：K為抗滑穩定安全系數；N為垂直于滑裂面的作用力；T為沿滑裂面的作用力； f2為抗剪摩擦系數。

重力墩抗滑穩定按下式計算：K2=

式中：H為拱端法向力；V為拱端剪力；P為作用于重力墩上的水壓力。

重力墩抗滑穩定安全系數計算成果如表6所示。

計算結果表明，右岸壩肩抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，左壩肩抗滑穩定不滿足規范要求。考慮到水庫建成時間較長，兩壩肩長期漏水，庫水對兩岸巖體浸泡和軟化，右壩肩穩定雖然滿足規范要求，但經過了解右壩肩曾進行挖除巨風化巖石用混凝土回填處理，但目前沒有圖紙和資料可供分析。因此壩肩繞壩滲漏問題，壩肩裂隙、連通等情況實際情況可能比地質鉆探揭示的要復雜，出于安全考慮應對右壩肩進行帷幕灌漿封閉漏水通道，并進行固結灌漿充填通道增強壩肩整體性。需要說明的八一橋大壩建成以來沒有經歷過大于50年一遇的洪水的檢驗，這也是雖然計算表明偶然工況左壩肩抗滑穩定系數低于1.0，但目前大壩仍然屹立的原因。鑒于沒有變形、位移觀測資料，不能判斷壩肩是否變形，因此應盡早對左壩肩進行加固處理。

3結語

經過多方案分析比較，壩體應力和左壩肩抗滑穩定不滿足現行規范要求。同時八一橋水庫設計、施工時間較早，部分地質、溫度等計算參數無法準確取值，且由于其已經運行30多年，壩體老化，壩體力學參數也不易明確，出于安全考慮，應對大壩進行除險加固，在加固完成，水庫正常蓄水位不宜超過632 m，同時注意壩肩的滲漏、變形等問題，出現問題應及時加固處理。

參考文獻：

[1] 朱伯芳，高季章，陳祖煜，等.拱壩設計與研究[M].北京: 中國水利水電出版社，2002.

[2] SL25-2006，砌石壩設計規范[S].