錦凌水庫混凝土重力壩設計及其穩(wěn)定性計算分析

劉艷芬

(義縣水利勘測設計隊，遼寧 義縣 121100)

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錦凌水庫混凝土重力壩設計及其穩(wěn)定性計算分析

劉艷芬

(義縣水利勘測設計隊，遼寧 義縣 121100)

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，混凝土重力壩作為我國水利工程建設施工過程中的主要施工方式，在我國水利工程建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。文章針對深開挖、施工難度大等復雜條件下的水利壩體施工問題，結合錦凌水庫工程實際開挖加固情況，對混凝土重力壩施工段和基本剖面進行了設計，確定了設計變量、目標函數(shù)和控制條件，研究了不同荷載組合下的穩(wěn)定性分析和內(nèi)力計算，并對把體內(nèi)部的應力進行了計算。

混凝土壩體；重力壩；設計計算；穩(wěn)定性分析

0 引 言

近年來在我國水利工程建設施工過程中，為提高壩體工程的整體施工效果，爭取效益達到最大化，越來越多的工程項目將混凝土重力壩作為重要的施工方法[1]。然而，由于我國水利工程開挖深度、施工難度的不斷增大，水利壩體工程的穩(wěn)定性問題成為目前嚴重影響壩體安全施工和運行的關鍵問題[2]。

顧大釗，顏永國，張勇等參考借鑒地面水庫壩體抗震安全評價的相關研究，構建了煤礦地下水庫相似材料模型平臺，進行了不同烈度條件下的動力破壞試驗研究，并利用摩爾庫倫模型對壩體在地震作用下的動力響應進行了數(shù)值仿真，研究得到了壩體易受破壞的部位、破壞后的狀況和造成破壞的原因；侯新明，楊立魁，高昌珍等通過大量的研究計算工作，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過增設拌和樁位、增加壩坡的厚度、灌注混凝土等措施后，對壩體破壞狀況進行有效控制，增加壩體結構的穩(wěn)定性[3-5]。另外，楊曉松，劉海秋，張浩江、梁國峰等也對混凝土重力壩的設計和計算進行了研究，并取得了一定的研究成果。

文章通過分析以上研究成果，針對深開挖壩體穩(wěn)定性難以保證、施工難度大等難題，結合錦凌水庫工程實際開挖加固情況，設計了混凝土重力壩施工段和基本剖面情況，確定了設計變量、目標函數(shù)和控制條件，研究了不同荷載組合下的穩(wěn)定性分析和內(nèi)力計算，并對把體內(nèi)部的應力進行了計算，計算結果可為水庫混凝土重力壩的施工提供理論依據(jù)和技術保證，具有重要的工程意義和借鑒指導作用[6]。

1 混凝土重力壩段設計

根據(jù)相關規(guī)范和壩體周邊的地質(zhì)構造狀況，對壩體進行整體的合理規(guī)劃，以免造成不必要的資源浪費。

1.1 壩頂寬度的確定

根據(jù)工程總體布置要求，混凝土擋水壩段壩頂需設溢流壩檢修門庫，應滿足壩上門機的行走寬度要求，因此壩頂寬度為11.4m。

1.2 基本剖面設計

針對基本剖面進行優(yōu)化設計，采用《水利水電工程設計計算程序集》計算程序，通過確定基本參數(shù)，選擇合適的變數(shù)，前提條件符合有關的規(guī)劃要求，達到最佳設計效果。

1.2.1 設計變量

截面的上段、下段坡比，坡的起止點到絕對基面的距離假定作設計變數(shù)。即：X1為截面上段坡的起止點到絕對基面的距離，0；X2為截面上段坡的起止點到絕對基面的距離，53.77m；X3為大壩上段壩坡(m1)，0；X4為大壩下段壩坡(n1)，1∶1.8。

每個變量綜合考慮了外觀、施工條件及結構等要求。

1.2.2 目標函數(shù)

(1)

式中：n為計算剖面劃分總數(shù)；A(Xi)為某剖面面積；Li為兩剖面之間的間距。

針對目標函數(shù)，求解出變量，其變量分別形成的擋水壩段剖面，每個變量均應滿足約束條件并使其面積為最小。

1.2.3 控制條件

1.2.3.1 抗滑穩(wěn)定計算

抗剪斷強度公式：

(2)

式中：∑W為作用在滑動面上的壩體全部荷載的法向分力(包括揚壓力)；∑P為作用在滑動面上的壩體全部荷載的切向分力(包括揚壓力)；f′為抗剪斷摩擦系數(shù)(壩體混凝土與壩基接觸面)，取值為0.75；K′為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(按抗剪斷強度計算)；c′抗剪斷凝聚力(壩體混凝土與壩基接觸面)Mpa，取值為0.65。

1.2.3.2 應力約束

壩趾以及壩踵的垂直正應力應符合：

(3)

壩體上游面最小主應力應符合：

(4)

1.2.3.3 幾何約束

Aj≤Xj≤Bj,j=1,2,3,…n

(5)

式中：Xj為設計變量；Aj為第j個設計變量的下限；Bj為第j個設計變量的上限。采用復合形法求解，優(yōu)化成果如表1所示。

表1 優(yōu)化計算成果表

經(jīng)優(yōu)化后，壩體主要幾何特征值見表2。

表2 優(yōu)化剖面特征值表

2 壩體穩(wěn)定以及應力計算

2.1 荷載組合

穩(wěn)定及壩基應力計算的工況荷載組合見表3。

2.2 設計表達式

1)抗滑穩(wěn)定計算公式：

(6)

式中：A為壩基面截面積；f′為抗剪斷摩擦系數(shù)，取值為0.75；K′為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(按剪斷強度計算)；∑W為作用在滑動平面的全部荷載法向分力(作用于壩體上)，kN；C′抗剪斷凝集力較小值，取值為0.65MPa；∑P作用在滑動平面的全部荷載切向分力(作用于壩體上的)，kN。

2)壩基面應力計算公式：

(7)

式中：X為距離(形心軸與壩基面截面上計算點)，m；A為面積，m2；σy為垂直應力(壩踵、壩趾)，kPa；J為慣性矩，m4；∑M為全部荷載對滑動平面形心力矩(作用于壩體上)，kN·m；∑W作用在滑動平面上全部荷載的法向分力(作用于壩體上)，kN。

表3 不同工況情況下荷載組合表

表4 擋水壩段抗滑穩(wěn)定及壩基面應力計算結果

以上步驟可得，下游面與壩基間的接觸線的壓力值不大于允許值，下游面與壩基間的接觸線上沒有拉力，壩基面最大垂直正應力為0.78MPa，滿足設計要求。

3 壩體內(nèi)部應力計算

上游面剪應力：

τu=(P-Puu-σyu)m1

(8)

下游面剪應力：

τu=(σyd-P′+Pud)m2

(9)

式中：m1為上游壩坡，0；m2為下游壩坡，0.7；Pud為揚水壓力強度(下游壩面處)；Puu為揚水壓力強度(上游壩面處)；P′為水壓力強度(下游壩面處)如有泥沙壓力時，應計入在內(nèi)；P為水壓力強度(上游壩面處)，如有泥沙壓力時，應計入在內(nèi)。

上游面水平正應力：

σxu=(P-Puu)-(P-Puu-σyu)m12

(10)

下游面水平正應力：

σxd=(P′-Pud)+(σyd-P′+Pud)m22

(11)

上游面主應力：

σ1u=(1+m12)σyu-m12(P-Puu)

σ2u=P-Puu

(12)

下游面主應力：

σ1d=(1+m22)σyd-m22(P′-Pud)

σ2u=P′-Pud

(13)

正應力：

σy=a+b×x

(14)

剪應力：

τ=a1+b1×x+c1×x2

a1=τxi

(15)

水平應力：

σx=a2+b2×x+c2×x2+d2×x3

a2=τxxi

(16)

計算結果如表5所示。

表5 擋水壩段壩體內(nèi)部應力計算結果

表5 擋水壩段壩體內(nèi)部應力計算結果 續(xù)表

由以上計算結果可知，正常蓄水位情況下壩體最大主壓應力出現(xiàn)在壩址附近時比混凝土壓應力值小，壓應力值0.65MPa，壩體最大拉應力小于容許拉應力；施工期壩址附近出現(xiàn)比混凝土壓應力小的最大主壓應力，其數(shù)值為0.7MPa，大壩上的拉力值最大是0.045MPa，結果合理，符合規(guī)范要求。

4 結 論

混凝土重力壩作為我國水利工程建設施工過程中的主要施工方式，不僅提高了壩體工程的整體施工效果，而且使效益達到最大化。所以，對于深開挖、施工難度大的壩體開挖工程，研究混凝土重力壩體穩(wěn)定性尤為重要[7]。文章針對深開挖壩體穩(wěn)定性難以保證、施工難度大等難題，結合錦凌水庫工程實際開挖加固情況，對混凝土重力壩施工段和基本剖面進行了設計，確定了設計變量、目標函數(shù)和控制條件，研究了不同荷載組合下的穩(wěn)定性分析和內(nèi)力計算，并對把體內(nèi)部的應力進行了計算。經(jīng)過驗證，最大主應力和容許應力滿足設計要求，計算結果可為水庫混凝土重力壩的施工提供理論依據(jù)和借鑒，指導同類水利工程安全開挖施工[8]。

[1]蘇培芳.碾壓混凝土重力壩安全度評價方法研究[J].人民長江,2012,43(02) :78-82.

[2]陳曦，張訓維，陳佳林.水位波動下非飽和心墻土壩體的滲流和穩(wěn)定性[J].巖土力學, 2015, 36(01):609-614.

[3]顧大釗，顏永國，張勇.煤礦地下水庫煤柱動力響應與穩(wěn)定性分析[J].煤炭學報，2016,41 (07):1589-1597.

[4]侯新明，楊立魁 ，高昌珍.河南省邵溝水庫除險加固工程設計[J].人民長江,2014,45(01)：117-119.

[5]王春山，周洪福，聶德新.茨哈峽水電站3#變形體特征及穩(wěn)定性分析[J].人民黃河, 2015,37 (08):34-37.

[6]楊曉松.水利工程碾壓混凝土壩壩體穩(wěn)定分析和計算[J].水利科技與經(jīng)濟,2014 ,20(02):68-70.

[7]劉海秋.高碾壓混凝土重力壩防滲結構型式研究[J].工程科技,2015,34(10):27-34.

[8]張浩江，梁國峰.淺析碾壓混凝土重力壩的抗?jié)B性能和防滲措施[J].水利科技,2013(36):189-190.

1007-7596(2017)01-0046-03

2017-01-12

劉艷芬(1973-)，女，遼寧義縣人，工程師，負責水利工程設計工作。

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