龍潭水庫漿砌石空腹重力壩結構安全分析評價

段 飛

(福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ，福建 漳州 363000)

龍潭水庫漿砌石空腹重力壩結構安全分析評價

段 飛

(福建省漳州市水利水電勘測設計研究院 ，福建 漳州 363000)

龍潭水庫位于福建省詔安縣東溪流域干流的中、下游結合部，控制流域面積722.0km2，是東溪流域干流最末一級開發的中型水利樞紐工程。文章通過對龍潭水庫漿砌石空腹重力壩的抗滑穩定、應力及變形三方面的計算分析，為空腹重力壩的結構穩定作出評定依據，并對重力壩的結構安全進行了綜合評價，同時為同類壩的結構安全評價作出參考。

漿砌石空腹重力壩；變形分析；應力分析；抗滑穩定

0 前 言

空腹重力壩是在重力壩體內沿軸方向布置縱向空腹的一種新壩型。其特點是壩體空腔對減少壩基揚壓力及改善壩基應力有利，且較實體重力壩節省了原材料，從而大大降低了工程投資。文章以龍潭水庫大壩中部溢流壩段為例，根據《砌石壩設計規范》、《水庫大壩安全評價導則》，并參照《混凝土重力壩設計規范》，主要從抗滑穩定、應力、變形等三方面的計算分析，對空腹重力壩結構安全作出評價。文章采用水工結構有限元分析軟件Autostable和Autobank進行計算。

1 工程概況

龍潭水庫位于福建省詔安縣東溪流域干流的中、下游結合部，控制流域面積722.0km2，是東溪流域干流最末一級開發的中型水利樞紐工程。龍潭水庫大壩為漿砌石空腹重力壩，壩頂高程42.5m，最大壩高48.5m，壩頂長238m，壩頂寬度5m。中部為溢流壩段，兩岸為非溢流壩段。中部溢流壩段長73m，設5孔12m×10m溢流表孔，堰頂高程31.5m，溢流段設有大空腹，最大底寬12.4m，最大高度11.5m，空腹長72.8m，壩內設有灌漿排水廊道。龍潭水庫大壩已運行10多年，目前運行良好。

2 計算工況及參數

2.1 計算工況

按照《砌石壩設計規范》SL25-2006規定，荷載組合按基本組合和特殊組合二種情況共4種工況進行結構計算，由于目前Autobank軟件應力分析尚未加入地震力。因此，文章中暫不進行地震工況下的應力分析，大壩抗滑穩定計算計入地震工況[1]。各計算工況組合見表1。

表1 大壩結構計算工況

注：空腹內水深約0.5m

2.2 計算參數

本工程砌石體允許最大壓應力：壩體膠結材料C10混凝土，砌石采用600號毛石，按《砌石壩設計規范》SL25-2006附錄A中表A.0.7取值，基本荷載允許壓應力3.1MPa，特殊荷載允許壓應力3.7MPa。前腿膠結材料C15混凝土，砌石采用600號毛石，按表A.0.7取值，基本荷載允許壓應力4.1MPa，特殊荷載允許壓應力4.8MPa。

地基允許承載力：根據地質，龍潭水庫大壩壩基位于弱風化花崗巖上，其承載力為3500kPa。

壩體材料其余參數詳見表2。

表2 壩體材料參數表

3 穩定計算

3.1 計算方法

重力壩抗滑穩定采用Autostable軟件，根據現狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點，上游取至x=-7.05m，下游取至x=86.2m；y方向取整個溢流壩段為一個壩段，長度72.8m，基巖深度及寬度均取約1倍壩高。軟件按抗剪斷公式計算，依據地質提供參數，中部溢流壩段抗剪斷摩擦系數f′=1.1，c′=1.15。大壩設防烈度7度，地震動峰值加速度為0.15g。

3.2 穩定計算成果與分析

校工況大壩抗滑穩定計算簡圖見圖1。

圖1 校核工況大壩抗滑穩定計算簡圖

部位作用組合計算工況抗剪斷穩定安全系數規范最小安全系數最大溢流壩段基本組合特殊組合工況①3 185工況②3 036工況③3 195工況④2 6993 002 502 30

以上計算結果表明：各工況下大壩抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，且在地震工況下，抗震穩定安全系數也滿足規范要求。從圖1可知，龍潭水庫溢流壩空腹的設置降低了空腹處的揚壓力，且在空腹上游設置了灌漿排水廊道，對揚壓力進行了有效折減，從而提高了大壩整體抗滑穩定性[2]。

4 應力變形分析

4.1 計算模型

應力變形分析采用Autobank軟件，根據現狀溢流壩最大斷面進行建模。x方向以溢流壩頂最高點為零點，上游取至x=-7.05m，下游取至x=86.2m；y方向取整個溢流壩段為一個壩段，長度72.8m，基巖深度及寬度均取約1倍壩高。約束條件為：側邊僅為水平位移約束，底板為全約束。單元數2143，節點2236個，邊界數303。

4.2 應力計算成果與分析

校洪洪水位工況主應力等值線圖見圖2。

圖2 校核洪水位工況主應力等值線圖

在龍潭水庫溢流壩應力計算中，正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3種工況，荷載組合類似，僅庫水位與下游水位高程不同。因此，在以上各工況下，采用平面有限元法計算的應力分布規律一致：壩體大部分以壓應力為主，最大壓應力出現在壩趾處，在溢流壩壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側均出現了拉應力，最大拉應力出現在壩踵處；在壩趾和壩踵處有明顯的應力集中現象，最大應力值均出現在校核洪水位工況，應力分析具體如下：

1)上游壩面邊界應力。在各工況下，壩踵均出現拉應力，最大拉應力在壩踵角緣處約990kPa，隨著高程增加拉應力減小，最終在距壩基約1.8m高處減為零，并逐漸轉為壓應力，且壓應力值隨著壩高增加。

2)空腹周邊應力。在各工況下，空腹拱頂均出現拉應力，且最大值均位于拱頂偏上游處，但其應力值較小，約74.8-527kPa。空腹下游側均為壓應力區，壓應力值為1530-1910kPa。

3)壩體內部應力分量。①水平正應力σx：在各工況下，壩踵處均為拉應力，最大拉應力值為430kPa。②垂直正應力σy：在各工況下，前腿承擔了拱頂以上自重的大部分，自重壓應力較大，最大值為3450kPa，小于各組合情況砌石體允許最大壓應力值。③剪應力τxy：在各工況下，應力基本分布于前腿及后腿頂部，在后腿頂部靠腹拱處，出現較大剪應力，最大剪應力786kPa，剪應力往腹拱外側逐漸減小。

4)壩體內部主應力。從等值線圖可以看出，大主應力基本與壩體及空腹周邊平行，小主應力基本垂直于壩體及空腹周邊。大主應力均為壓應力，壩踵處壓應力值最小，壩趾處壓應力值最大，基本組合下最大壓應力值為3240kPa，小于砌石體允許最大壓應力3100kPa，特殊組合下最大壓應力值為3450kPa，小于砌石體允許最大壓應力3700kPa；小主應力在前腿下游底側和壩趾處為壓應力，在壩踵、空腹拱頂及后腿上游底側均出現拉應力，壩踵處拉應力較大，最大值為990kPa，拉應力的高度約為1.8m，拉應力區高度為5%壩高,拉應力水平拉區寬度約4m，小于壩踵至帷幕中心線的距離5.1m，拉區范圍滿足規范要求；空腹拱頂及后腿上游底側拉應力均較小[3]。

表2 溢流壩最大斷面應力成果表 kPa

4.3 變形分析

龍潭水庫大壩上共埋設位移標點11個，工作基點3個，校核基點3個。目前已運行10多年，自2004年完工時即進行大壩位移及沉降觀測，觀測資料較完整。通過對多年觀測資料的分析，其最大位移和沉陷值均出現在2014年7月30日。

根據位移觀測資料，溢流壩壩頂位移0.54cm，壩頂最大沉降量為0.5cm，大壩的沉降及位移均保持在較低的水平，均在規范規定的允許值范圍內，說明其變形已經穩定。

從平面有限元法分析得出的溢流壩變形規律可以看出，壩體的位移均傾向下游，最大位移位于溢流壩頂，位移值為0.53cm。與實測數據相差不大。

5 安全評價

龍潭水庫漿砌石空腹重力壩從抗滑穩定、應力及變形分析3個方面分別對溢流壩進行分析，在各工況下大壩抗滑及抗震穩定安全系數均滿足規范要求，溢流壩應力滿足規范要求，根據位移觀測資料及有限元分析得出的變形，溢流壩壩頂位移及沉降值很小，均在規范規定的允許值范圍內，其變形已經穩定。龍潭水庫溢流壩結構安全。

6 結 語

龍潭水庫漿砌塊石空腹重力壩的空腹，不僅為大壩節約了材料，又能有效減小揚壓力，使得壩體整體穩定性較好；溢流壩的拉應力區，主要發生在壩踵、空腹拱頂和后腿上游底側等處，壩踵處的應力控制標準為壩基面以上5%壩高(中壩)處不出現主拉應力，空腹拱頂和后腿上游底側周邊均澆筑有混凝土，利于增大以上部位允許拉應力。

[1]馬福恒，李永江，向衍，等．東方紅水庫漿砌石重力壩安全性態分析評價[J]．水電能源科學，2006，24(01)：22-25.

[2]解家畢，肖明.高巖水庫漿砌石空腹重力壩結構安全和穩定性校核[J]．長江科學院院報，2001，18(03)：21-24.

[3]梅可方.漿砌石空腹重力壩穩定計算與應力分析[J].四川水利，1989，10(06)：17-21.

1007-7596(2017)06-0154-04

2017-05-21

段飛(1984-)，女，甘肅蘭州人，工程師，從事水利水電工程設計工作。

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