和尚溝水電站大壩抗滑穩(wěn)定性分析

張彥文

（東港市水利事務服務中心，遼寧東港118300）

1 工程概況

和尚溝水電站屬于愛河梯級開發(fā)的重要規(guī)劃工程，壩址位于遼寧丹東鳳城市和尚溝村境內(nèi)的愛河上游干流上，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等綜合功能的小型徑流式水電站。該電站的裝機總容量2400kW，設計庫容1230萬m3，工程等別Ⅲ等，主要水工建筑物級別3級，設計洪水標準20年一遇，校核洪水標準100年一遇。和尚溝水電站項目所在地區(qū)屬于長白山系，區(qū)內(nèi)山脈多南北走向，由于受鴨綠江水系的強烈侵蝕作用，呈現(xiàn)出群峰聳立、山高谷深的地貌景觀。從地層巖性來看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆紀、三疊紀至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構成。項目區(qū)的地貌以高山峽谷地貌為主，輔以部分溶蝕地貌，為典型的峽谷性水庫。

和尚溝水電站工程主要由混凝土重力壩、泄洪建筑物、引水系統(tǒng)和電站廠房構成。水電站采用混凝土重力壩壩型，重力壩的最大壩高23.21m； 壩頂寬6m，坡比1∶0.7。本次研究以重力壩的5#壩段為研究對象，該壩段壩基高程227.13m，厚20m，從252.48m高程開始按1 ∶0.7 的坡比進行折坡。上游設計水位258.50m，下游對應水位236.62m。壩體內(nèi)部的廊道為城門型，寬3.0m，高3.5m，其中心線位于壩軸線的下游，距離壩軸線2.0m，底部高程119.02m。該壩段的迎水面和部分應力集中區(qū)域采用的C25混凝土澆筑，厚度2.5m，其余部位均為C15混凝土澆筑。

2 重力壩抗滑穩(wěn)定計算

2.1 計算公式

按照相關的工程設計和施工經(jīng)驗［1-2］，本次采用

式中 K′為抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)；f′大壩與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)； ∑W 為滑動面上壩體荷載的法向分量（kN）；U 為揚壓力大小；c′大壩與壩基接觸面抗剪斷凝聚力（kPa）；A為大壩與壩基接觸面積（m2）；∑P 為滑動面上壩體荷載的切向分量（kN）。

2.2 計算數(shù)據(jù)

根據(jù)SL319—2005 《混凝土重力壩設計規(guī)范》中的相關數(shù)據(jù)［3］，和尚溝水電站混凝土重力壩與基巖接觸面之間的力學參數(shù)如表1。抗剪斷公式進行抗滑穩(wěn)定性計算，計算如式（1）：

表1 大壩壩基巖體力學參數(shù)

根據(jù)壩址區(qū)地質情況和相關設計資料，大壩抗滑穩(wěn)定性計算所需基本資料的參考值如表2。

表2 抗滑穩(wěn)定性計算基本資料

2.3 計算結果

本次選取5#壩段進行計算，混凝土重力壩設計抗震烈度7°，在正常水位、設計水位、校核水位、冰凍情況、施工工況及地震工況等6種不同工況下，對大壩的抗滑穩(wěn)定性進行分析計算，結果如表3。

表3 大壩抗滑穩(wěn)定性計算結果

由表3可知，在6種計算工況下，壩踵部位豎直方向均未出現(xiàn)拉應力，符合設計規(guī)范要求；在施工工況下，壩趾豎直方向的拉應力33kPa，顯著小于100kPa的設計規(guī)范要求；各種工況下的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)均為5～7之間，而規(guī)范要求抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)必須大于3.0，因此大壩的抗滑穩(wěn)定性滿足設計要求。

3 和尚溝水電站大壩深層抗滑穩(wěn)定性分析

3.1 計算方法

對混凝土重力壩而言，如果大壩的壩體面臨軟弱結構層或不利傾角時，在上游水荷載的作用下，大壩可能與基巖一起向下游方向滑動［4］。因此，有必要對和尚溝水電站混凝土重力壩進行深層抗滑穩(wěn)定性分析。本次擬采用極限平衡法進行和尚溝水電站混凝土重力壩的深層抗滑穩(wěn)定性分析。為此，選取重力壩地基下的標準雙滑面模型作為計算模型，其結構如圖1。

圖1 深層抗滑穩(wěn)定性計算

大壩深層抗滑穩(wěn)定性計算采用抗剪斷公式［5］，其中，ABD面穩(wěn)定性計算公式如下：

BCD面的穩(wěn)定性公式如下：

式中 K1和K2分別為ABD面和BCD面的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)；∑W 大壩壩體豎直方向上的荷載；∑P 為大壩水平方向上的荷載；G1和G2分別為ABD面和BCD面上的巖土重力；f1和f2分別為ABD面和BCD面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；c1和c2分別為ABD面和BCD面的抗剪斷凝聚力；α和β分別為ABD面和BCD面與水平面的夾角；Q和φ為內(nèi)裂面上的作用力與水平線夾角；A1和A2分別為ABD面和BCD面的面積。

計算過程中，同一面上的K＝K1＝K2，可以利用試算法計算出抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果BD和水平面的夾角與抗力角為固定值，即可通過等式兩邊相等獲得抗力Q和K，并依據(jù)數(shù)值的變化規(guī)律，獲得K與抗力角與破裂角之間的變化規(guī)律［6］，具體計算結果如表4。

表4 深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)計算結果，和尚溝水電站混凝土重力壩在不同抗力角下的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)隨破裂角變化的曲線如圖2。

圖2 抗滑穩(wěn)定性系數(shù)隨破裂角變化的曲線

由表4和圖2可知，當破裂角為90°時，大壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最大，建議在具體計算中采用傾斜條件下的數(shù)據(jù)進行設計重力壩抗滑穩(wěn)定性設計計算；在6種不同抗力角下，當傾斜角大于80°時安全系數(shù)增大速率明顯變大，因此在具體施工中盡量選擇80°~90°的傾斜角。從計算結果來看，和尚溝水電站重力壩深層抗滑穩(wěn)定性良好，完全滿足設計要求。

4 結語

本次研究以遼寧丹東鳳城在建的和尚溝水電站為例，計算分析了混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定性，并得到如下結論：

（1）和尚溝水電站混凝土重力壩在各種工況下的抗滑穩(wěn)定性及深層抗滑穩(wěn)定性良好，均滿足設計要求。

（2）當破裂角為90°時，大壩的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最大，建議在具體計算中采用傾斜條件下的數(shù)據(jù)進行設計重力壩抗滑穩(wěn)定性設計計算。

（3）在6種不同抗力角下，當傾斜角大于80°時安全系數(shù)增大速率明顯變大，因此在具體施工中盡量選擇80°~90°的傾斜角。