漿砌石直墻堆石壩壩體穩定及應力分析

王娟

摘要：大壩是水利樞紐中的重要建筑物，壩體的穩定及應力分析至關重要，關系整個大壩工程的安全。本文以某小型水庫漿砌石直墻堆石壩為研究對象，采用《砌石壩設計規范》中規定的方法，對大壩進行穩定計算及應力分析，經復核，壩體抗滑穩定安全系數在各種工況下均滿足規范要求，大壩應力滿足規范要求。

關鍵詞：漿砌石直墻堆石壩；抗滑穩定；應力分析

1 工程概況

工程區位于潮河一級支流上，隸屬于潮白薊運河水系。控制流域面積23.6km2，原設計總庫容10.4萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖和發電的小（2）型水庫。工程等別為Ⅴ等，建筑物等級為5級。設計洪水標準為10年一遇，校核洪水標準為50年一遇。

水庫主要由大壩、溢洪道與放水洞組成。大壩為漿砌石直墻堆石壩，最大壩高10m，壩頂高程501.26m，壩頂寬1.2m，壩長40m，上游壩坡1：0.2，下游壩坡1：1.0。

2 工程地質

工程區地貌屬低山丘陵地貌，山體坡度較緩，溝谷較發育，山體由侏羅紀粗粒、中粒花崗巖組成，巖性單一。壩址處河谷呈 “U”形，兩岸巖石裸露，質地堅硬，未發現斷層構造。

流域內溝谷發育，河床平均寬度約23～147mm，河底高程491～496m。

壩址區地質結構為雙層結構。大壩上游壩坡為漿砌石，結構較完整；下游壩坡為堆石。壩基巖體以強風化粗粒、中粒花崗巖為主，粒狀結構，塊狀構造。

壩基巖體力學性質指標建議值：漿砌石和壩基巖體之間的抗剪斷強度指標建議值為f'=0.70，c'=0.30MPa，抗剪強度指標建議值為f=0.40；巖體抗剪斷強度指標建議值為f'=0.55，c'=0.30MPa，抗剪強度指標建議值為f=0.45；變形模量建議值為5GPa，承載力建議值1200kPa。

3壩體穩定及應力計算

壩體屬于漿砌石直墻堆石壩，根據《砌石壩設計規范》（SL25-2006），結合壩體現狀，穩定計算考慮沿砌石體與巖基接觸面滑動。

3.1 計算工況及荷載組合

根據水庫原設計條件及水庫運行情況，擬定計算工況及荷載組合，對現狀壩體結構進行抗滑穩定、壩體基底應力驗算。計算工況及荷載組合詳見表1。

表1 計算工況及荷載組合表

3.2 計算典型斷面選取

選擇壩段中部最高壩體進行復核驗算，計算時取1m單寬作為計算單元，斷面基底寬度14m，壩高10m，上游壩面1：0.2。壩頂高程501.26m。下游壩面坡比為1：1.0，計算簡圖及特征水位詳見圖1。

3.3 荷載計算

①自重 G=γV

式中 G —壩體自重；

γ—漿砌石容重，=23kN/m3；

V —壩體的體積

②靜水荷載

水平壓力：

垂直水壓力：

式中 γ—水的容重，按10kN/m3計；

H—靜水深；

n—壩坡坡率。

③揚壓力

揚壓力包括浮托力和滲透壓力兩部分。

④於沙壓力

式中 Ps—壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，kN/m；

γsb—於沙的浮容重，kN/m3，取9.7kN/m3；

hs—壩體上游泥沙淤積厚度；

φs—於沙的內摩擦角，取28°。

⑤浪壓力

a：波高波長按下列公式計算：

式中 h —波高，m；

Lm —平均波長，m；

v0 —計算最大風速，18m/s；

D —風區長度，取200m；

g —重力加速度，9.81m/s2。

b：浪壓力近似按直墻式擋水建筑物計算：

當壩前水深H1滿足H1≥Hcr，H1>Lm /2時，作用在單位壩長上浪壓力Pwk按下式計算：

式中 Pwk—單位長度壩面上的浪壓力，KN/m；

h —累積頻率5%～10%的波高，m；

hz —波浪中心線至計算水位的高度，m；

Hcr—使波浪破碎的臨界水深，m；

3.4壩體抗滑穩定應力計算

①壩體抗滑穩定計算公式為：

式中 W—全部荷載對滑裂平面的法向分值；

ΣP—作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑裂面的切向分值；

K2—抗剪計算的抗滑穩定安全系數；

f2—滑裂面上的抗剪摩擦系數，取0.4。

②壩基上下游基底應力按下式計算

式中 σmax min—壩基垂直正應力；

ΣW—作用在壩段上的所有荷載對壩基面的法向分力之和；

B—壩基底寬，m；

e—合力偏心距，m；

式中 ΣM—作用在壩段上的所有荷載對壩踵彎矩之和。

壩體沿巖基接觸面滑動穩定及應力計算成果見表2。

表2 壩體穩定及應力復核計算成果表

4 結論

壩體抗滑穩定分別采用抗滑公式計算。由表2可知，壩體抗滑穩定安全系數在各種工況下均滿足規范要求。

參考文獻：

[1] SL 252-2000，水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].

[2] SL 25-2006，砌石壩設計規范[S].

（作者單位：河北省水利水電勘測設計研究院）