南康羅邊水庫重力壩主體結構安全分析

黃小敏，甘小艷

（1.贛州市水利電力勘測設計研究院，江西 贛州 341000；2.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009）

1 工程結構概況

羅邊水利樞紐工程位于江西省南康區龍華鄉羅邊村，壩址距南康城區33 km。始建于1993年，1996年開始蓄水，1997年竣工，水庫至今已運行20多年未做過大壩安全鑒定，是一座以灌溉、發電為主，兼有養魚等綜合利用的中型水利工程。水庫樞紐建筑物由砼溢流壩、砼非溢流壩、河床式發電廠房、土壩等組成。

（1）溢流壩

大壩主壩中段河床部位布置有溢流壩，全長128 m，由9孔表孔溢流堰組成，單孔凈寬12 m，平面鋼閘門擋水，中墩厚2 m，邊墩厚2 m。溢流堰型式為Ш型折線型實用堰，堰頂高程118.50 m。溢流壩中墩長15.70 m，邊墩長20.788 m。

（2）非溢流壩

本工程非溢流壩位于廠房壩段的左側，與山體相連接，該壩段總長47.90 m，最大壩高14 m，壩頂寬度為6 m，最大壩底寬為8.0 m，上游面為鉛直布置，下游面折坡點高程為119.00 m，坡度1∶0.667，壩體砼標號為150（即C15砼），埋塊石15%。

（3）廠房

廠房壩段布置于右側，廠房為河床式發電廠房，緊鄰溢流壩左側布置，該壩段由主機間壩段及安裝間壩段組成，壩段全長61.6 m，其中主機間壩段長38.8 m，安裝間壩段長22.8 m。發電廠房進水口壩頂高程129 m。

2 重力壩結構安全評價

2.1 重力壩壩基及壩體情況

壩基巖性主要為變質砂巖，裂隙及斷裂較發育，導致巖石易受風化。根據巖石的顏色、巖體組織結構的變化與破碎程度、礦物成分的變化特征及其物理力學性質等，其風化程度可分為強風化和弱風化兩個風化帶。巖體風化主要受地形地貌、巖性及地質構造發育程度控制，以面狀風化為主。

壩體為砼埋塊石重力壩，為R28150#砼（相當于C14砼）。根據安鑒檢查尚未發現裂縫、沉降及析鈣等現象，根據我院2017年11月～12月勘探成果知，壩體砼呈短柱狀、柱狀，局部為碎塊狀，未見氣泡狀孔隙，塊石間混凝土砂漿膠結緊密，膠結較好，壩體砼抗壓強度指標為19.1 MPa～21.9 MPa，符合要求；對上游壩面進行炭化深度檢測可知，砼碳化深度為5.6 mm～6.2 mm，局部可達10 mm以上。綜上所述，左岸非溢流壩段砼及砼埋石總體澆筑質量尚可。完成的主要勘測工作項目及工作量見表1。

表1 地質勘探工作量統計表

2.2 抗滑穩定安全復核

2.2.1 基本資料

（1）計算條件

根據《防洪標準》（GB 50201—2014），羅邊水電站為中型水庫，樞紐工程等級為Ⅲ等，主要永久性建筑物為3級，永久性次要建筑物為4級，即大壩建筑物為3級。水庫設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準為200年一遇。

（2）計算參數

據地表測繪及鉆孔揭露，壩基巖體為青灰色、灰綠色變質砂巖，上部為強風化，下部為弱風化。現根據現場勘探情況、室內巖石試驗結合原初設資料，參照本地區同類巖體工程經驗類比分析，綜合提出本工程壩基巖體物理力學參數取值，見表2。

表2 壩基巖石物理力學指標建議值表

（3）容重與泥沙淤積高程

根據本次鉆探取芯觀察，砼芯樣室內抗壓強度試驗，現場砼回彈測試試驗，結合有關經驗數據資料，本工程壩體容重采用值見表3。

表3 壩體主要分區容重建議值表

羅邊水電站泥砂淤積高程取118.70 m，泥沙浮容重取為10 kN/m3，內摩擦角 Φ=20°。

（4）風速與吹程

根據南康市的氣象資料，多年平均最大風速為12.2 m/s，吹程取1.3 km。

（5）滲透壓力系數

計算采用的揚壓力折減系數取值，因運行管理單位無測壓管觀測數據，結合大壩滲流分析以及壩基地質條件和帷幕布置情況進行分析選取。大壩地基帷幕灌漿處理和設置了排水設施，考慮排水設施可能失效，有帷有排時揚壓力計算折減系數取值α=0.25，有帷無排揚壓力計算折減系數取值α=0.5～0.7之間，本次取α=0.7。

（6）荷載組合

基本組合：工況①—正常蓄水位124.10 m、下游無水的計算荷載；工況②—設計洪水位126.47 m、下游水位124.38 m的計算荷載。

特殊組合：工況③—校核洪水位127.66 m、下游水位125.78 m的計算荷載。

2.2.2 溢流壩段計算

（1）計算單元

根據羅邊水電站溢流壩結構布置，計算單元考慮中墩加兩個半孔溢流孔寬14 m進行計算，根據本次地勘，溢流壩段壩基均清基至弱～微風化巖體，本次溢流壩段結構復核計算取沿建基面進行穩定復核計算。

（2）計算荷載

在溢流壩段復核計算中，考慮的荷載有：壩體自重、水重、壩體上下游面承受的靜水壓力、泥沙壓力、相應特征水位時的揚壓力、浪壓力和動水壓力等。荷載計算結果見表4。

（3）抗滑穩定安全系數

表4 溢流壩段沿建基面荷載計算結果表 單位：kN

《混凝土重力壩設計規范》（SL 319—2005）中推薦的壩體抗滑穩定計算公式有抗剪公式和抗剪斷公式。本次大壩抗滑穩定復核對兩種計算方法均進行計算復核。抗剪強度系數f=0.5，抗剪斷強度系數f'=0.53，C'=0.4 MPa。

抗剪強度公式如下：

式中：K為抗剪計算的抗滑穩定安全系數；f為滑動面上抗剪摩擦系數；∑W為作用于計算截面以上壩體全部荷載（包括揚壓力）對滑動面的法向分值，kN；∑P為作用于計算截面以上壩體全部荷載對滑動面的切向分值，kN。

抗剪斷強度公式如下：

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′，C′為滑動面的抗剪斷摩擦系數及粘結力（KPa）；A為壩基面截面積，m2；ΣW為作用在壩體上全部荷載對滑動平面的法向分值，kN；ΣP為作用在壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，kN。

溢流壩段抗滑穩定安全系數計算結果見表5。

表5 溢流壩段抗滑穩定安全系數計算結果表

由表5可知：考慮揚壓力折減系數α為0.25和0.7時，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，故溢流壩段壩基抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

2.2.3 非溢流壩段計算

（1）計算單元

非溢流壩段選取最大壩高斷面（壩頂高程129.00 m、壩基底高程115.00 m），按單寬進行穩定復核計算。

（2）計算荷載

根據壩型結構和地勘成果，在非溢流壩段結構安全復核計算中，具體考慮的荷載有：壩體自重、壩體上下游面靜水壓力、相應特征水位時的揚壓力和浪壓力等。計算斷面荷載取單寬計算，荷載計算結果見表5。

表6 非溢流最大壩高斷面沿建基面單寬荷載計算結果表單位：kN

（3）抗滑穩定安全計算成果

非溢流壩段抗滑穩定復核對抗剪公式和抗剪斷公式兩種計算方法均進行計算復核。非溢流壩最大壩高斷面（底高程115.00 m）斷面抗剪強度系數f=0.50；抗剪斷強度系數采用f′=0.4，c′=0.05 MPa。

抗滑穩定安全計算結果見表7。

表7 非溢流壩最大壩高斷面抗滑穩定安全系數計算結果表

由表7可知：考慮揚壓力折減系數α為0.25和0.7時，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，故認為溢流壩段壩基抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

2.2.4 廠房穩定及應力計算

廠房的穩定計算，包括抗滑穩定計算和抗浮穩定兩個方面。本工程取一個機組段作為計算單元進行計算。

抗滑穩定及應力的計算采用砼溢流壩部分所列公式計算，抗浮穩定計算按下式計算：

式中：Kf為抗剪計算的抗浮穩定安全系數；∑W為機組段全部重量，kN；∑P為作用于機組段的揚壓力總和，kN。

廠房的穩定及應力計算成果見表8。

表8 廠房的穩定及應力計算成果表

從表8所列計算成果可知，廠房的穩定安全系數及應力均滿足規范要求。

2.2.5 壩體應力復核

溢流壩段最大壩高段壩基為弱～微風化變質砂巖，允許承載力為1500 kPa；非溢流壩段典型斷面壩基為全～強風化基巖，允許承載力為500 kPa。

各計算斷面的應力計算參照《混凝土重力壩設計規范》(SL 319—2005)，應力計算簡圖見圖1，計算方法如下，壩基面應力計算結果見表8。

式中：T為壩體計算截面上游、下游方向的長度；∑W為計算截面上全部垂直力之和，以向下為正；∑M為計算截面上全部垂直力及水平力對于計算截面形心的力矩之和，以使上游面產生壓應力為正。

圖1 壩面應力計算簡圖

表9 溢流壩段及非溢流壩段壩基面垂直正應力計算成果表單位：kPa

從表9可知，重力壩的應力復核結果滿足規范要求。

3 結論

根據大壩抗滑穩定分析和材料力學應力計算結果，并結合羅邊水電站多年運行情況、原設計和施工資料、以及最新地勘等資料有結論如下：

（1）溢流壩段，考慮揚壓力折減系數α為0.25和0.7時，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

（2）非溢流壩段，考慮揚壓力折減系數 α為 0.25和0.7時，溢流壩段在各工況下壩基抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

（3）壩的應力復核結果滿足規范要求。