平江縣城關(guān)引水工程樞紐大壩穩(wěn)定計算與分析

2012-03-15 15:03:46鐘臨風(fēng)

湖南水利水電 2012年5期

鐘臨風(fēng)

（平江縣水利水電勘測設(shè)計院岳陽市 414500）

1 工程概況

平江縣城關(guān)引水樞紐工程水源位于平江縣三市鎮(zhèn)堯塘村境內(nèi)，汨羅江二級支流恩溪水中下游的堯塘水庫，該水庫距城關(guān)鎮(zhèn)33km，是以供水為主，兼有防洪和發(fā)電等綜合效益的小（1）型水利工程。壩址以上集雨面積72.54km2，河流長度27.56km，河流坡降7.13‰。

據(jù)水庫規(guī)模，確定該工程為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。主要建筑物由大壩、泄洪控制閘、沖砂閘、輸水隧洞、上壩公路等構(gòu)成。

該工程于2007年8月開工建設(shè)，2009年4月下閘蓄水并向城關(guān)供水，工程完建。至2012年4月已累計向城關(guān)供水5000萬t。工程運行正常，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

2 水文

洪水計算采用《湖南省暴雨洪水查算手冊》進行。

堯塘水庫大壩壩址處多年平均流量2.41m3/s，保證流量（P=75%）為0.41m3/s，多年平均徑流量為0.76億m3。30年一遇洪水洪峰流量為425.38m3/s，洪水總量為1579.92萬m3；300年一遇洪水洪峰流量為699.21m3/s，洪水總量為2532.92萬m3。

3 工程地質(zhì)

工程區(qū)表現(xiàn)為三種地貌單元：中低山地形，低山丘陵地形及“紅巖”低丘崗地和沖積堆積準(zhǔn)平原地形。

區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。屬于場地相對穩(wěn)定地塊。

壩址區(qū)出露地層單一，主要為前震旦系冷家溪群第四巖組第一段（Ptln4-1）。

試驗成果主要參數(shù)為：強風(fēng)化、弱風(fēng)化巖體單軸抗壓強度分別為7.57MPa、（18.20～26.64）MPa，巖石抗剪強度(飽和)為f=0.52，c=0.01MPa，巖石抗剪斷強度（飽和）f′=1.04，c′=2.8MPa。

壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

壩基持力層為弱風(fēng)化上帶巖體。

表1 壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值表

4 大壩設(shè)計

4.1 設(shè)計基本資料

該壩為漿砌石重力壩，大壩按4級建筑物設(shè)計，其防洪標(biāo)準(zhǔn)按《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000確定：洪水重現(xiàn)期按30年一遇設(shè)計，300年一遇校核。

（1）主要建筑物的特征水位及流量。

壩前正常水位：140.00m；

壩址河床上游設(shè)計洪水位：140.12m，相應(yīng)流量425.38m3/s；

壩址河床上游校核洪水位：141.10m，相應(yīng)流量699.21m3/s；

壩址河床下游設(shè)計洪水位：112.63m，相應(yīng)流量376.64m3/s；

壩址河床下游校核洪水位：113.70m，相應(yīng)流量607.30m3/s；

（2）地震烈度及地基特性。

本區(qū)地震基本烈度為VⅠ度。

（3）建筑材料特性及統(tǒng)計參數(shù)。

a、巖石的主要物理力學(xué)參數(shù)詳見《初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告》。

b、材料容重。

干砌石：1.9t/m3；漿砌石：2.2t/m3；混凝土：2.4t/m3。

c、建筑物安全系數(shù)容許值（表2）。

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k值

4.2 大壩斷面擬定

大壩斷面尺寸：下游坡比1∶0.8。上游鉛直。底寬29.19m，頂寬5.0m，上游齒槽深2.5m，臨水面采用（1.0～1.5）m厚混凝土面板防滲，溢流面混凝土厚0.8m，挑流鼻坎高程118.86m。在大壩底部111.30m高程處設(shè)DN1200mm放空鋼管，兼作施工導(dǎo)流通道。

溢流壩堰頂高程136.50m，溢流段全長36.80m，溢流凈寬30 m，設(shè)5扇平面鋼閘門，孔口尺寸為6.0m×3.5m，采用5臺QPQ2×100kN卷揚式啟閉機啟閉，啟閉塔平臺高程148.5m，寬3.2 m，閘墩厚1.2m，導(dǎo)墻厚1.0m。

正常蓄水位為140.00m，設(shè)計洪水位140.12m，校核洪水位141.10m，死水位為129.00m。按《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-91）中第8.1.1條規(guī)定非溢流壩壩頂高程不得低于水庫最高靜水位，防浪墻頂不得低于正常運用或非常運用的水庫靜水位加相應(yīng)的超高Δh。

式中 2hi——波浪高（m）；

h0——波浪中心線超出水庫靜水位的風(fēng)雍高度（m）；

hc——安全超高（m），正常運用取0.4m，非常運用取0.3m。

壩址多年平均最大風(fēng)速為v=16m/s；設(shè)計風(fēng)速的取值:在正常運用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍為24m/s；在非常運用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速為16m/s。風(fēng)區(qū)長度D=0.6km；水域的平均水深，正常情況時H=19m，非常情況時H=21m。

根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-91）附錄二，對于山區(qū)峽谷水庫，庫緣地勢高峻，風(fēng)速（4～16）m/s吹程（1～13）km時，波浪的波高和平均波長采用下式計算:

式中 2h2——浪高（m）；

2L1——波長（m）；

Vf——計算風(fēng)速（m/s）；

Df——計算吹程（km）；

H1——水域的平均水深（m）；

h0——波浪中心線超出水庫靜水位的風(fēng)雍高度（m）；

經(jīng)計算得設(shè)計時防浪墻頂高程H=140.00+0.8+ 0.4=141.20m，校核時防浪墻頂高程H=141.1+0.503+ 0.3=141.903m。非溢流壩頂高程為142.0m。最大壩高35.00m，壩頂軸長95.2m。

4.3 大壩壩體抗滑穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，壩基巖層走向、基巖和砌體力學(xué)指標(biāo)判定，基巖不存在深層滑動面，考慮到淺層破碎巖體的抗滑穩(wěn)定問題，對壩基進行固結(jié)灌漿處理使得壩基整體固結(jié)防止淺層破碎。則抗滑復(fù)核以沿墊層混凝土與基巖接觸面為最不利滑動面設(shè)計，在河床風(fēng)化較小，基礎(chǔ)開挖到弱風(fēng)化中部，溢流段抗剪摩擦系數(shù)取推薦中值f2=0.50；兩岸非溢流段風(fēng)化層深，為了不形成人為的高陡邊坡，隨壩高變化，基礎(chǔ)開挖由強風(fēng)化中上部，邊坡高度在（5～10）m之間，通過固結(jié)灌漿增加邊坡整體穩(wěn)定性，抗剪摩擦系數(shù)取推薦的小值f2=0.42。

按地質(zhì)勘探提供的巖體力學(xué)參數(shù)復(fù)核壩體抗滑穩(wěn)定性。

按抗剪摩擦公式復(fù)核壩體抗滑穩(wěn)定性：

式中 W——作用于計算截面以上壩體的全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的法向分值；

ΣP——作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑動平面的切向分值；

K2——抗剪計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f2——滑動面上的抗剪摩擦系數(shù)。

根據(jù) 《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL25-91第3.1.7條規(guī)定漿砌石重力壩可不考慮溫度荷載；由地質(zhì)條件知本地區(qū)的地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)，場地相對穩(wěn)定，不考慮地震荷載作用。《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL25-91第3.2.2條規(guī)定荷載組合按下述規(guī)定進行計算:

（1）基本組合：正常蓄水位相應(yīng)的靜水壓力、壩體自重、水重、揚壓力、浪壓力、其它重量（泥沙壓力、回填土石、其它出現(xiàn)機會較多的荷載）。

（2）特殊組合：校核洪水位靜水壓力、壩體自重、揚壓力（包括浮托力）、浪壓力、水重、其它重量（泥沙壓力、動水壓力、回填土石、其它出現(xiàn)機會較多的荷載）。

（3）壩體應(yīng)力計算方法為材料力學(xué)法：

上、下游邊緣應(yīng)力σyu和σyd