龍灘子水庫大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

劉小毛

（吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西吉安343000）

目前，國內(nèi)外對(duì)水庫大壩安全鑒定的研究有很多，主要是針對(duì)大壩的滲流、結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性的鑒定評(píng)價(jià)，趙川、蘇利軍[1]等采用AutoBank 軟件計(jì)算分析了四川工農(nóng)水庫的滲流穩(wěn)定安全性，針對(duì)工農(nóng)水庫給出了合理的建議調(diào)整。韓沙鷗、程岳峰[2]等以2013—2016 年間二灘大壩變形觀測(cè)的外部數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合庫水位數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)對(duì)每年二灘大壩的徑向位移變形量、切向位移變形量進(jìn)行了分析討論，對(duì)二灘大壩作出了整體性評(píng)價(jià)。王凱、鄒斌[3]等將滲流觀測(cè)資料和二維滲流有限元計(jì)算相結(jié)合，更加全面地分析了幸福水庫的滲流穩(wěn)定性安全問題。

本文收集了龍灘子水庫的相關(guān)資料，通過實(shí)地考察、計(jì)算分析等方法，參照SL 258—2017《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，對(duì)龍灘子水庫的防洪能力、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域概況

1.1 工程概況

龍灘子水庫為北碚區(qū)境內(nèi)的小（1）型水庫，位于馬鞍溪干流的中游北溫泉街道團(tuán)結(jié)村，該水庫壩址以上控制流域面積為7.71 km2。該水庫的攔河壩型式為拱壩型式，壩頂高程為238.84 m，壩頂設(shè)防浪墻，墻頂高程為240.04 m。最大壩高為35.05 m，壩頂長108.0 m，壩頂寬3.10 m。該水庫特征數(shù)值為：設(shè)計(jì)洪水位為238.09 m，相應(yīng)庫容為119.4 萬m3；校核洪水位為238.79 m，相應(yīng)庫容為126.3 萬m3。該水庫泄水建筑物型式為側(cè)堰正槽溢洪道，無閘控制，堰頂高程為236.30 m，側(cè)堰堰頂寬40.00 m。

1.2 地形地貌

龍灘子水庫區(qū)屬構(gòu)造剝蝕—侵蝕丘陵地貌，水庫所在河流屬嘉陵江右岸一級(jí)支流馬鞍溪河，壩址附近河床高程為200.00～205.00 m，庫區(qū)水面寬60.00～80.00 m，兩岸山頂標(biāo)高在300.00 m 左右，岸坡坡度一般在15°～60°之間，河谷為橫向谷，剖面形態(tài)呈“V”型。水庫區(qū)出露侏羅系上沙溪廟組（J2）s及第四系覆蓋層。上沙溪廟組主要為紫紅色泥巖、夾灰白色長石砂巖；第四系松散堆積層包括湖積（Q4）l淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（厚2.00～5.00 m，分布于庫底）與殘坡積（Q4ed）l粉質(zhì)粘土（厚1.00～3.00 m，分布于斜坡下部）。水庫構(gòu)造部位屬北碚向斜北西翼，巖層為單斜地層，產(chǎn)狀N45°E/SE∠45～55°，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖體透水性能較差，主要地下水為基巖裂隙水，受大氣降水與庫水補(bǔ)給，向深部排泄。庫內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象。巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚2.00～6.00 m。

2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 軟件介紹

龍灘子水庫大壩的穩(wěn)定性計(jì)算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法—梁拱分載法：將壩體沿水平、豎直方向劃分為拱和梁，作用荷載由拱、梁共同承擔(dān)，并根據(jù)梁、拱結(jié)點(diǎn)處變形協(xié)調(diào)條件按一定的比例分配，梁、拱各自獨(dú)立發(fā)揮作用，互不影響。求出梁、拱各自承受荷載及內(nèi)力后，再根據(jù)材料力學(xué)方法求出壩體控制點(diǎn)應(yīng)力，最終完成設(shè)計(jì)。由于泥石流拱壩壩體體型小，采用梁拱分載法計(jì)算時(shí)，可以只在拱冠處取1根懸臂梁（拱冠梁）與若干水平拱圈組成梁拱系統(tǒng)，并只以結(jié)點(diǎn)處徑向變形協(xié)調(diào)條件分配荷載，再分別計(jì)算拱冠梁和拱圈的內(nèi)力及應(yīng)力。

根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，拱壩應(yīng)力分析宜以拱梁分載法計(jì)算成果作為衡量強(qiáng)度安全的標(biāo)準(zhǔn)。此次計(jì)算采用拱壩多拱梁法應(yīng)力分析程序（浙大ADAO 程序）。ADAO 軟件系統(tǒng)是拱壩應(yīng)力分析ADCAS 和拱壩優(yōu)化ADOPT 的集成系統(tǒng)，既可用于拱壩應(yīng)力分析，也可用于拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及計(jì)算機(jī)輔助下的手工體形調(diào)整，已應(yīng)用于許多拱壩工程的設(shè)計(jì)中，有助于提高設(shè)計(jì)進(jìn)度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)分析取值主要是在參考大壩的原設(shè)計(jì)、竣工圖紙、相關(guān)資料及室內(nèi)巖石試驗(yàn)成果后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，各計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 參數(shù)試驗(yàn)值

調(diào)洪計(jì)算后，設(shè)計(jì)洪水位為238.09 m，校核洪水位為238.79 m，正常蓄水位為236.30 m，死水位為212.10 m；壩體材料容重為24.3 kN/m3，泊松比為0.183，彈模為3.6×103MPa，線膨脹系數(shù)為8×10-6；基巖綜合彈模為4.0×103MPa、泊松比為0.33，抗剪參數(shù)f1=0.6、C1=0 MPa，抗剪斷參數(shù)f2=0.8、C2=0.7 MPa，天然密度為2.58 g/cm3。

多年平均氣溫為18.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量為841.7 mm，多年平均徑流深591.0 mm，多年平均降雨量為1 093.5 mm，多年平均最大風(fēng)速為13.0 m/s。

2.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)大壩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，此次計(jì)算采用5 個(gè)工況（見表2），用以評(píng)價(jià)分析拱壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大壩位移計(jì)算成果見表3。

表2 龍灘子水庫拱壩荷載組合表

表3 拱壩位移成果計(jì)算表mm

由表3 可以看出，龍灘子水庫拱壩的位移變形在各種荷載組合工況下計(jì)算值均較小，最大徑向位移為20.60 mm，最大切向位移為2.05 mm。綜上所述，壩體位移變形在理論計(jì)算上均滿足《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

主應(yīng)力計(jì)算成果見表4。由表4可知，壓應(yīng)力情況：正常工況，最大壓應(yīng)力為1.87 MPa（<6.53）（6R 3C）；校核工況，最大壓應(yīng)力為2.16 MPa（<5.6）（6R 3C）；正常工況和校核工況壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。拉應(yīng)力情況：正常工況下，最大拉應(yīng)力為-0.97 MPa（<1.2）（6R 3C）；校核工況下，最大拉應(yīng)力為-1.12 MPa（<1.2）（6R 3C）。拱壩最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在第6 層拱圈與基巖交接處，其值小于1.2 MPa，其余部位最大拉應(yīng)力值均小于1.0 MPa。在正常工況和校核工況下，壩體拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表4 主應(yīng)力計(jì)算成果表MPa

3 結(jié)語

大壩位移、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在各種工況下均滿足規(guī)范要求，兩岸坡巖體無變形痕跡，近壩岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩整治后，運(yùn)行13 年期間壩體未見較大變形、滲漏等現(xiàn)象，下游壩面也未見裂縫，說明壩體總體運(yùn)行是安全的。因此，此次復(fù)核計(jì)算認(rèn)為該工程大壩結(jié)構(gòu)是基本安全的。由于無監(jiān)測(cè)資料，無法根據(jù)監(jiān)測(cè)資料分析壩體穩(wěn)定情況。因此建議按規(guī)程規(guī)范及設(shè)計(jì)要求對(duì)壩進(jìn)行有規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保大壩安全運(yùn)行。泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全。

綜上所述，根據(jù) SL 258-2017 的 7.5 節(jié)及 7.6 節(jié)相關(guān)規(guī)定，大壩結(jié)構(gòu)基本安全，評(píng)為A 級(jí)。