基于實例漿砌石拱壩結構安全評價分析

劉昱煜，陳向明，鄭漢種

(1.武義縣宣平溪水電工程管理處，浙江 金華 321200；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

漿砌石拱壩在國內拱壩建設中占比最高，據統計已建和在建的拱壩中約有90%為漿砌石拱壩。漿砌石拱壩能夠如此被廣泛運用，具有如下不可代替的優勢，其一山區石材多土少，便于就地取材，節省鋼材、木材和水泥等材料；其二工程量比同樣高度的混凝土重力壩約小40%左右，使樞紐布置緊湊，施工導流和度汛較易解決；其三施工技術便于群眾掌握，建壩勞動力容易解決，施工成本較低。馬福恒等[1]在對大壩水平位移觀測資料定性和定量分析的基礎上，采用拱冠梁法和三維有限元法對金坑水庫拱壩的結構性態進行了計算分析；滕樹生等[2]在方家溝漿砌石拱壩加高處理時將老壩的頂部作為新壩的基礎，對縫面按滑動縫的設置作了相應的處理，并采用成熟的計算理論對壩體加高后進行應力計算和分析；孫啟亮等[3]對友誼水庫漿砌石拱壩進行應力穩定計算，通過對計算結果的分析，并結合該工程的實際情況，提出合理的整治措施；高玉峰[4]引入均質化思想把漿砌石拱壩分為壩面與壩腹兩部分，分別進行等效材料模擬；呂君等[5]基于非線性多拱梁法分析龍潭砌石拱壩和石門砌石拱壩的壩體應力及其在拉壓與剪切破壞模式下的拱壩結構安全度。目前，未對漿砌石拱壩在加高前后的結構安全進行系統評價分析，文章根據武義縣梁家山水庫的建設要求，運用拱梁分載法，分別在現狀工況和設計工況下對大壩的壩體應力和拱座抗滑穩定進行分析評價。

1 工程概況

武義縣梁家山水庫位于金華市武義縣柳城鎮梁家山村上游，庫區涉及柳城、大源兩個鄉鎮。屬甌江水系宣平溪支流石貓坑溪，原設計上游集雨面積3.5km2，主流長度3km，源短流急，多年平均降雨量1700mm。漿砌石拱壩原設計為小二型水庫，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，按30年一遇設計，相應水位446.85m，相應庫容16.8萬m3，300年一遇校核，相應水位447.08m，校核庫容17.4萬m3，壩址河谷較狹窄，兩岸基巖裸露。主要建筑物由漿砌石雙曲拱壩和輸水涵管組成。大壩為漿砌石雙曲拱壩，原設計壩頂高程447.6m，最大壩高32.0m，壩頂寬度1.95m，壩長度約90m，溢洪壩段位于大壩中間，堰頂高程446.0m，堰寬30.0m，堰型為WES堰，跌流消能。現狀壩頂高程430～431.0m，最大壩高15.0m，壩頂寬度約3.4m，壩長約50m，在上游建2.5m高左右的漿砌石擋墻，整個壩段從漿砌石擋墻頂溢流，如圖1所示。

圖1 現狀壩體布置圖

梁家山水庫1989年冬天開建，由于缺乏資金，至1993年初停工，未達設計標高即開始蓄水，至今已經運行24年，由于當地旅游開發，經濟建設需要，根據當地相關部門要求需要恢復建設，因此需要對水庫的運行狀態做一次全面評價，對原設計進行安全性復核與評價，為后續建設和運行管理提供依據。

2 壩體應力計算

2.1 壩體結構安全控制標準

梁家山水庫大壩為5級建筑物，按照SL 25—2006《漿砌石壩設計規范》的規定：當采用拱梁分載法計算時，壩體容許壓應力等于筑壩材料的極限抗壓強度除以安全系數。基本荷載組合安全系數采用3.5；特殊荷載組合安全系數采用3.0。本工程筑壩材料為細骨料漿砌毛石，表面材料為細骨料漿砌塊石，根據SL 25—2006的規定，砌石體的極限軸心抗壓強度為10.2MPa。

容許壓應力：基本荷載組合：容許壓應力取2.9MPa；特殊荷載組合：容許壓應力取3.4MPa；壩體容許拉應力：根據浙江省砌石拱壩經驗，取1.0MPa；采用剛體極限平衡法進行拱座抗滑穩定分析時，拱座抗滑穩定安全系數(按抗剪斷公式)：正常情況K≥3.0，非常情況K≥2.5。

2.2 計算方法

壩體應力計算采用SL 282—2018《混凝土拱壩設計規范》規范推薦的拱梁分載法。本次壩體應力復核采用ADAO程序(浙江大學編制的拱壩分析及優化系統)進行計算，同時計算拱冠梁頂部的位移。

2.3 計算工況

根據本工程特點以及SL 282—2018的規定，選擇下列4種計算工況進行計算：工況1：基本組合，正常蓄水位+泥沙壓力+自重+溫降；工況2：基本組合，死水位+泥沙壓力+自重+溫升；工況3：基本組合，設計洪水位+泥沙壓力+自重+溫升；工況4：特殊組合，校核洪水位+泥沙壓力+自重+溫升。

本工程現狀工況下，拱壩厚高比為0.432，屬厚拱壩，設計工況下，拱壩厚高比為0.205，屬中厚拱壩，應力計算中應考慮揚壓力。

2.4 計算指標的選用

2.4.1特征水位與特征高程

根據梁家山水庫大壩設計圖及水文復核成果，設計工況和現狀工況的工程特征水位與特征高程見表1。

表1 特征水位與特征高程表

2.4.2物理力學參數

根據梁家山水庫壩址地質資料以及大壩混凝土內部觀測資料分析成果，并參考類似工程，在拱壩壩體應力計算時采用的指標見表2。

表2 基巖與壩體物理力學參數表

2.4.3壩體溫度荷載：

根據實際壩體溫度的變化規律及水庫的運行情況，采用兩種溫度荷載：一是溫升荷載為壩體多年9月份的平均最高溫度減去封拱時溫度；二是溫降荷載為壩體多年3月份的平均最低溫度減去封拱時溫度。

2.5 計算結果

根據上述條件采用《拱壩分析及優化系統ADAO》計算得到的主要成果匯總見表3，詳細的應力分布情況如圖2—3所示。

表3 應力計算主要成果表

圖2 設計工況應力圖

圖3 現狀工況應力圖

2.5.1現狀工況

(1)壓應力

各種基本荷載組合下，最大壓應力為0.88MPa(工況1，下游壩面)，發生在416.00m高程拱冠，小于該處容許壓應力2.9MPa。特殊荷載組合下，最大壓應力為0.52MPa(工況4，上游壩面)，發生在419.00m高程右拱端，小于該處容許壓應力3.4MPa。因此，各種工況下壩體壓應力滿足規范要求。

(2)拉應力

基本荷載組合：壩體最大拉應力為0.38MPa(工況2，下游壩面)，發生在422.00m高程拱圈右拱端，小于容許拉應力1.0MPa，滿足規范要求。特殊荷載組合下最大拉應力為0.22MPa(工況4，下游壩面)，發生在425.00m高程左拱端，小于容許拉應力1.0MPa，滿足規范要求。

(3)理論計算得到拱冠梁頂部向上游位移最大值發生在工況2(高溫低水位條件)，向上游位移為1.63mm；拱冠梁頂部向下游位移最大值發生在工況4(高溫高水位條件)，向下游位移為6.72mm，位移變幅為8.35mm。

(4)從上述計算結果可見，現狀工況下，各種計算工況下的最大壓應力和最大拉應力均小于容許值，滿足規范要求。

2.5.2設計工況

(1)壓應力

各種基本荷載組合下，最大壓應力為1.66MPa(工況2，上游壩面)，發生在425.00m高程右拱端，小于該處容許壓應力2.9MPa；特殊荷載組合下，最大壓應力為1.44MPa(工況4，上游壩面)，發生在428.00m高程拱冠，小于該處容許壓應力3.4MPa。因此，各種工況下壩體壓應力滿足規范要求。

(2)拉應力

基本荷載組合：工況1條件下壩體最大拉應力發生在431.00m高程拱冠，為1.01MPa，工況3條件下壩體最大拉應力發生在431.00m高程拱冠，為1.03MPa，均略大于容許拉應力1.0MPa；其它基本荷載組合條件下的拉應力不大于1.0MPa，滿足規范要求。特殊荷載組合下最大拉應力為1.05MPa，略大于容許拉應力1.0MPa。參照我省類似工程經驗，分析認為本工況大壩應力狀態目前尚屬正常。

(3)理論計算得到拱冠梁頂部向上游位移最大值發生在工況2(高溫低水位條件)，向上游位移為2.21mm；拱冠梁頂部向下游位移最大值發生在工況4(高溫高水位條件)，向下游位移為6.44mm，位移變幅為8.65mm。見表3。

(4)從上述計算結果可見，壩體在溫升條件下拉應力容易超標，設計洪水位+溫升和校核洪水位+溫升條件下，壩體下游面拉應力均稍大，最大拉應力大于容許拉應力。考慮到拱壩超載能力強，安全余度大，從已建成大壩運行情況來看，大壩已經歷過高溫低水位及高溫高水位的最不利工況，尚未發現壩體有明顯的結構性裂縫；其它計算工況條件下的拉應力滿足規范要求；各種計算工況下的最大壓應力均小于容許值，滿足規范要求。因此，參照我省類似工程經驗，分析認為設計工況大壩應力狀態屬于正常，但建議在今后建成運行中，避免在高溫季節空庫運行或采取壩面降溫等措施。

3 拱座抗滑穩定評價

3.1 拱座抗滑穩定分析方法

在前面壩體應力復核的基礎上，繼續采用ADAO程序(浙江大學編制的拱壩分析及優化系統)對拱座抗滑穩定性進行分析，鑒于兩岸壩肩未發現明顯的不利結構面組合，采用平面分層核算其穩定性。

3.2 計算工況

根據有關規范和工程實際情況，復核計算時考慮了以下3種荷載組合工況：

工況1：基本組合，拱端推力(正常蓄水位+溫降)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

工況2：基本組合，拱端推力(設計洪水位+溫升)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

工況3：特殊組合，拱端推力(校核洪水位+溫升)+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。

拱端推力采用相應荷載組合下應力計算成果中得到的拱座推力。滲壓計算圖形采用三角形分布，即壩踵處為全水頭，假想滑動面下游坡的出露位置為零。

3.3 巖體參數的確定

根據現場施工揭示，壩基地質條件與初設勘察的結論基本相符，因此參照初設勘察時提供的巖體力學指標，在拱座穩定計算中采用f1=0.9，C1=0.55MPa，容重取24kN/m3。

3.4 拱座抗滑穩定復核成果

根據上述條件采用《拱壩分析及優化系統ADAO》計算得到的主要成果，各高程拱座抗滑穩定安全系數見表4。對上述拱座抗滑穩定安全系數計算成果分析如下。

表4 拱座抗滑穩定安全系數

3.4.1現狀工況

基本荷載組合下，最小拱座抗滑穩定安全系數為3.03(工況2)，發生在433.40m高程左岸拱座，大于規范要求的3.0，滿足規范要求。特殊荷載組合下，最小拱座抗滑穩定安全系數為2.98，發生在433.40m高程左岸拱座，大于規范要求的2.5，滿足規范要求。

從上述拱座抗滑穩定復核成果看，大壩的拱座抗滑穩定安全系數均大于3.0(基本荷載組合)或2.5(特殊荷載組合)，滿足規范要求；大壩基礎處理符合設計和規范要求，因此該工況兩岸及壩基安全穩定。

3.4.2設計工況

基本荷載組合下，最小拱座抗滑穩定安全系數為2.57(工況1)，發生在434.00m高程左岸拱座，小于規范要求的3.0，不滿足規范要求。特殊荷載組合下，最小拱座抗滑穩定安全系數為2.62，發生在434.00m高程左岸拱座，大于規范要求的2.5，滿足規范要求。

3.4.3復核成果

從上述拱座抗滑穩定計算成果看，基本荷載組合，大壩最小拱座抗滑穩定安全系數小于3.0，不滿足規范要求；特殊荷載組合，大壩最小拱座抗滑穩定安全系數均大于2.5，滿足規范要求；設計工況下，工程兩岸及壩基安全穩定局部不能符合設計和規范要求。

4 結語

終上所述，現狀工況下大壩應力和拱座抗滑穩定均能滿足要求；設計工況下，壩體在溫升條件下拉應力容易超標，考慮到拱壩超載能力強，安全余度大，從已建成大壩運行情況來看，大壩已經歷過高溫低水位及高溫高水位的最不利工況，尚未發現壩體有明顯的結構性裂縫；最大壓應力均小于容許值，滿足規范要求。參照類似工程經驗，分析認為設計工況大壩應力狀態屬于正常。

建議在今后建成運行中，避免在高溫季節空庫運行或采取壩面降溫等措施。工程兩岸及壩基安全穩定局部不能符合設計和規范要求，故建議該大壩保持原狀，不進行大壩加高改造工程。