守口堡水庫大壩穩(wěn)定計算

張海龍

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

守口堡水庫位于黑水河上游段，在陽高縣城西北約10 km處，是一座工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等綜合利用的水利工程。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長366 m，壩頂高程1 243.6 m，最大壩高64.6 m。水庫總庫容980萬m3，屬小（一）型水庫，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選定重現(xiàn)期為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為500年一遇，地震設(shè)防烈度7度。

2 工程地質(zhì)

工程壩址區(qū)河谷寬約220.0 m，地形高程1 204～1 210 m。覆蓋層厚度6.5～19.8 m。下伏基巖為含輝石斜長角閃巖，基巖面高程1 185.739～1 199.620 m。壩基無大的斷裂發(fā)育，僅在靠右岸處發(fā)育有小型斷層及裂隙破碎帶，破碎帶寬度0.1～2 m，延伸200～300 m，為角礫和泥質(zhì)全充填，影響帶寬度5～30 m。

巖體節(jié)理裂隙發(fā)育四組：第1組N35°～45°W/NE∠70°～85°；第 2 組 N10°～25°E/SE 或 NW∠50°～70°；第 3 組 N70°～80°W/NE∠30°～80°；第 4 組 N65°～75°E/NW∠60°～70°，無充填或泥鈣質(zhì)充填。壩基強風(fēng)化層厚度0.90～5.00 m，弱風(fēng)化層厚度4.30～8.75 m，弱風(fēng)化層下限高程1 174.539～1 186.17 m。

從鉆孔壓水資料分析，壩基巖體在高程1 149～1 196 m以上巖體屬中等透水性，厚3～28 m，以下為弱透水巖體。地下水位高程1 202.38～1 203.8 m。

通過分析守口堡水庫壩址處的地質(zhì)資料可知，壩基巖體中未發(fā)現(xiàn)有緩傾展布的軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體中不存在軟弱滑動面，巖層傾向下游，且傾角大，壩基不存在深層滑動，產(chǎn)生淺層滑動的可能性不大。因此，守口堡水庫大壩只進行壩基面抗滑穩(wěn)定計算。

壩基巖體力學(xué)指標(biāo)建議值：壩基巖體飽和抗剪斷強度指標(biāo)：c′=0.8～1.0 MPa，f′=0.8～0.9；混凝土與基巖接觸面的抗剪斷強度：c′=0.6 MPa，f′=0.85；混凝土與弱風(fēng)化基巖抗剪強度摩擦系數(shù)f=0.60。

3 大壩穩(wěn)定計算

3.1 荷載及組合

壩體抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分析計算需考慮以下荷載：

壩體及其永久設(shè)備自重：混凝土容重24 kN/m3。

靜水壓力及水重：水庫正常蓄水位1 240.00 m，相應(yīng)下游水位1 204.00 m；水庫設(shè)計洪水位1 240.30 m，相應(yīng)下游水位1204.88m；水庫校核洪水位1 243.10 m，相應(yīng)下游水位1 205.27 m。

泥沙壓力：壩前淤沙高程按1 226.70 m考慮，泥沙內(nèi)摩擦角取12°，浮容重取8 kN/m3。

揚壓力：壩基設(shè)灌漿帷幕、排水孔，主排水孔處揚壓力強度系數(shù)取0.2，副排水孔處殘余揚壓力強度系數(shù)取0.5。

地震荷載：按7°地震考慮。

表1 荷載組合表

3.2 大壩抗滑穩(wěn)定計算

3.2.1 大壩建基面抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，壩基面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷公式進行計算。由于守口堡水庫大壩壩基面傾向上游，如果大壩發(fā)生失穩(wěn)，則大壩將沿著該傾斜建基面滑動。

圖1 緩傾角壩基面示意圖

抗剪斷強度計算公式如下：

式中:K′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.85；

C′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，取 600 kPa；

A——壩基接觸面截面積，m2；

α——壩基面與水平面的夾角，°；

U——揚壓力，kN；

ΣW——作用于壩體上全部豎向荷載，kN；

ΣP——作用于壩體上全部水平向荷載，kN。

壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K＇在基本荷載組合時采用 3.0，特殊荷載組合（1）采用 2.5，特殊荷載組合（2）采用2.3。

壩體抗滑穩(wěn)定計算斷面選取擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段最大壩高斷面。計算結(jié)果見表2。

3.2.2 壩體混凝土層間抗滑穩(wěn)定分析

碾壓混凝土筑壩為分層碾壓施工，存在層間結(jié)合問題，為此，要求通過層間的抗滑穩(wěn)定計算來分析混凝土層間抗滑穩(wěn)定是否滿足要求。

壩體混凝土層間抗滑穩(wěn)定分析的計算公式采用式（1）計算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)同前。

根據(jù)汾河二庫壩體碾壓混凝土芯樣檢測結(jié)果，參考類似工程，碾壓層面平均凝聚力C′取2.0 MPa，平均摩擦系數(shù)f′取1.4，揚壓力折減系數(shù)α取0.25。

壩體層間抗滑穩(wěn)定選取擋水壩段、底孔壩段和溢流壩段的上游折坡處斷面（高程1 205.0 m）進行計算，成果見表2。

表2 穩(wěn)定計算成果

由表2可知，壩基面及混凝土層間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范允許值。

3.3 壩基面及壩體應(yīng)力計算

壩基面及壩體垂直正應(yīng)力采用材料力學(xué)法計算，按《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，采用式（2）計算：

式中：σy——壩踵、壩趾垂直正應(yīng)力，kPa；

ΣW′——作用于單位壩段上全部荷載在壩基面上法向力總和，kN；

ΣM——作用于單位壩段上全部荷載對壩基面形心軸的力矩總和，kN·m；

A——計算截面的截面積，m2；

X——計算截面上計算點到形心軸的距離，m；

J——計算截面對形心軸的慣性矩，m4。

表3 壩基面垂直應(yīng)力計算成果 單位：kPa

壩基面應(yīng)力計算斷面選取擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段最大壩高斷面。計算結(jié)果見表2。壩體應(yīng)力選取高程 1 234.6 m，1 219 m，1 205 m，1 193 m，1 182 m。

根據(jù)規(guī)范要求，運用期，在各種荷載組合情況下（地震荷載除外），壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力；遭遇地震時，壩基面的垂直應(yīng)力允許出現(xiàn)瞬時拉應(yīng)力；施工期，壩趾垂直應(yīng)力允許有小于0.1 MPa的拉應(yīng)力。

經(jīng)計算，壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

第一，通過計算分析可知，守口堡水庫大壩是穩(wěn)定的，斷面設(shè)計是合理的。第二，對于緩傾角建基面，在施工完成后未蓄水前，壩體自重將在傾斜面上產(chǎn)生傾向上游的滑動力，因此必須核算施工完建期的抗滑穩(wěn)定。第三，對于傾角的確定，需要在大壩設(shè)計時經(jīng)過精確計算。隨著傾角的增大，壩踵處的壓應(yīng)力增大，壩趾處的壓應(yīng)力減小，壩趾處有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。而且，傾角過大，即使完建期是穩(wěn)定的，但水庫蓄水后仍然有向上游傾覆的可能。因此，大壩建基面的傾角只限于傾向上游的緩傾角。