寶峰湖水庫結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計算分析

劉浩哲彭杰帥

（1.長沙市雅禮中學(xué)長沙市410007；2.湖南省水利水電科學(xué)研究所長沙市410007）

寶峰湖水庫結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計算分析

劉浩哲1彭杰帥2

（1.長沙市雅禮中學(xué)長沙市410007；2.湖南省水利水電科學(xué)研究所長沙市410007）

寶峰湖水庫原名施家峪水庫，位于張家界市武陵源區(qū)的施家峪峽谷處，大壩為漿砌石拱壩。文章針對寶峰湖水庫的現(xiàn)狀，采用浙江大學(xué)編“桿元分載六向調(diào)整多拱梁”程序通過對大壩的位移計算、壩體應(yīng)力計算、壩肩穩(wěn)定分析等方面來對大壩進行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計算，并對計算結(jié)果進行了綜合分析。

寶峰湖水庫拱壩壩體應(yīng)力計算壩肩穩(wěn)定分析

1 工程概況

寶峰湖水庫原名施家峪水庫，位于張家界市武陵源區(qū)的施家峪峽谷處，下距區(qū)政府2 km，始建于l974年冬季，l978年11月壩后電站投產(chǎn)發(fā)電，1982年大壩完建。水庫壩址控制集雨面積8.21 km，干流長度5.73 km，于流平均坡降71.73‰。設(shè)計灌溉面積2 000畝，電站裝機2臺120 kW機組，是一座以灌溉、防洪、發(fā)電為主綜合利用的小（Ⅰ）型水利工程。樞紐工程由大壩、溢洪道、發(fā)電涵管、壩后電站、沖砂放空底涵等建筑物組成。

寶峰湖水庫位于山丘區(qū)，總庫容503.19萬m3，大壩為漿砌石拱壩，根據(jù)及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）第2.1.1條、2.1.2條、2.2.1條的規(guī)定，該水庫為小（Ⅰ）型水庫，屬Ⅳ等工程，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。根據(jù)該水庫庫容、灌溉面積、安全等因素考慮以及寶峰湖水庫重要的地理位置，確定其設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)仍為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，溢洪道消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

大壩為漿砌石拱壩，1982年建成時最大壩高71.575 m，壩頂高程440.0 m，壩項厚2.5 m，壩底厚度6.0 m。溢洪道進口處修筑漿砌石溢流堰時，壩頂進行了改建，壩項高程變?yōu)?41.94 m，最大壩高為73.515 m。2003年在大壩壩體迎水面高程鋪設(shè)厚度（0.3～0.5）m的混凝土防滲面板，壩頂厚度加厚至2.8 m，壩底厚度仍為6.0 m。

大壩建在裂隙狀的“一線天”地形，立面呈長“S”形。谷底標(biāo)高368.425 m時，寬6.48 m，高程442 m時寬1.7 m，402 m高程時僅有2 m寬。

2 拱壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

2.1 拱壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核采用的原體參數(shù)

（1）拱圈幾何參數(shù)。大壩由兩種壩形構(gòu)成，壩基至高程429.214 m這段拱壩為變圓心變半徑對稱等厚單曲拱壩，以上部分拱壩為變圓心變半徑不對稱等厚傾斜拱座單曲拱壩。各控制高程拱圈參數(shù)列于表1。

表1 拱圈參數(shù)

（2）材料物理力學(xué)指標(biāo)。

壩體：容重采用：2.2 t/m3；線膨脹系數(shù)選用：8e-6k-1；彈性橫量選用：6 GPa；泊松比：0.25；允許壓應(yīng)力：2.1 MPa（基本組合）；允許壓應(yīng)力：2.5 MPa（特殊組合）；控制拉應(yīng)力：0.7 MPa壩基巖石：容重采用：2.4 t/m3；彈性橫量選用：（9～11）GPa；泊松比：0.25。

（3）大壩上下游特征水位采用本次復(fù)核值（與原設(shè)對比如表2）。

表2 特征水位對比表

（4）壩體物理力學(xué)參數(shù)按SL 25-2006規(guī)范取值如表3。

表3 壩體物理力學(xué)參數(shù)表

（5）壩基變形模量：復(fù)核分高程取值為如表4。

表4 壩基變形模量分高程取值表

2.2 拱壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核荷載計算

（1）壩體自重：與混凝土拱壩結(jié)構(gòu)不同，漿砌石拱壩的自重作為荷載由拱和梁共同承擔(dān)。

（2）浪壓力：按規(guī)范SL 25-2006附錄C的公式計算。

（3）揚壓力：該拱壩厚高比0.082，本次復(fù)核和原設(shè)計，在拱壩應(yīng)力計算時，均不計揚壓力，但復(fù)核拱壩壩肩穩(wěn)定時，計入了揚壓力。

（4）壩下游水壓力：相應(yīng)于表2列示的壩下游水位對壩體的作用力。

（5）壩上游水壓力：相應(yīng)于表2列示的壩上游水位對壩體的作用力。

（6）壩上游泥沙壓力見表5。

表5 壩上游泥沙壓力

（7）溫度荷載：

式中T——計算高程處拱圈厚度（m）。

復(fù)核計算，按SL 25-2006附錄C有關(guān)規(guī)定計算。

壩址多年平均氣溫16.8℃。壩址多年月平均氣溫如表6。根據(jù)拱壩施工人員回憶和施工具體情況，確定拱壩各計算高程的封拱溫度如表7。

表6 壩址多年月平均氣溫表

表7 拱壩各計算高程封拱溫度

計算所得溫差荷載列如表8，表中Tm表示沿拱圈截面厚度的平均溫度，Td表示等效線性溫差。

表8 溫差荷載表℃

本次復(fù)核計算是應(yīng)用伏克特假定計算壩基變形對壩體應(yīng)力的影響，復(fù)核計算是采用（基礎(chǔ)矩形當(dāng)量長寬比）精確公式計算地基變位系數(shù)。

2.3 壩體應(yīng)力復(fù)核計算選定的荷載組合

根據(jù)該拱壩的體形特點，壩體應(yīng)力計算選擇兩種控制荷載組合：

（1）組合1：基本荷載組合。

水庫正常蓄水位＋壩下游水位＋設(shè)計正常溫降＋自重＋泥沙壓力＋浪壓力。

（2）組合2：特殊荷載組合。

水庫校核洪水位＋壩下游水位＋設(shè)計正常溫升＋自重＋泥沙壓力＋浪壓力。

2.4 拱壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核計算方法

本次復(fù)核計算，采用浙江大學(xué)編“桿元分載六向調(diào)整多拱梁”程序完成計算，桿元分載法是綜合了試載法、有限元、格柵法、內(nèi)力平衡法等各種拱壩應(yīng)力分析方法的優(yōu)點。

2.5 復(fù)核計算結(jié)果

拱壩控制應(yīng)力與最大位移列于表9。兩種荷載組合情況下正應(yīng)力列于表10～表11。規(guī)定拉應(yīng)力為負，壓應(yīng)力為正，指向上游的位移為正。

2.6 復(fù)核計算應(yīng)力、位移成果分析

由計算成果可知，最大徑向位移數(shù)值為6.4 mm，指向下游，出現(xiàn)在拱冠梁頂部。這是因為溫降使壩軸線收縮，使壩體向下游變位，與水壓力產(chǎn)生的變位方向相同，變位疊加。基本荷載組合l的最大主拉應(yīng)力為－0.41 MPa，最大主壓力為0.86 MPa，特殊荷載組合2的最大主拉應(yīng)力為－0.43 MPa，最大主壓應(yīng)力為0.87 MPa，位移、應(yīng)力分布符合規(guī)律，其最大主壓應(yīng)力小于壩體漿砌石容許壓應(yīng)力（2.5 MPa），最大主拉應(yīng)力小于漿砌石壩體控制拉應(yīng)力0.7 MPa，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱冠梁底部368.43～386.304 m高程的上游面（詳見T2.1.6）。

基本組合：

（表10）上游面第一主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表11）上游面第二主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表12）下游面第一主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表13）下游面第二主應(yīng)力（0.1 MPa）。

特殊組合：

（表14）上游面第一主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表15）上游面第二主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表16）下游面第一主應(yīng)力（0.1 MPa）；

（表17）下游面第二主應(yīng)力（0.1 MPa）。

表9 控制應(yīng)力與最大位移

表10 上游面第一主應(yīng)力（基本組合）

表11 上游面第二主應(yīng)力（基本組合）

3 拱壩壩肩穩(wěn)定分析

根據(jù)寶峰湖水庫壩區(qū)工程地質(zhì)條件，壩基及壩后的巖石為石英砂巖，壩肩部分未發(fā)現(xiàn)不利于壩肩穩(wěn)定的斷層、軟弱夾層及節(jié)理面，壩肩基巖均勻單一，強度高，剛度大，巖層面接近水平狀，故壩肩基巖是穩(wěn)定的。由于在高程430 m以下拱壩沒有徑向拱座，拱端面線與基準(zhǔn)面平行線夾角為0，所以可能存在拱壩壩端和基巖間的滑動穩(wěn)定問題。

根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL 25-91第5.3.4條規(guī)定，拱壩抗滑穩(wěn)定分析可采用抗剪斷公式k1=∑（Nf1+C1A）/∑T計算，或采用抗剪公式k1=∑（Nf1）/∑T計算。根據(jù)寶峰湖大壩具體情況，采用抗剪斷公式計算大壩壩端抗滑穩(wěn)定比較符合實際。

表12 下游面第一主應(yīng)力（基本組合）

表13 下游面第二主應(yīng)力（基本組合）

表15 上游面第二主應(yīng)力（特殊組合）

表16 下游面第一主應(yīng)力（特殊組合）

表17 下游面第二主應(yīng)力（特殊組合）

寶峰湖水庫工程為Ⅳ等工程，大壩為4級建筑物，根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》SL 25-2006第6.3.4條規(guī)定，當(dāng)釆用抗剪斷強度公式計算時，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合為3.0，特殊組合為2.5。

各高程的拱端軸力、剪力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表18。

表1 8各高程的拱端軸力，剪力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，基本組合在411.814 m，386.304 m，368.43 m高程的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略大于規(guī)范要求，其它高程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都達到了規(guī)范要求；特殊組合的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均符合規(guī)范要求。從總體來看，壩體整體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本符合規(guī)范要求，故在本次復(fù)核情況下，寶峰湖水庫大壩壩體抗滑穩(wěn)定性是安全的。

說明：表中拉力為負，壓力為TR。表中括號里的值為右拱座的軸力和剪力及安全系數(shù)，其它為左拱座的軸力和剪力及安全系數(shù)。

4 結(jié)語

本文對寶峰湖水庫大壩壩體的應(yīng)力及位移計算分析，得出拱壩的徑向位移、應(yīng)力分布符合規(guī)律，其最大徑向位移數(shù)值為6.4 mm，指向下游，拱壩變位屬正常狀態(tài)。其最大主壓應(yīng)力小于壩體漿砌石容許壓應(yīng)力（2.5 MPa），最大主拉應(yīng)力小于漿砌石壩體控制拉應(yīng)力0.7 MPa。壩體整體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合K’均大于3.0，特殊組合K’均大于2.5，符合規(guī)范要求，寶峰湖水庫大壩壩體抗滑穩(wěn)定性是安全的。通過對大壩的位移及應(yīng)力計算、壩肩穩(wěn)定分析，為工程安全分析提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，對保障下游人民生命財產(chǎn)安全有著重要的意義。

2016-11-24）

劉浩哲（1999-），男，在校學(xué)生；彭杰帥（1987-），男，工程師，從事水庫大壩設(shè)計工作，電話：0731-85486206。