中低型混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算探討

張小川 胡艷卉 殷一敏

(重慶市涪陵區(qū)水務(wù)局， 重慶 涪陵 408000)

中低型混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算探討

張小川 胡艷卉 殷一敏

(重慶市涪陵區(qū)水務(wù)局， 重慶 涪陵 408000)

本文以重慶市涪陵區(qū)土地溝水庫大壩設(shè)計(jì)為例，充分考慮壩址工程地質(zhì)條件、大壩建基面傾角、帷幕防滲以及不常見的壩體盲溝排水、壩后抗力體等因素對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定的影響，合理確定計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法，運(yùn)用不同方法對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行分析。

重力壩； 抗滑穩(wěn)定； 計(jì)算

1 工程概況

1.1 基本情況

土地溝水庫工程位于重慶市涪陵區(qū)羅云鄉(xiāng)，水庫大壩按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，壩型為混凝土重力壩，壩頂高程673.30m，校核水位672.84m，設(shè)計(jì)水位672.59m，正常蓄水位672.00m，總庫容39.63萬m3，是一座以場(chǎng)鎮(zhèn)供水為主，兼有農(nóng)村人畜供水、防洪等綜合效益的小(2)型水庫。

1.2 工程設(shè)計(jì)

大壩擋水壩段設(shè)計(jì)總長86.60m，頂寬5.00m。壩頂高程673.30m，建基面設(shè)計(jì)高程644.50m，最大壩高28.80m，最大底寬25.14m。上游面高程655.00m以上為鉛直面，建基面至高程655.00m坡比1∶0.2；下游面668.05m高程以上為鉛直面，以下坡比1∶0.8。壩體材料，上游面1.0m厚部位和壩基1.0m厚部位采用C2820W4混凝土，壩體內(nèi)部采用C10混凝土。下游消能設(shè)施按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，泄洪消能采用底流消能方式，消力池長10.00m，邊墻頂高程647.50m，頂寬1.00m，底板頂部高程646.00m，底板厚0.50m，采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池底部設(shè)置垂直排水孔，排水孔孔徑φ50，縱橫間距2m，呈梅花形布置。

固結(jié)灌漿布置在溢流壩段縱向長25m、上游近壩踵、下游近壩趾的河床基礎(chǔ)范圍內(nèi)，固結(jié)灌漿孔距3m，排距4m，孔深6m，帷幕上游區(qū)一排固結(jié)灌漿孔加深為8m，平面上呈梅花形布孔。帷幕灌漿采用單排設(shè)置，布置在壩軸線上游1m處，孔距2m，河床及左右壩肩中下部深度按壩基往下25m控制，上部岸坡段深度按15m控制，兩岸帷幕線伸入岸坡內(nèi)的長度延伸至正常蓄水位與相對(duì)隔水層相交處。40cm×40cm縱向排水盲溝代替帷幕灌漿兼作壩體內(nèi)排水廊道，排水孔間距2.5m，孔徑110mm，孔深15m，在河床壩段內(nèi)平行于帷幕下游2.5m一期灌漿648.50m高程壩面上設(shè)置，盲溝內(nèi)用土工布包裹碎石(寬40cm，高35cm)充填于溝內(nèi)，面層用土工膜封閉，其上用水泥砂漿抹平，防止上層混凝土澆筑時(shí)水泥砂漿進(jìn)入盲溝。橫向設(shè)置兩根DN160PE100級(jí)塑料管，其上游一端埋在縱向盲溝內(nèi)，下游一端通向溢流壩外。

土地溝水庫溢流壩段竣工斷面如下圖所示。

土地溝水庫溢流壩段竣工斷面圖(圖中尺寸高程以m計(jì)，長度以cm計(jì))

1.3 工程施工

土地溝水庫2012年3月1日開工，2013年6月8日完工通過驗(yàn)收并正式蓄水。大壩建基面設(shè)計(jì)高程644.50m，實(shí)際開挖平均高程643.05m，平均超挖深度1.45m，壩基面呈向上游傾斜的反坡狀，傾斜角度約為5°～150°。消力池基礎(chǔ)實(shí)際高程為643.30m，超挖超填2.2m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

壩址河床底高程647.30～649.40m，枯季河床寬12.5m，正常蓄水位高程672.00m處谷寬80m，左岸邊坡坡度37°，右岸在665.00m高程為一寬4m的鄉(xiāng)村公路，公路以下坡度27°，以上23°～34°，不對(duì)稱的“V”形河谷。

2.2 壩址工程地質(zhì)條件

河床覆蓋層厚2.0～5.0m。壩基持力層為三疊系須家河組(T3xj)巨厚層狀長石石英砂巖。壩址巖層傾向上游略偏左岸，巖層傾角43°，且壩基不存在連續(xù)的軟弱夾層，不存在深層抗滑穩(wěn)定問題。壩基為砂巖，淺表裂隙發(fā)育，巖體透水，下部裂隙多閉合，為相對(duì)不透水層。通過鉆孔壓水試驗(yàn)表明，最大值56Lu，最小值6.7Lu，隨深度增加，透水率減小。壩基基巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度43.8～46.7MPa。

2.3 巖石物理力學(xué)特性

壩基為砂巖，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合其他工程類比，其巖石物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1。

表1 壩址巖石物理力學(xué)參數(shù)建議值

混凝土/砂巖，f′=0.85，c′=0.65MPa。

3 壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.1 按抗剪斷公式計(jì)算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2005)的規(guī)定，若壩基地質(zhì)條件較好，采用抗剪斷強(qiáng)度公式是合適的。土地溝水庫河床壩段基礎(chǔ)開挖后，在建基面鉆芯取樣試驗(yàn)顯示基巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)43.8～46.7MPa，應(yīng)屬Ⅲ類巖體，且不存在連續(xù)的軟夾層分布和深層抗滑穩(wěn)定問題，因此，可直接按照抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算。

選取溢流壩段643.05m高程(超挖后建基面平均高程)為底的橫斷面作為復(fù)核計(jì)算斷面。

計(jì)算公式：

參數(shù)f′取0.8，C′取0.6MPa，小于規(guī)范規(guī)定的下限值和地勘報(bào)告的推薦值。壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)a河床壩段取0.25、岸坡壩段取0.50，混凝土密度取2.4t/m3，鋼筋混凝土密度取2.5t/m3。設(shè)計(jì)及校核工況條件下計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2 按抗剪公式計(jì)算

計(jì)算斷面選取同上。計(jì)算公式：

參數(shù)f取0.6(規(guī)范建議值0.55～0.65，地勘報(bào)告建議值0.65)。壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)a、混凝土密度、鋼筋混凝土密度取值同上。河床壩段基礎(chǔ)建基面設(shè)計(jì)呈向上游傾斜的反坡狀(鋸齒狀)，建基面實(shí)際開挖呈向上游傾斜約為5°～15°，取壩基向上游存在5°的傾角計(jì)算。設(shè)計(jì)及校核工況條件下計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

3.3 考慮下游抗力體

潘家錚在《建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析》一書中，對(duì)壩趾有抗力體的重力壩安全穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行了闡述，本文參照書中所述原理進(jìn)行分析計(jì)算。

土地溝水庫重力壩設(shè)計(jì)在壩踵、壩趾設(shè)有齒槽，大壩建基面亦開挖成向下游抬高的鋸齒狀傾斜面，壩下游厚度2.7m的混凝土消力池底板(未計(jì)入消力池底板以下高出大壩建基面0.25m的巖檻高度)作為抗力體，此處抗力體除了與壩址緊密連接的一面之外，其余三面皆因消力池基坑超挖超填而致底板深嵌于圍巖之中，且建基面遍布錨桿，加強(qiáng)了底板混凝土與基巖的連接。因此，土地溝水庫大壩屬于壩趾有抗力體的重力壩，當(dāng)大壩存在向下游滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，與消力池混凝土相互作用產(chǎn)生的水平抗力P抗也應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，抗力P抗可視為有利于壩體穩(wěn)定的被動(dòng)力。

《建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析》一書中論述到：“抗力體新鮮完整，無上述不良裂隙存在，在此情況下，抗力值P抗是比較大的，其極限值最好通過一定規(guī)模的試驗(yàn)確定。當(dāng)然，P抗值不能大于基巖的抗壓強(qiáng)度和抗力體的乘積”。土地溝水庫壩趾抗力體，即消力池底板的混凝土標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)強(qiáng)度已經(jīng)設(shè)定，施工澆筑已達(dá)到強(qiáng)度要求，并且在與大壩基礎(chǔ)以上部位混凝土的相互作用中，設(shè)計(jì)取強(qiáng)度較小值參與復(fù)核。該工程消力池底板混凝土能夠提供的抗力體P抗值不能大于消力池混凝土(或壩體混凝土，取兩者抗壓強(qiáng)度低者)抗壓強(qiáng)度和消力池混凝土厚度的乘積。

土地溝水庫大壩混凝土采用“金包銀”結(jié)構(gòu)，其中壩體內(nèi)部采用C10混凝土，外包混凝土為C20，消力池采用的是C20鋼筋混凝土，取抗壓強(qiáng)度最低的內(nèi)部C10混凝土作為計(jì)算依據(jù)。大壩內(nèi)部采用C10(養(yǎng)護(hù)期28d)常態(tài)混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)，90d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度可取28d齡期抗壓強(qiáng)度的1.2倍，則壩體C10混凝土90d齡期的極限強(qiáng)度可取為12MPa，根據(jù)《重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2005)6.3.10規(guī)定，混凝土的允許應(yīng)力應(yīng)按混凝土的極限強(qiáng)度除以相應(yīng)的安全系數(shù)確定。壩體混凝土抗壓安全系數(shù)，基本組合應(yīng)不小于4.0；特殊組合(不含地震情況)應(yīng)不小于3.5。則在校核水位工況下，混凝土的允許應(yīng)力取為12/3.5=3.43MPa，則消力池作為抗體，可提供的被動(dòng)抗力P抗的取值范圍為0≤P≤9261kN。

考慮抗力體這個(gè)因素后，安全系數(shù)計(jì)算公式相應(yīng)改變?yōu)?/p>

或者

將抗力P抗放在分子或分母上，表示的意義不同，因?yàn)楣街械姆帜副硎就苿?dòng)壩體滑動(dòng)的力，帶有主動(dòng)性質(zhì)；分子則表示抗滑力，帶有被動(dòng)性質(zhì)，因此，將P抗值放入分子比較合理。

4 討 論

a.土地溝水庫壩體安全穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算借鑒了重慶市豐都龍河石板水電站大壩(壩高84.1m、總庫容1.055億m3)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。該壩壩區(qū)分布侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組的地層，分布在壩區(qū)谷坡下段及河床中部厚度15～17m的厚層塊狀砂巖，是大壩主體工程的主要持力層。左岸壩段長190m，建基面為砂質(zhì)泥巖，最大壩高55.6m；右岸壩段長約60m，建基面亦為砂質(zhì)泥巖，大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算只按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算，沒有用抗剪強(qiáng)度公式復(fù)核。另外對(duì)砂巖、泥巖基礎(chǔ)的非溢流擋水壩段，均采用了壩趾抗力體的構(gòu)造。至今已安全蓄水運(yùn)行近20年。大壩由國家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，對(duì)建在較軟弱砂質(zhì)泥巖基礎(chǔ)上的較高重力壩段做了成功的實(shí)踐。

土地溝水庫大壩基礎(chǔ)屬巨厚層狀砂巖，建壩地質(zhì)條件優(yōu)于石板水電站大壩，按照規(guī)范所提要求，采用抗剪斷強(qiáng)度公式是合適的。參數(shù)f′、C′取值小于規(guī)范規(guī)定的下限值和地勘報(bào)告的推薦值，計(jì)算結(jié)果得出抗剪斷安全系數(shù)K′值在設(shè)計(jì)、校核工況下各為4.63、4.56，分別大于規(guī)范3、2.5的最低要求值。

b.土地溝水庫壩體抗滑穩(wěn)定如果按照抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，并且將河床大壩建基面視為水平面，就會(huì)得出“安全度處于臨界狀態(tài)，幾乎沒有余度”“大壩穩(wěn)定基本滿足要求”的結(jié)論。然而實(shí)際情形是大壩基礎(chǔ)施工時(shí)已按設(shè)計(jì)要求開挖成向上游傾斜的鋸齒狀，傾斜約為5°～15°(有基礎(chǔ)驗(yàn)收記錄和照片為據(jù))。取壩基向上游存在5°的傾角計(jì)算，得出抗剪安全系數(shù)K值在設(shè)計(jì)、校核工況下各為1.13、1.11，分別大于規(guī)范1.05、1.00的最低要求值。

c.土地溝水庫大壩及消力池基礎(chǔ)開挖存在超挖超填，致消力池底板混凝土厚度增至2.7m，事實(shí)上構(gòu)成了大壩壩趾的抗力體。按潘家錚提出的抗力體的概念和計(jì)算公式，計(jì)算得出校核工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值為2.94，亦大于規(guī)范規(guī)定的最低要求值1.0。

d.土地溝水庫建成運(yùn)行至今已歷3個(gè)汛期，期間下了一場(chǎng)接近20年一遇的暴雨，初步經(jīng)受了接近發(fā)生20年一遇的洪水的考驗(yàn)。200年一遇的校核洪水位只高出20年一遇的設(shè)計(jì)洪水位0.25m，已是微不足道。

綜上所述，土地溝水庫大壩抗滑穩(wěn)定用了三種方法進(jìn)行計(jì)算，互為校核，均得出了安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定最小值的結(jié)果。說明土地溝水庫大壩抗滑穩(wěn)定是安全的，并且經(jīng)歷了三年蓄水、泄洪的初步檢驗(yàn)，在計(jì)算分析中，對(duì)大壩基礎(chǔ)開挖成向上游傾斜的鋸齒狀，對(duì)軟弱壩基在壩踵或壩趾部位開挖成較深、較寬的齒槽，以形成抗力體，增進(jìn)了有利于大壩抗滑穩(wěn)定的認(rèn)識(shí)。按照規(guī)范的條文說明，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式。一切從實(shí)際出發(fā)，不是每一座壩，幾種計(jì)算方法都要用上。同時(shí)，本文介紹了壩體內(nèi)設(shè)簡(jiǎn)易盲溝替代廊道排水的嘗試。通過土地溝水庫運(yùn)行至今對(duì)盲溝排水管出流的觀察，兩根匯流管排水至壩下消力池，小股水流流量穩(wěn)定，達(dá)到了排除壩下滲水、降低揚(yáng)壓力的目的。對(duì)于壩體而言，為了降低工程造價(jià)和節(jié)省長期的抽排廊道集水的費(fèi)用，可以取消帷幕灌漿兼作排水廊道，而代之以盲溝排水。特別對(duì)于低矮不便于布置廊道的重力壩，更可設(shè)置盲溝排水。

潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京：中國水利水電出版社，1980.

Discussion on anti-slip stability calculation in medium and low concrete gravity dam

ZHANG Xiaochuan, HU Yanhui, Yin Yimin

(Chongqing Fuling Water Bureau, Fuling 408000, China)

In the paper, design of Chongqing Fuling District Tudigou Reservoir Dam is adopted as an example. The influence of dam site engineering geological conditions, dam foundation surface inclination, curtain anti-seepage and uncommon dam blind ditch, resistance block behind the dam and other factors on the dam foundation anti-slip stability is fully considered. Calculation parameters and calculation methods are determined rationally. Different methods are applied for analyzing dam anti-slip stability calculation.

gravity dam; anti-slip stability; calculation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.009

TV222.2

A

1005-4774(2017)08- 0030- 04