南河水庫大壩施工穩定性分析

衛學文

(山西水投防護技術有限公司，山西 太原 030032)

南河水庫壩址位于交口縣東部大麥郊河支流南河上，地理坐標為東經113°37′37″，北緯36°14′03″。南河水庫興利庫容為575.39萬m3，總庫容為780.11萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小(1)型。主要建筑物包括大壩、溢洪道、取水口、導流兼放空管等為4級建筑物，次要建筑物及臨時建筑物為5級。水庫建成后，可為下游共計35315人口提供生活用水、8個企業提供生產用水、4000hm2灌區提供灌溉用水。供水保證率為95%，灌溉保證率為50%。對于改善生態環境和提高社會、經濟效益，具有重大意義。

1 壩型選擇

根據壩址的地形地貌、工程地質條件和天然筑壩材料調查，壩址處適合修建當地材料的土石壩或新型材料壩。通過各方面綜合分析比較，均質土壩方案具有材料單一，結構簡單，施工較便利并可充分利用當地天然建材，且工程量及投資最省，均有較好的適應性和經濟性，因而本階段將均質土壩作為推薦壩型。

上、下壩址河床擋水建筑物均為均質土壩，溢洪道均位于右壩肩，上壩址取水兼導流放空管道位于右岸，下壩址取水兼導流放空管道位于左岸。上壩址最大壩高45.6m，壩頂長度344.0m，設計壩頂高程1172.60m，防浪墻頂高程為1173.80m，壩頂寬度6.0m。壩體上游坡比從上至下分別為1∶2.75、1∶3.0，在高程1151.00m處設寬2.0m的馬道。下游壩面護坡采用300mm厚干砌石護坡，在壩軸線上游側設截水槽，底寬10.0m，截水槽底高程位于風化巖基上。溢流堰采用WES實用堰，不設閘門控制，堰頂高程同正常蓄水位1171.00m，順水流向長7.0m，堰凈寬15.2m。下壩址最大壩高53.8m，壩頂長度330.0m，設計壩頂高程1167.00m，防浪墻頂高程為1168.20m，頂寬6.0m。壩體上游坡比從上至下分別為1∶2.75、1∶3.0，在高程1145.00m處設寬2.0m的馬道。大壩剖面如圖1所示。

圖1 大壩剖面

2 均質土壩施工

2.1 施工導流

本工程均質土壩級別為4級，根據SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定，本工程臨時建筑物為5級，導流建筑物洪水標準為5～10a一遇。考慮到導流涵管后期與永久建筑物結合作為取水兼放空之用，其級別定為4級，按永久建筑物設計，取水兼放空管施工圍堰級別為5級，大壩及取水兼放空管施工導流標準均取5a一遇。

根據施工進度安排，二汛6—9月壩體度汛，在此期間由未填筑到頂的壩體擋水，導流涵管泄水，繼續壩體上部填筑。臨時度汛洪水標準選擇為20a一遇，相應時段洪峰流量為39.2m3/s。導流涵管最大下泄流量為4.46m3/s。

大壩上游圍堰采用均質土圍堰，填料從土料場開采。圍堰頂寬4m，兩側邊坡1∶2，堰頂高程按施工期擋水水位加超高確定，根據調洪計算導流期間擋水水位為1136.95m，取超高0.5m，堰頂高程為1137.45m，最大堰高5.45m。由于對應下游水位低于下游壩腳處河床底高程，因此大壩下游無需設置圍堰。

2.2 主體工程施工

2.2.1壩基開挖工程施工

壩基及兩岸覆蓋層開挖總工程量41.7萬m3，采用機械施工，用2m3反鏟挖掘機開挖裝車，15t自卸汽車運輸，將開挖土方可利用料運至臨時堆土場用于大壩填筑，運距0.5km，不可利用料運往1#棄渣場，運距2km。

大壩最大壩高45.6m，壩頂軸線長344m，選定黏土料場和砂礫石料場均位于大壩下游，筑壩材料可通過布置于下游壩坡上的臨時道路運輸上壩。壩體填筑分區從上游至下游依次為上游防凍層、均質壩體、下游排水棱體。均質壩體填筑優先利用工程開挖材料，不足部分從土料場開采土料，15t自卸汽車運輸上壩，材料運距2km，進占法卸料，118kW推土機攤鋪整平，13.5t凸塊振動碾分層碾壓密實，分層厚度不大于0.25m。碾壓采用錯距法，碾跡重疊寬度不小于0.3m，碾壓參數按碾壓試驗確定的參數執行，大壩中部振動碾平行壩軸線碾壓，岸坡處順岸碾壓，接坡處騎縫碾壓，邊角部位采用振動沖擊夯夯實。

2.2.2混凝土澆筑

大壩現澆混凝土工程主要分布在腳槽、防浪墻、壩頂路面。腳槽混凝土由本工程拌合系統拌制，6m3攪拌運輸車運輸至澆筑部位直接入倉，插入式振搗器振搗密實。模板采用組合鋼模，并鋪以模板。壩體澆筑至防浪墻底高程后開始防浪墻施工。防浪墻墻高2.5m，底寬2.6m，墻厚0.5m，沿墻長度方向每隔15m設伸縮縫一條，縫內設止水。防浪墻采用跳倉澆筑，混凝土由拌合系統拌制，6m3攪拌運輸車運輸至澆筑部位附近轉混凝土泵送入倉，插入式振搗器振搗密實，模板采用組合鋼模，并鋪以木模板。

3 穩定分析

3.1 壩坡穩定分析

本次壩體穩定計算采用河海大學工程力學研究所《水工結構有限元分析系統(AutoBANK7.07)》進行計算分析。依據水庫運用情況，計算工況如下。

工況1：非常情況Ⅰ，施工完建期上、下游壩坡；

工況2：正常情況，正常蓄水位1171.00m情況下形成穩定滲流時的上、下游壩坡；

工況3：正常情況，設計洪水位1171.87m情況下形成穩定滲流時的上、下游壩坡；

工況4：非常情況Ⅰ，校核洪水位1172.58m情況下形成穩定滲流時的上、下游壩坡；

工況5：正常情況，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情況下的上游壩坡；

工況6：非常情況Ⅱ，正常蓄水位1171.00m情況下發生地震時的上、下游壩坡；

工況7：非常情況Ⅱ，設計洪水位1171.87m情況下發生地震時的上、下游壩坡；

工況8：非常情況Ⅱ，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情況下發生地震時的上、下游壩坡。

計算成果見表1。

表1 大壩穩定分析計算成果

從上述計算結果可以看出，大壩上游壩坡及下游壩坡在各種計算工況下的最小安全系數均能滿足規范要求，壩坡穩定。

3.2 防浪墻穩定分析

防浪墻穩定計算選取如下2個工況進行計算：工況1：完建工況；工況2：校核洪水位工況。

(1)

(2)

(3)

式中，∑G—作用于防浪墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H—作用于防浪墻上全部平行于基底面的荷載，kN；—防浪墻基底面與壩體之間的摩擦系數，取0.3；[KC]—允許抗滑安全系數，工況1[KC]=1.20，工況防浪墻基底面應力的最大值或最小值，kPa；A—防浪墻基底面的面積，m2；∑M—作用于防浪墻基底面以上的全部豎向和水平向荷載對于底板形心軸的力矩，kN·m，順時針為負；W—防浪墻基底面對于順水流方向的形心軸的截面矩，m3；η—基底應力不均勻系數；[η]—基底應力不均勻系數容許值，[η]=2.5。

表2 防浪墻穩定成果

以上計算結果表明防浪墻抗滑穩定安全系數大于允許抗滑穩定安全系數，抗滑穩定滿足要求；基底應力不均勻系數小于規范允許值，基底承載力滿足規范要求[4]。

3.3 荷載及組合

取水口高45.1m，為岸塔式結構，長9.8m，寬4.9m。為使建筑物有足夠的穩定性并控制基礎應力，通過穩定及基礎應力計算，設計出合理的結構。取水口地基為白云質灰巖，允許承載力：2.0MPa；混凝土與基巖之間的抗剪斷強度：f’=0.7，C’=0.6MPa。

用剛體極限平衡法進行驗算，以材料力學法進行應力分析。荷載組合及計算工況見表3。

3.3.1抗滑穩定計算

抗剪斷強度計算公式：

(4)

3.3.2抗傾穩定計算

(5)

式中，K0—抗傾穩定安全系數；∑My—作用于閘井的荷載對前趾產生的穩定力矩，kN·m；∑M0—作用于閘井的荷載對前趾產生的傾覆力矩，kN·m。

3.3.3抗浮穩定計算

(6)

式中，Kf—抗浮穩定安全系數；∑V—建基面上垂直力總和(不含設備重量)，kN；∑U—建基面上揚壓力總和，kN。

3.3.4基礎應力計算

建筑物基礎面垂直應力，按材料力學偏心受壓公式計算，其正應力滿足規范要求，計算公式為：

(7)

式中，σ—建基面上的垂直正應力，kPa；∑V—建基面上的全部垂直力總和，kN；∑Mx、∑My—作用在建基面上的全部荷載對形心軸X、Y力矩總和，kN·m；x、y—計算點至形心軸Y、X的距離，m；Jx、Jy—分別為建基面對形心軸X、Y的慣性矩；A—建基面面積，m2。

表3 荷載組合及計算工況

取水口穩定及應力計算成果見表4。

表4 取水口穩定及應力計算成果

閘井抗滑穩定安全系數(抗剪斷)基本組合時大于3，特殊組合時大于2.5，抗滑穩定滿足要求；抗傾穩定安全系數基本組合時大于1.3，特殊組合時大于1.15，抗傾穩定滿足要求；抗浮穩定安全系數基本組合時大于1.1，特殊組合時大于1.05，抗浮穩定滿足要求；閘井基礎最大壓應力小于地基允許壓應力，滿足規范要求；閘井基礎應力基本組合時，拉應力不超過0.1MPa，特殊組合時拉應力不超過0.2MPa，滿足規范要求。

4 結語

根據對南河水庫的地形地貌、工程地質條件等方面的分析，結合實際情況，最適宜的壩型為均質土壩，均質土壩的材料單一，工序簡單，能減少各工序間的干擾。同時對南河水庫大壩進行了穩定性分析，通過邊坡穩定計算分析、防浪墻穩定計算分析，以及荷載組合的抗滑穩定、抗傾穩定、抗浮穩定計算等，均符合規范要求，同時能夠達到安全經濟合理的目的。