龍灘子水庫大壩結構穩定性分析

劉小毛

（吉安市水利水電規劃設計院，江西吉安343000）

目前，國內外對水庫大壩安全鑒定的研究有很多，主要是針對大壩的滲流、結構進行安全性的鑒定評價，趙川、蘇利軍[1]等采用AutoBank 軟件計算分析了四川工農水庫的滲流穩定安全性，針對工農水庫給出了合理的建議調整。韓沙鷗、程岳峰[2]等以2013—2016 年間二灘大壩變形觀測的外部數據為依據，結合庫水位數據、溫度數據、降雨量數據對每年二灘大壩的徑向位移變形量、切向位移變形量進行了分析討論，對二灘大壩作出了整體性評價。王凱、鄒斌[3]等將滲流觀測資料和二維滲流有限元計算相結合，更加全面地分析了幸福水庫的滲流穩定性安全問題。

本文收集了龍灘子水庫的相關資料，通過實地考察、計算分析等方法，參照SL 258—2017《水庫大壩安全評價導則》，對龍灘子水庫的防洪能力、滲流安全、結構安全進行綜合評價。

1 區域概況

1.1 工程概況

龍灘子水庫為北碚區境內的小（1）型水庫，位于馬鞍溪干流的中游北溫泉街道團結村，該水庫壩址以上控制流域面積為7.71 km2。該水庫的攔河壩型式為拱壩型式，壩頂高程為238.84 m，壩頂設防浪墻，墻頂高程為240.04 m。最大壩高為35.05 m，壩頂長108.0 m，壩頂寬3.10 m。該水庫特征數值為：設計洪水位為238.09 m，相應庫容為119.4 萬m3；校核洪水位為238.79 m，相應庫容為126.3 萬m3。該水庫泄水建筑物型式為側堰正槽溢洪道，無閘控制，堰頂高程為236.30 m，側堰堰頂寬40.00 m。

1.2 地形地貌

龍灘子水庫區屬構造剝蝕—侵蝕丘陵地貌，水庫所在河流屬嘉陵江右岸一級支流馬鞍溪河，壩址附近河床高程為200.00～205.00 m，庫區水面寬60.00～80.00 m，兩岸山頂標高在300.00 m 左右，岸坡坡度一般在15°～60°之間，河谷為橫向谷，剖面形態呈“V”型。水庫區出露侏羅系上沙溪廟組（J2）s及第四系覆蓋層。上沙溪廟組主要為紫紅色泥巖、夾灰白色長石砂巖；第四系松散堆積層包括湖積（Q4）l淤泥質粉質粘土（厚2.00～5.00 m，分布于庫底）與殘坡積（Q4ed）l粉質粘土（厚1.00～3.00 m，分布于斜坡下部）。水庫構造部位屬北碚向斜北西翼，巖層為單斜地層，產狀N45°E/SE∠45～55°，節理裂隙較發育。巖體透水性能較差，主要地下水為基巖裂隙水，受大氣降水與庫水補給，向深部排泄。庫內無不良地質現象。巖體強風化帶厚2.00～6.00 m。

2 結構穩定性計算

2.1 軟件介紹

龍灘子水庫大壩的穩定性計算采用結構力學的方法—梁拱分載法：將壩體沿水平、豎直方向劃分為拱和梁，作用荷載由拱、梁共同承擔，并根據梁、拱結點處變形協調條件按一定的比例分配，梁、拱各自獨立發揮作用，互不影響。求出梁、拱各自承受荷載及內力后，再根據材料力學方法求出壩體控制點應力，最終完成設計。由于泥石流拱壩壩體體型小，采用梁拱分載法計算時，可以只在拱冠處取1根懸臂梁（拱冠梁）與若干水平拱圈組成梁拱系統，并只以結點處徑向變形協調條件分配荷載，再分別計算拱冠梁和拱圈的內力及應力。

根據《漿砌石壩設計規范》的規定，拱壩應力分析宜以拱梁分載法計算成果作為衡量強度安全的標準。此次計算采用拱壩多拱梁法應力分析程序（浙大ADAO 程序）。ADAO 軟件系統是拱壩應力分析ADCAS 和拱壩優化ADOPT 的集成系統，既可用于拱壩應力分析，也可用于拱壩優化設計，以及計算機輔助下的手工體形調整，已應用于許多拱壩工程的設計中，有助于提高設計進度和設計質量，具有顯著的社會、經濟效益。

2.2 參數選取

計算參數分析取值主要是在參考大壩的原設計、竣工圖紙、相關資料及室內巖石試驗成果后，結合現場勘測結果做了適當的調整，各計算參數如表1 所示。

表1 參數試驗值

調洪計算后，設計洪水位為238.09 m，校核洪水位為238.79 m，正常蓄水位為236.30 m，死水位為212.10 m；壩體材料容重為24.3 kN/m3，泊松比為0.183，彈模為3.6×103MPa，線膨脹系數為8×10-6；基巖綜合彈模為4.0×103MPa、泊松比為0.33，抗剪參數f1=0.6、C1=0 MPa，抗剪斷參數f2=0.8、C2=0.7 MPa，天然密度為2.58 g/cm3。

多年平均氣溫為18.5 ℃，多年平均蒸發量為841.7 mm，多年平均徑流深591.0 mm，多年平均降雨量為1 093.5 mm，多年平均最大風速為13.0 m/s。

2.3 結構穩定性計算

根據大壩實際運行狀態，此次計算采用5 個工況（見表2），用以評價分析拱壩的結構穩定性。大壩位移計算成果見表3。

表2 龍灘子水庫拱壩荷載組合表

表3 拱壩位移成果計算表mm

由表3 可以看出，龍灘子水庫拱壩的位移變形在各種荷載組合工況下計算值均較小，最大徑向位移為20.60 mm，最大切向位移為2.05 mm。綜上所述，壩體位移變形在理論計算上均滿足《漿砌石壩設計規范》要求。

主應力計算成果見表4。由表4可知，壓應力情況：正常工況，最大壓應力為1.87 MPa（<6.53）（6R 3C）；校核工況，最大壓應力為2.16 MPa（<5.6）（6R 3C）；正常工況和校核工況壓應力滿足規范要求。拉應力情況：正常工況下，最大拉應力為-0.97 MPa（<1.2）（6R 3C）；校核工況下，最大拉應力為-1.12 MPa（<1.2）（6R 3C）。拱壩最大拉應力值出現在第6 層拱圈與基巖交接處，其值小于1.2 MPa，其余部位最大拉應力值均小于1.0 MPa。在正常工況和校核工況下，壩體拉應力和壓應力均滿足規范要求。

表4 主應力計算成果表MPa

3 結語

大壩位移、拉應力、壓應力在各種工況下均滿足規范要求，兩岸坡巖體無變形痕跡，近壩岸坡處于穩定狀態。大壩整治后，運行13 年期間壩體未見較大變形、滲漏等現象，下游壩面也未見裂縫，說明壩體總體運行是安全的。因此，此次復核計算認為該工程大壩結構是基本安全的。由于無監測資料，無法根據監測資料分析壩體穩定情況。因此建議按規程規范及設計要求對壩進行有規律的實時監控，確保大壩安全運行。泄水建筑物結構安全。

綜上所述，根據 SL 258-2017 的 7.5 節及 7.6 節相關規定，大壩結構基本安全，評為A 級。