漿砌石直墻堆石壩壩體穩(wěn)定及應(yīng)力分析

王娟

摘要：大壩是水利樞紐中的重要建筑物，壩體的穩(wěn)定及應(yīng)力分析至關(guān)重要，關(guān)系整個(gè)大壩工程的安全。本文以某小型水庫(kù)漿砌石直墻堆石壩為研究對(duì)象，采用《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的方法，對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算及應(yīng)力分析，經(jīng)復(fù)核，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種工況下均滿足規(guī)范要求，大壩應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：漿砌石直墻堆石壩；抗滑穩(wěn)定；應(yīng)力分析

1 工程概況

工程區(qū)位于潮河一級(jí)支流上，隸屬于潮白薊運(yùn)河水系?？刂屏饔蛎娣e23.6km2，原設(shè)計(jì)總庫(kù)容10.4萬(wàn)m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖和發(fā)電的?。?）型水庫(kù)。工程等別為Ⅴ等，建筑物等級(jí)為5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

水庫(kù)主要由大壩、溢洪道與放水洞組成。大壩為漿砌石直墻堆石壩，最大壩高10m，壩頂高程501.26m，壩頂寬1.2m，壩長(zhǎng)40m，上游壩坡1：0.2，下游壩坡1：1.0。

2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地貌屬低山丘陵地貌，山體坡度較緩，溝谷較發(fā)育，山體由侏羅紀(jì)粗粒、中?；◢弾r組成，巖性單一。壩址處河谷呈 “U”形，兩岸巖石裸露，質(zhì)地堅(jiān)硬，未發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造。

流域內(nèi)溝谷發(fā)育，河床平均寬度約23～147mm，河底高程491～496m。

壩址區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)。大壩上游壩坡為漿砌石，結(jié)構(gòu)較完整；下游壩坡為堆石。壩基巖體以強(qiáng)風(fēng)化粗粒、中?；◢弾r為主，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

壩基巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值：漿砌石和壩基巖體之間的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)建議值為f'=0.70，c'=0.30MPa，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值為f=0.40；巖體抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)建議值為f'=0.55，c'=0.30MPa，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值為f=0.45；變形模量建議值為5GPa，承載力建議值1200kPa。

3壩體穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

壩體屬于漿砌石直墻堆石壩，根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL25-2006），結(jié)合壩體現(xiàn)狀，穩(wěn)定計(jì)算考慮沿砌石體與巖基接觸面滑動(dòng)。

3.1 計(jì)算工況及荷載組合

根據(jù)水庫(kù)原設(shè)計(jì)條件及水庫(kù)運(yùn)行情況，擬定計(jì)算工況及荷載組合，對(duì)現(xiàn)狀壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定、壩體基底應(yīng)力驗(yàn)算。計(jì)算工況及荷載組合詳見表1。

表1 計(jì)算工況及荷載組合表

3.2 計(jì)算典型斷面選取

選擇壩段中部最高壩體進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)取1m單寬作為計(jì)算單元，斷面基底寬度14m，壩高10m，上游壩面1：0.2。壩頂高程501.26m。下游壩面坡比為1：1.0，計(jì)算簡(jiǎn)圖及特征水位詳見圖1。

3.3 荷載計(jì)算

①自重 G=γV

式中 G —壩體自重；

γ—漿砌石容重，=23kN/m3；

V —壩體的體積

②靜水荷載

水平壓力：

垂直水壓力：

式中 γ—水的容重，按10kN/m3計(jì)；

H—靜水深；

n—壩坡坡率。

③揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力包括浮托力和滲透壓力兩部分。

④於沙壓力

式中 Ps—壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，kN/m；

γsb—於沙的浮容重，kN/m3，取9.7kN/m3；

hs—壩體上游泥沙淤積厚度；

φs—於沙的內(nèi)摩擦角，取28°。

⑤浪壓力

a：波高波長(zhǎng)按下列公式計(jì)算：

式中 h —波高，m；

Lm —平均波長(zhǎng)，m；

v0 —計(jì)算最大風(fēng)速，18m/s；

D —風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，取200m；

g —重力加速度，9.81m/s2。

b：浪壓力近似按直墻式擋水建筑物計(jì)算：

當(dāng)壩前水深H1滿足H1≥Hcr，H1>Lm /2時(shí)，作用在單位壩長(zhǎng)上浪壓力Pwk按下式計(jì)算：

式中 Pwk—單位長(zhǎng)度壩面上的浪壓力，KN/m；

h —累積頻率5%～10%的波高，m；

hz —波浪中心線至計(jì)算水位的高度，m；

Hcr—使波浪破碎的臨界水深，m；

3.4壩體抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

①壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

式中 W—全部荷載對(duì)滑裂平面的法向分值；

ΣP—作用于計(jì)算截面以上壩體的全部荷載對(duì)滑裂面的切向分值；

K2—抗剪計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f2—滑裂面上的抗剪摩擦系數(shù)，取0.4。

②壩基上下游基底應(yīng)力按下式計(jì)算

式中 σmax min—壩基垂直正應(yīng)力；

ΣW—作用在壩段上的所有荷載對(duì)壩基面的法向分力之和；

B—壩基底寬，m；

e—合力偏心距，m；

式中 ΣM—作用在壩段上的所有荷載對(duì)壩踵彎矩之和。

壩體沿巖基接觸面滑動(dòng)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見表2。

表2 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核計(jì)算成果表

4 結(jié)論

壩體抗滑穩(wěn)定分別采用抗滑公式計(jì)算。由表2可知，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種工況下均滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] SL 252-2000，水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] SL 25-2006，砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

（作者單位：河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）