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      守口堡水庫大壩穩(wěn)定計算

      2011-09-17 10:07:28張海龍
      山西水利 2011年6期
      關鍵詞:壩基層間壩體

      張海龍

      (山西省水利水電勘測設計研究院,山西 太原 030024)

      1 工程概況

      守口堡水庫位于黑水河上游段,在陽高縣城西北約10 km處,是一座工業(yè)供水、農業(yè)灌溉及防洪等綜合利用的水利工程。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂長366 m,壩頂高程1 243.6 m,最大壩高64.6 m。水庫總庫容980萬m3,屬?。ㄒ唬┬退畮?,工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4級,洪水設計標準選定重現(xiàn)期為50年一遇,校核標準重現(xiàn)期為500年一遇,地震設防烈度7度。

      2 工程地質

      工程壩址區(qū)河谷寬約220.0 m,地形高程1 204~1 210 m。覆蓋層厚度6.5~19.8 m。下伏基巖為含輝石斜長角閃巖,基巖面高程1 185.739~1 199.620 m。壩基無大的斷裂發(fā)育,僅在靠右岸處發(fā)育有小型斷層及裂隙破碎帶,破碎帶寬度0.1~2 m,延伸200~300 m,為角礫和泥質全充填,影響帶寬度5~30 m。

      巖體節(jié)理裂隙發(fā)育四組:第1組N35°~45°W/NE∠70°~85°;第 2 組 N10°~25°E/SE 或 NW∠50°~70°;第 3 組 N70°~80°W/NE∠30°~80°;第 4 組 N65°~75°E/NW∠60°~70°,無充填或泥鈣質充填。壩基強風化層厚度0.90~5.00 m,弱風化層厚度4.30~8.75 m,弱風化層下限高程1 174.539~1 186.17 m。

      從鉆孔壓水資料分析,壩基巖體在高程1 149~1 196 m以上巖體屬中等透水性,厚3~28 m,以下為弱透水巖體。地下水位高程1 202.38~1 203.8 m。

      通過分析守口堡水庫壩址處的地質資料可知,壩基巖體中未發(fā)現(xiàn)有緩傾展布的軟弱結構面,巖體中不存在軟弱滑動面,巖層傾向下游,且傾角大,壩基不存在深層滑動,產生淺層滑動的可能性不大。因此,守口堡水庫大壩只進行壩基面抗滑穩(wěn)定計算。

      壩基巖體力學指標建議值:壩基巖體飽和抗剪斷強度指標:c′=0.8~1.0 MPa,f′=0.8~0.9;混凝土與基巖接觸面的抗剪斷強度:c′=0.6 MPa,f′=0.85;混凝土與弱風化基巖抗剪強度摩擦系數(shù)f=0.60。

      3 大壩穩(wěn)定計算

      3.1 荷載及組合

      壩體抗滑穩(wěn)定及應力分析計算需考慮以下荷載:

      壩體及其永久設備自重:混凝土容重24 kN/m3。

      靜水壓力及水重:水庫正常蓄水位1 240.00 m,相應下游水位1 204.00 m;水庫設計洪水位1 240.30 m,相應下游水位1204.88m;水庫校核洪水位1 243.10 m,相應下游水位1 205.27 m。

      泥沙壓力:壩前淤沙高程按1 226.70 m考慮,泥沙內摩擦角取12°,浮容重取8 kN/m3。

      揚壓力:壩基設灌漿帷幕、排水孔,主排水孔處揚壓力強度系數(shù)取0.2,副排水孔處殘余揚壓力強度系數(shù)取0.5。

      地震荷載:按7°地震考慮。

      表1 荷載組合表

      3.2 大壩抗滑穩(wěn)定計算

      3.2.1 大壩建基面抗滑穩(wěn)定計算

      根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》規(guī)定,壩基面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷公式進行計算。由于守口堡水庫大壩壩基面傾向上游,如果大壩發(fā)生失穩(wěn),則大壩將沿著該傾斜建基面滑動。

      圖1 緩傾角壩基面示意圖

      抗剪斷強度計算公式如下:

      式中:K′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

      f′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù),取0.85;

      C′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力,取 600 kPa;

      A——壩基接觸面截面積,m2;

      α——壩基面與水平面的夾角,°;

      U——揚壓力,kN;

      ΣW——作用于壩體上全部豎向荷載,kN;

      ΣP——作用于壩體上全部水平向荷載,kN。

      壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K'在基本荷載組合時采用 3.0,特殊荷載組合(1)采用 2.5,特殊荷載組合(2)采用2.3。

      壩體抗滑穩(wěn)定計算斷面選取擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段最大壩高斷面。計算結果見表2。

      3.2.2 壩體混凝土層間抗滑穩(wěn)定分析

      碾壓混凝土筑壩為分層碾壓施工,存在層間結合問題,為此,要求通過層間的抗滑穩(wěn)定計算來分析混凝土層間抗滑穩(wěn)定是否滿足要求。

      壩體混凝土層間抗滑穩(wěn)定分析的計算公式采用式(1)計算,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)同前。

      根據(jù)汾河二庫壩體碾壓混凝土芯樣檢測結果,參考類似工程,碾壓層面平均凝聚力C′取2.0 MPa,平均摩擦系數(shù)f′取1.4,揚壓力折減系數(shù)α取0.25。

      壩體層間抗滑穩(wěn)定選取擋水壩段、底孔壩段和溢流壩段的上游折坡處斷面(高程1 205.0 m)進行計算,成果見表2。

      表2 穩(wěn)定計算成果

      由表2可知,壩基面及混凝土層間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范允許值。

      3.3 壩基面及壩體應力計算

      壩基面及壩體垂直正應力采用材料力學法計算,按《混凝土重力壩設計規(guī)范》規(guī)定,采用式(2)計算:

      式中:σy——壩踵、壩趾垂直正應力,kPa;

      ΣW′——作用于單位壩段上全部荷載在壩基面上法向力總和,kN;

      ΣM——作用于單位壩段上全部荷載對壩基面形心軸的力矩總和,kN·m;

      A——計算截面的截面積,m2;

      X——計算截面上計算點到形心軸的距離,m;

      J——計算截面對形心軸的慣性矩,m4。

      表3 壩基面垂直應力計算成果 單位:kPa

      壩基面應力計算斷面選取擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段最大壩高斷面。計算結果見表2。壩體應力選取高程 1 234.6 m,1 219 m,1 205 m,1 193 m,1 182 m。

      根據(jù)規(guī)范要求,運用期,在各種荷載組合情況下(地震荷載除外),壩踵垂直應力不應出現(xiàn)拉應力,壩趾垂直應力應小于壩基允許壓應力;遭遇地震時,壩基面的垂直應力允許出現(xiàn)瞬時拉應力;施工期,壩趾垂直應力允許有小于0.1 MPa的拉應力。

      經計算,壩體應力滿足規(guī)范要求。

      4 結語

      第一,通過計算分析可知,守口堡水庫大壩是穩(wěn)定的,斷面設計是合理的。第二,對于緩傾角建基面,在施工完成后未蓄水前,壩體自重將在傾斜面上產生傾向上游的滑動力,因此必須核算施工完建期的抗滑穩(wěn)定。第三,對于傾角的確定,需要在大壩設計時經過精確計算。隨著傾角的增大,壩踵處的壓應力增大,壩趾處的壓應力減小,壩趾處有可能出現(xiàn)拉應力。而且,傾角過大,即使完建期是穩(wěn)定的,但水庫蓄水后仍然有向上游傾覆的可能。因此,大壩建基面的傾角只限于傾向上游的緩傾角。

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