永和水電站混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定分析

李晨霞

（長(zhǎng)治市水土保持試驗(yàn)站）

1 水電站工程概況

永和水電站地處沁河一級(jí)支流紫紅河上，壩址位于沁源縣郭道鎮(zhèn)永和村東1.2 km 處，是一座以向華電集團(tuán)沁源電廠等工業(yè)企業(yè)供水為主，兼有發(fā)電、灌溉和其他效益的綜合利用水利水電工程。

大壩樞紐工程處，河床寬243 m，地面高程1 121.07-1 123.10 m。河谷形狀基本為梯形河谷，河床覆蓋層厚度3.05-4.60 m，其下為紫紅色長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖薄層和同生礫巖透鏡體，左壩肩為崩塌坡積混合土塊（碎）石堆積邊坡，右壩肩為Ⅲ級(jí)基座階地。

樞紐主要建筑物，包括大壩（擋水壩段、溢流壩段）、壩下放空（排砂）洞、引水洞及水電站等。

大壩壩型為混凝土實(shí)體重力壩，壩體結(jié)合壩頂溢流、壩底放空（排砂）洞、電站引水洞等結(jié)構(gòu)集中布置。壩頂全長(zhǎng)395 m，最大壩高為40.00 m，壩頂寬為8.0 m，壩頂高程為1 152.00 m。擋水壩段全長(zhǎng)262.0 m，其中左岸長(zhǎng)114.0 m，右岸長(zhǎng)148.0 m。壩頂溢流段位于壩體左岸主河槽處，總長(zhǎng)度為133 m，堰頂高程為1 148.0 m，不設(shè)閘門，最大泄量為1 080.15 m3/s。

放空（排砂）洞位于溢流壩段右側(cè)的擋水壩段內(nèi)，結(jié)合施工導(dǎo)流洞布置，總長(zhǎng)度36.14 m，進(jìn)口中心線高程1 124.00 m。洞身為有壓圓形斷面，其直徑為3.0 m。進(jìn)口為喇叭口狀，安裝檢修閘門；出口處安裝工作閘門和啟閉設(shè)備。消能段長(zhǎng)35.0 m，采用底流消能。

引水洞位于大壩右側(cè)擋水壩段，進(jìn)口中心線高程1 130.0 m，出口中心線高程1 121.0 m，進(jìn)口至電站總閥處的水平長(zhǎng)度為29.84 m。進(jìn)口處設(shè)攔污柵和檢修閘門，出壩后設(shè)控制總閥門。洞身為有壓圓形斷面，其直徑為1.2 m。

水電站位于大壩右端，為壩后式引水電站，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1×75 kW+2×125 kW，廠房為地面式。

2 混凝土重力壩設(shè)計(jì)

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)Δh=2h1+h0+a 確定壩頂高程。

當(dāng)?shù)囟嗄昶骄畲箫L(fēng)速為16.0 m/s，吹程D 為1.85 km。經(jīng)計(jì)算波浪高度2h1為：非常運(yùn)用情況下0.617 m，正常運(yùn)用情況下為1.156 m；波浪中心線至靜水位的高度h0為：非常運(yùn)用情況0.257 m，正常運(yùn)用情況0.426 m。

經(jīng)計(jì)算，得出的壩頂高程為1 151.72 m，設(shè)計(jì)取值為1 152.00 m。

2.2 荷載分析

混凝土重力壩的作用荷載包括以下方面：

（1）壩體自重。對(duì)溢流壩段、擋水壩段，分別取1 m 長(zhǎng)的壩體進(jìn)行計(jì)算，壩體材料容重均按混凝土計(jì)，取23.5 kN/m3。

（2）靜水壓力。上游面傾斜度1∶0.2，分別考慮垂直分力和水平分力，計(jì)算各種水位下的靜水壓力。

（3）動(dòng)水壓力。指溢流壩段上的動(dòng)水壓力，分別計(jì)算正常運(yùn)用、非常運(yùn)用情況下的水平分力和垂直分力。

（4）作用于壩基面的揚(yáng)壓力。按壩基設(shè)有防滲帷幕和排水孔計(jì)算，防滲帷幕中心線在壩基處距壩踵距離為6.40 m，主排水孔中心線在壩基面處距壩踵距離為8.75 m；上游水深分別考慮校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位三種情況，下游對(duì)應(yīng)水深高程分別為1 123.95 m、1 123.15 m 和1 121.50 m；帷幕灌漿揚(yáng)壓力折減系數(shù)α1取0.5，排水孔揚(yáng)壓力折減系數(shù)α2取0.3。

（5）作用于壩體內(nèi)部的揚(yáng)壓力。按壩體內(nèi)設(shè)有排水管計(jì)算，水位為計(jì)算截面以上對(duì)應(yīng)的各個(gè)水位，壩內(nèi)滲透壓力系數(shù)α3取0.20。

（6）泥沙壓力。本工程主要擋水建筑物設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50a，壩前淤積高程計(jì)算年限也取50a。根據(jù)預(yù)測(cè)年淤積量和庫(kù)容曲線，壩前泥沙淤積高度高程取1 132.85 m，參考有關(guān)資料及本地區(qū)實(shí)際情況，泥沙浮容重vs取9.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角φs取15°。

（7）浪壓力。浪高、波長(zhǎng)采用官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算。vf計(jì)算風(fēng)速，正常水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，取洪水期多年最大風(fēng)速的1.5 倍，為24.0 m/s；校核洪水位時(shí)，取洪水期多年平均最大風(fēng)速，為16.0 m/s；Df計(jì)算吹程，指由壩前沿水面至對(duì)岸水面的最大直線距離，取1.85 km。

（8）靜冰壓力。當(dāng)?shù)氐谋鶎雍穸劝?.60 m 考慮，選取單位長(zhǎng)度壩體上的最大靜冰壓力值180 kN/m。

（9）地震荷載。本區(qū)地震基本烈度為7°，水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值αh為0.10 g，只考慮水平向的地震荷載。

2.3 荷載組合

基本組合：考慮正常蓄水位情況和設(shè)計(jì)洪水位情況。上游正常蓄水位高程1 148.00 m，相應(yīng)下游水位高程1 121.50 m；設(shè)計(jì)洪水位高程1 149.76 m，相應(yīng)下游水位高程1 123.15 m。因壩基設(shè)有防滲帷幕灌漿和基礎(chǔ)排水措施，要求按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥1.05，按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥3.0。

特殊組合：考慮校核洪水情況和正常蓄水位加地震情況。校核洪水位高程1 150.55 m，相應(yīng)下游水位高程1 123.95 m。要求按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須≥1.0，按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)特殊組合（1）時(shí)須≥2.5，特殊組合（2）時(shí)須≥2.3。

3 混凝土重力壩穩(wěn)定計(jì)算

3.1 壩體穩(wěn)定計(jì)算

采用如下公式：

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

f′——滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——滑裂面上的抗剪斷凝聚力，kPa；

A——滑裂面面積，m2；

∑W——作用于計(jì)算截面以上壩體全部載荷（含揚(yáng)壓力）對(duì)滑裂面的法向分值，kN；

∑P——作用于計(jì)算截面以上壩體全部載荷（含揚(yáng)壓力）對(duì)滑裂面的切向分值，kN。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算考慮情況

主要考慮沿混凝土壩基與基巖接觸面滑動(dòng)。

3.3 力學(xué)參數(shù)確定

混凝土與基巖接觸面的抗剪參數(shù)f′、c′：根據(jù)地質(zhì)勘探和試驗(yàn)報(bào)告，壩基面主要巖性為細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾薄層泥巖，泥巖單層厚度0.02-0.70 m，多在0.05-0.20 m 之間，與砂巖呈互層集中分布，互層厚度2.70-6.00 m。壩軸線與巖層走向垂直，完整性較差。參照《工程地質(zhì)勘探報(bào)告》提出的泥巖及泥化層的抗剪強(qiáng)度地質(zhì)建議值：泥巖抗剪斷強(qiáng)度取φ′=25°-30°，c′=1.5-2.5MPa，f′=0.55。泥化夾層抗剪強(qiáng)度取c=5-15kPa，φ=9-12.5°，f=0.16-0.22；c′=5-15 kPa，φ′=13.5°，f′=0.24。壩基巖體與混凝土的抗剪斷強(qiáng)度取c′=60-70 kPa，f′=0.85。

綜合考慮采取壩基面固結(jié)灌漿措施后，使其與基巖成為一個(gè)整體，增加地基承載力和巖石的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，參數(shù)值可適當(dāng)提高。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述荷載分析與確定的力學(xué)參數(shù)，壩體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，在基本組合和特殊組合的各種情況下，壩體均能保持穩(wěn)定。

表1 壩體穩(wěn)定分析成果表

4 混凝土重力壩應(yīng)力分析

4.1 分析方法

應(yīng)力分析方法采用材料力學(xué)法，按平面間距進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)假定，壩體材料為均質(zhì)連續(xù)、各向同性的彈性體。

4.2 力學(xué)計(jì)算參數(shù)確定

因大壩為混凝土重力壩，壩體不同部位的混凝土標(biāo)號(hào)不同，在計(jì)算時(shí)采用C20混凝土抗壓強(qiáng)度。參考規(guī)范要求，混凝土的容許壓應(yīng)力值：基本荷載組合時(shí)取4.1 MPa，特殊荷載組合時(shí)取4.8 MPa。

根據(jù)巖石試驗(yàn)結(jié)果：砂巖飽和密度2.60 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度75 MPa，軟化系數(shù)0.80，飽和抗剪強(qiáng)度φ=28°-32°，c=10.0 MPa；泥巖飽和密度2.55 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度20-25 MPa，飽和抗剪強(qiáng)度φ=20°-30°，c=2-2.5 MPa。地基承載力建議值：細(xì)砂巖1.5-2.0 MPa，泥巖0.8-1.2 MPa。

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)荷載分析與確定的力學(xué)參數(shù)，壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表2和表3可以看出，在基本組合和特殊組合的各種情況下，計(jì)算結(jié)果均符合容許要求。

表2 壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

表3 壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

5 混凝土重力壩基深層抗滑穩(wěn)定分析

5.1 邊界條件和抗剪參數(shù)的確定

壩體滑動(dòng)主要是壩基接觸滑動(dòng)，包括淺層滑動(dòng)與深層滑動(dòng)。滑動(dòng)面主要是壩基接觸面、泥巖軟化和泥化產(chǎn)生的滑動(dòng)面、節(jié)理裂隙及斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面。

壩基基巖主要巖性為細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，局部夾0.02-0.45 m 厚的泥巖。壩基中存在的泥巖為一軟弱巖層，且局部具泥化現(xiàn)象，將構(gòu)成壩基主要滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面。由于壩體走向與巖層傾向基本一致近于平行，與巖層走向垂直，故壩基滑動(dòng)將沿巖層走向方向產(chǎn)生水平向滑動(dòng)。

巖層呈單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造未發(fā)現(xiàn)。巖層面為緩傾結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙為高角度結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙走向與巖層向走向垂直或大角度斜交。

滑動(dòng)方向包括底面（傾向）滑動(dòng)和側(cè)向（表面）滑動(dòng)。壩基下緩傾角泥化或軟化泥巖層是產(chǎn)生滑動(dòng)面的主要結(jié)構(gòu)面，但壩體走向與巖層傾向一致近于平行，由于壩肩山體穩(wěn)定，抗滑作用力必定大于下滑力，故底面（傾向）滑動(dòng)的可能性較小。因此，主要分析沿垂直壩軸線方向的滑動(dòng)。

綜合細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖薄層為中硬—軟巖石的巖體特征，其巖石物理力學(xué)指標(biāo)建議值：泥巖抗剪斷強(qiáng)度φ′=25°-30°，c′=1.5-2.5 MPa，f′=0.55；泥化夾層抗剪強(qiáng)度c′=5-15 kPa，φ′=13.5°，f′=0.24。

根據(jù)地質(zhì)資料，概化為雙滑裂面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。壩基下的基巖塊ABD 為可能存在的滑動(dòng)體，AB 面為主滑面。根據(jù)巖層走向、傾角，AB 滑裂面與水平面的夾角α 取9°，基巖塊BCD 為抗力體，因下游側(cè)巖體不存在明顯的第二滑裂面，則BC 滑裂面與水平面的夾角β 通過(guò)試算確定。

5.2 安全系數(shù)計(jì)算公式

深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用等安全系數(shù)法，按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算。按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：基本組合K′=3.0，特殊組合1 時(shí)K′=2.5。

計(jì)算公式如下：

式中：K′1、K′2——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

W——作用于壩體上上荷載的垂直分值，kN；

H——作用于壩體上上荷載的水平分值，kN；

G1、G2——巖體ABD、BCD 重量的垂直作用力，kN；

f′1、f′2——AB、BC 滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′1、c′2、——AB、BC 滑裂面的抗剪斷凝聚力，kPa；

A1、A2——AB、BC 滑裂面的面積，m2；

α、β——AB、BC 滑裂面與水平面的夾角，°；

U1、U2、U3—AB、BC、BD 面上的揚(yáng)壓力，kN；

Q、φ——BD 面上的作用力（kN）及其與水平面的夾角，°。

5.3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)試算：在設(shè)計(jì)洪水位情況下，K′1=K′2=K′=3.310＞3.00，符合抗剪斷穩(wěn)定要求；在校核洪水位情況下，K′1=K′2=K′=3.05＞2.50，符合抗剪斷穩(wěn)定要求。

夾層雖然分布層數(shù)多，但厚度很薄，也沒(méi)有成層展布。經(jīng)過(guò)對(duì)上部夾層的直接開(kāi)挖清除，對(duì)下部夾層出露部位的混凝土封閉以及對(duì)壩基采取加筋固結(jié)灌漿措施，同時(shí)充分設(shè)置壩基排水系統(tǒng)，減小壩底揚(yáng)壓力，可以滿足壩體穩(wěn)定要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)永和水電站混凝土重力壩壩體與壩基抗滑穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析和壩基深層抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算，重力壩在各種工況下的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，混凝土重力壩的壩體設(shè)計(jì)是合理可行的。