南河水库大坝施工稳定性分析

卫学文

(山西水投防护技术有限公司，山西 太原 030032)

南河水库坝址位于交口县东部大麦郊河支流南河上，地理坐标为东经113°37′37″，北纬36°14′03″。南河水库兴利库容为575.39万m3，总库容为780.11万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。主要建筑物包括大坝、溢洪道、取水口、导流兼放空管等为4级建筑物，次要建筑物及临时建筑物为5级。水库建成后，可为下游共计35315人口提供生活用水、8个企业提供生产用水、4000hm2灌区提供灌溉用水。供水保证率为95%，灌溉保证率为50%。对于改善生态环境和提高社会、经济效益，具有重大意义。

1 坝型选择

根据坝址的地形地貌、工程地质条件和天然筑坝材料调查，坝址处适合修建当地材料的土石坝或新型材料坝。通过各方面综合分析比较，均质土坝方案具有材料单一，结构简单，施工较便利并可充分利用当地天然建材，且工程量及投资最省，均有较好的适应性和经济性，因而本阶段将均质土坝作为推荐坝型。

上、下坝址河床挡水建筑物均为均质土坝，溢洪道均位于右坝肩，上坝址取水兼导流放空管道位于右岸，下坝址取水兼导流放空管道位于左岸。上坝址最大坝高45.6m，坝顶长度344.0m，设计坝顶高程1172.60m，防浪墙顶高程为1173.80m，坝顶宽度6.0m。坝体上游坡比从上至下分别为1∶2.75、1∶3.0，在高程1151.00m处设宽2.0m的马道。下游坝面护坡采用300mm厚干砌石护坡，在坝轴线上游侧设截水槽，底宽10.0m，截水槽底高程位于风化岩基上。溢流堰采用WES实用堰，不设闸门控制，堰顶高程同正常蓄水位1171.00m，顺水流向长7.0m，堰净宽15.2m。下坝址最大坝高53.8m，坝顶长度330.0m，设计坝顶高程1167.00m，防浪墙顶高程为1168.20m，顶宽6.0m。坝体上游坡比从上至下分别为1∶2.75、1∶3.0，在高程1145.00m处设宽2.0m的马道。大坝剖面如图1所示。

图1 大坝剖面

2 均质土坝施工

2.1 施工导流

本工程均质土坝级别为4级，根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，本工程临时建筑物为5级，导流建筑物洪水标准为5～10a一遇。考虑到导流涵管后期与永久建筑物结合作为取水兼放空之用，其级别定为4级，按永久建筑物设计，取水兼放空管施工围堰级别为5级，大坝及取水兼放空管施工导流标准均取5a一遇。

根据施工进度安排，二汛6—9月坝体度汛，在此期间由未填筑到顶的坝体挡水，导流涵管泄水，继续坝体上部填筑。临时度汛洪水标准选择为20a一遇，相应时段洪峰流量为39.2m3/s。导流涵管最大下泄流量为4.46m3/s。

大坝上游围堰采用均质土围堰，填料从土料场开采。围堰顶宽4m，两侧边坡1∶2，堰顶高程按施工期挡水水位加超高确定，根据调洪计算导流期间挡水水位为1136.95m，取超高0.5m，堰顶高程为1137.45m，最大堰高5.45m。由于对应下游水位低于下游坝脚处河床底高程，因此大坝下游无需设置围堰。

2.2 主体工程施工

2.2.1坝基开挖工程施工

坝基及两岸覆盖层开挖总工程量41.7万m3，采用机械施工，用2m3反铲挖掘机开挖装车，15t自卸汽车运输，将开挖土方可利用料运至临时堆土场用于大坝填筑，运距0.5km，不可利用料运往1#弃渣场，运距2km。

大坝最大坝高45.6m，坝顶轴线长344m，选定黏土料场和砂砾石料场均位于大坝下游，筑坝材料可通过布置于下游坝坡上的临时道路运输上坝。坝体填筑分区从上游至下游依次为上游防冻层、均质坝体、下游排水棱体。均质坝体填筑优先利用工程开挖材料，不足部分从土料场开采土料，15t自卸汽车运输上坝，材料运距2km，进占法卸料，118kW推土机摊铺整平，13.5t凸块振动碾分层碾压密实，分层厚度不大于0.25m。碾压采用错距法，碾迹重叠宽度不小于0.3m，碾压参数按碾压试验确定的参数执行，大坝中部振动碾平行坝轴线碾压，岸坡处顺岸碾压，接坡处骑缝碾压，边角部位采用振动冲击夯夯实。

2.2.2混凝土浇筑

大坝现浇混凝土工程主要分布在脚槽、防浪墙、坝顶路面。脚槽混凝土由本工程拌合系统拌制，6m3搅拌运输车运输至浇筑部位直接入仓，插入式振捣器振捣密实。模板采用组合钢模，并铺以模板。坝体浇筑至防浪墙底高程后开始防浪墙施工。防浪墙墙高2.5m，底宽2.6m，墙厚0.5m，沿墙长度方向每隔15m设伸缩缝一条，缝内设止水。防浪墙采用跳仓浇筑，混凝土由拌合系统拌制，6m3搅拌运输车运输至浇筑部位附近转混凝土泵送入仓，插入式振捣器振捣密实，模板采用组合钢模，并铺以木模板。

3 稳定分析

3.1 坝坡稳定分析

本次坝体稳定计算采用河海大学工程力学研究所《水工结构有限元分析系统(AutoBANK7.07)》进行计算分析。依据水库运用情况，计算工况如下。

工况1：非常情况Ⅰ，施工完建期上、下游坝坡；

工况2：正常情况，正常蓄水位1171.00m情况下形成稳定渗流时的上、下游坝坡；

工况3：正常情况，设计洪水位1171.87m情况下形成稳定渗流时的上、下游坝坡；

工况4：非常情况Ⅰ，校核洪水位1172.58m情况下形成稳定渗流时的上、下游坝坡；

工况5：正常情况，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情况下的上游坝坡；

工况6：非常情况Ⅱ，正常蓄水位1171.00m情况下发生地震时的上、下游坝坡；

工况7：非常情况Ⅱ，设计洪水位1171.87m情况下发生地震时的上、下游坝坡；

工况8：非常情况Ⅱ，由正常蓄水位1171.00m降落至1150.18m(220h)情况下发生地震时的上、下游坝坡。

计算成果见表1。

表1 大坝稳定分析计算成果

从上述计算结果可以看出，大坝上游坝坡及下游坝坡在各种计算工况下的最小安全系数均能满足规范要求，坝坡稳定。

3.2 防浪墙稳定分析

防浪墙稳定计算选取如下2个工况进行计算：工况1：完建工况；工况2：校核洪水位工况。

(1)

(2)

(3)

式中，∑G—作用于防浪墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑H—作用于防浪墙上全部平行于基底面的荷载，kN；—防浪墙基底面与坝体之间的摩擦系数，取0.3；[KC]—允许抗滑安全系数，工况1[KC]=1.20，工况防浪墙基底面应力的最大值或最小值，kPa；A—防浪墙基底面的面积，m2；∑M—作用于防浪墙基底面以上的全部竖向和水平向荷载对于底板形心轴的力矩，kN·m，顺时针为负；W—防浪墙基底面对于顺水流方向的形心轴的截面矩，m3；η—基底应力不均匀系数；[η]—基底应力不均匀系数容许值，[η]=2.5。

表2 防浪墙稳定成果

以上计算结果表明防浪墙抗滑稳定安全系数大于允许抗滑稳定安全系数，抗滑稳定满足要求；基底应力不均匀系数小于规范允许值，基底承载力满足规范要求[4]。

3.3 荷载及组合

取水口高45.1m，为岸塔式结构，长9.8m，宽4.9m。为使建筑物有足够的稳定性并控制基础应力，通过稳定及基础应力计算，设计出合理的结构。取水口地基为白云质灰岩，允许承载力：2.0MPa；混凝土与基岩之间的抗剪断强度：f’=0.7，C’=0.6MPa。

用刚体极限平衡法进行验算，以材料力学法进行应力分析。荷载组合及计算工况见表3。

3.3.1抗滑稳定计算

抗剪断强度计算公式：

(4)

3.3.2抗倾稳定计算

(5)

式中，K0—抗倾稳定安全系数；∑My—作用于闸井的荷载对前趾产生的稳定力矩，kN·m；∑M0—作用于闸井的荷载对前趾产生的倾覆力矩，kN·m。

3.3.3抗浮稳定计算

(6)

式中，Kf—抗浮稳定安全系数；∑V—建基面上垂直力总和(不含设备重量)，kN；∑U—建基面上扬压力总和，kN。

3.3.4基础应力计算

建筑物基础面垂直应力，按材料力学偏心受压公式计算，其正应力满足规范要求，计算公式为：

(7)

式中，σ—建基面上的垂直正应力，kPa；∑V—建基面上的全部垂直力总和，kN；∑Mx、∑My—作用在建基面上的全部荷载对形心轴X、Y力矩总和，kN·m；x、y—计算点至形心轴Y、X的距离，m；Jx、Jy—分别为建基面对形心轴X、Y的惯性矩；A—建基面面积，m2。

表3 荷载组合及计算工况

取水口稳定及应力计算成果见表4。

表4 取水口稳定及应力计算成果

闸井抗滑稳定安全系数(抗剪断)基本组合时大于3，特殊组合时大于2.5，抗滑稳定满足要求；抗倾稳定安全系数基本组合时大于1.3，特殊组合时大于1.15，抗倾稳定满足要求；抗浮稳定安全系数基本组合时大于1.1，特殊组合时大于1.05，抗浮稳定满足要求；闸井基础最大压应力小于地基允许压应力，满足规范要求；闸井基础应力基本组合时，拉应力不超过0.1MPa，特殊组合时拉应力不超过0.2MPa，满足规范要求。

4 结语

根据对南河水库的地形地貌、工程地质条件等方面的分析，结合实际情况，最适宜的坝型为均质土坝，均质土坝的材料单一，工序简单，能减少各工序间的干扰。同时对南河水库大坝进行了稳定性分析，通过边坡稳定计算分析、防浪墙稳定计算分析，以及荷载组合的抗滑稳定、抗倾稳定、抗浮稳定计算等，均符合规范要求，同时能够达到安全经济合理的目的。