白石水库坝体结构稳定性计算评价

刘 洋

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

1 概 述

白石水库是辽宁省大凌河干流上的大(1)型水利枢纽工程，是一座以防洪、灌溉、城市供水为主，兼顾发电、养鱼的控制性骨干工程，其工程的安全性和稳定性关系着千万百姓的生命财产安全，所以定期对水库坝体结构进行稳定性安全评价至关重要。本文采用现场检查、监测资料计算分析等多种方法，对现状条件下水库坝体各个坝段进行稳定性安全计算分析，为水库管理部门的运行维护工作提供数据及理论支撑。

2 工程概况

白石水库枢纽拦河坝为混凝土重力坝。挡水坝、溢流坝内部、底孔、电站、取水等坝段的下部采用碾压混凝土RCD工法施工，型式为“金包银”。而底孔、电站、取水等坝段的上部仍为常态混凝土。白石水库从左至右由左岸挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、取水坝段、电站坝段组成，坝顶全长513m，总计32个坝段。挡水坝段左岸设6个坝段(0～5号)，右岸设5个坝段(27～31号)。溢流坝段布置在河床左侧，共12个坝段(6～17号)，设置11个溢流表孔，下泄水流采用异型宽尾墩挑流消能型式。底孔坝段布置在河床右侧，共6个坝段(18～23号)，坝段上游面与坝轴线重合。取水坝段(24号)位于底孔坝段与电站坝段之间，取水坝段坝顶高程与挡水坝相同。电站坝段紧邻取水坝段右侧，共两个坝段(25号、26号)，电站为坝后式电站。

3 坝体结构稳定性计算评价

3.1 计算工况

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)，大坝抗滑稳定及应力计算的荷载组合分为基本组合和特殊组合，故计算工况如下：

a.基本组合。工况1：正常蓄水位127.00m(溢流坝段采用最高挡水位130.24m计算)。

工况2：设计洪水位132.27m，下游水位101.20m。

b.特殊组合。

工况3：校核洪水位133.88m，下游水位103.35m。

3.2 计算参数

建筑物级别： 1级建筑物； 混凝土重度： 24kN/m3；水重度：10kN/m3；泥沙淤积高程：97.42m；泥沙饱和重度：18kN/m3；泥沙内摩擦角：18°。

扬压力折减系数实测值：11号坝段a1=0.37，20号坝段a1=0.46，24号坝段a1=0.37，28号坝段a1=0.76。

抗剪断参数：白石水库初设阶段给出的物理力学参数见表1，根据施工开挖揭露，验收阶段按岩性给出的统一岩体物理力学参数建议值：玄武质安山岩饱和抗压强度为44.4MPa；岩体抗剪断f′为0.85，c′为0.45；混凝土与基岩接触面抗剪断f′为0.95，c′为0.70。本次安全评价采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)附录E中表E.0.4的评价标准，按照坝基岩体工程地质分类，对坝基岩体的物理力学参数进行了修正。11号坝段坝基分类为BⅣ，20号、24号、28号坝段坝基分类为BⅢ。各阶段岩体物理力学参数建议值对比见表1。

表1 岩体物理力学参数建议值

3.3 荷载组合

荷载组合分为基本组合和特殊组合，见表2。

表2 荷载组合

3.4 计算方法

由于坝基不存在沿基础岩体内部滑动的软弱结构面，故本次只进行大坝与基岩接触面的稳定和应力以及碾压层面的抗滑稳定计算。

a.稳定计算采用抗剪断公式进行：

(1)

式中K′——按抗剪断强度计算的稳定安全系数；

f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；

c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断黏聚力，kPa；

∑W——作用于坝体上全部荷载对于滑动平面法向分力之和(包括扬压力)；

∑P——作用于坝体全部荷载对于滑动平面的切向分力之和(包括扬压力)；

A——坝基接触面截面积。

挡水坝段选取最高挡水坝段5号坝段，溢流坝段选取11号坝段，底孔坝段选取20号坝段，取水坝段选取24号坝段。

b.坝基截面垂直正应力计算采用下式进行：

(2)

式中σy——坝踵、坝址垂直应力，kPa；

∑W——作用于坝段上全部荷载的法向总和，kN；

∑M——作用于坝体上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN·m；

A——坝基接触面截面积，m2；

x——坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；

J——坝段的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。

c.岸坡坝段受三向荷载作用，其抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式进行。岸坡坝段仍采用河床坝段的抗剪断参数，即f′=0.95，c′=0.7MPa。计算时以28号坝段为代表坝段。

(3)

d.碾压混凝土坝层间稳定计算。大坝采用碾压混凝土RCD工法施工，碾压层厚0.75m，计算选择最高挡水坝段，即5号坝段。坝段基础高程88.0m，基础常态混凝土盖板厚2.0m，其顶面高程90.0m，第一层碾压混凝土顶面高程90.75m。

本次计算选择第一碾压层(即90.75m高程层面)以及以上每10层选取的一个计算截面(即98.25m、105.75m、113.25m碾压层)。126.705m高程为下游面变坡点，此处也选为计算截面。层间抗剪断参数采用坝体原位抗剪断实验复核值，f′=1.11，c′=0.59MPa。

3.5 计算结果及分析评价

采用以上计算方法，对最高挡水坝段5号坝段、溢流坝段11号坝段、底孔坝段20号坝段、取水坝段24号坝段，以及岸坡坝段28号坝段进行稳定及坝基应力计算(见表3)。对最高挡水坝段5号坝段的第一碾压层(即90.75m高程层面)以及以上每10层选取的一个计算截面和下游面变坡点截面进行碾压混凝土坝层间稳定计算(见表4)。计算结果表明，挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、取水坝段、岸坡坝段及碾压层面抗滑稳定及坝基应力均满足规范要求。

表3 稳定及坝基应力计算成果

表4 混凝土层间稳定计算成果

4 坝体应力计算评价

本次坝体应力计算是通过计算运用期坝体上游面的垂直应力是否出现拉应力以及坝体最大主应力是否大于混凝土的允许压应力值来复核其安全性。计算坝段采用最高挡水坝段，即5号坝段。5号坝段坝顶高程134.3m，底高程88.0m。对124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7个截面进行复核。现场检测的挡水坝段混凝土抗压强度最小值为34.2MPa(见表5)。

表5 坝体应力计算成果

续表

计算表明，运行期大坝上游未出现拉应力；坝体最大主压应力出现在下游面，计算值与检测值对比，抗压安全系数大于4，满足《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)要求。

5 结 论

a.通过对最高挡水坝段5号坝段、溢流坝段11号坝段、底孔坝段20号坝段、取水坝段24号坝段，以及岸坡坝段28号坝段进行稳定及坝基应力计算，各坝段在不同荷载组合工况下其安全系数均大于规范允许值，满足规范要求，各坝段整体稳定，结构基本安全。

b.通过对最高挡水坝段5号坝段的第一碾压层以及以上每10层选取的一个计算截面和下游面变坡点截面共5个截面进行碾压混凝土坝层间稳定计算，各截面在不同荷载组合工况下其安全系数均大于规范允许值，满足规范要求，坝体层间稳定。

c.通过对最高挡水坝段5号坝段124.3m、119.3m、114.3m、109.3m、104.3m、99.3m、94.3m共7个截面进行应力复核，各截面运行期大坝上游均未出现拉应力，坝体抗压安全系数大于4，满足规范要求。fffff8