基于实例浆砌石拱坝结构安全评价分析

刘昱煜，陈向明，郑汉种

(1.武义县宣平溪水电工程管理处，浙江 金华 321200；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020)

浆砌石拱坝在国内拱坝建设中占比最高，据统计已建和在建的拱坝中约有90%为浆砌石拱坝。浆砌石拱坝能够如此被广泛运用，具有如下不可代替的优势，其一山区石材多土少，便于就地取材，节省钢材、木材和水泥等材料；其二工程量比同样高度的混凝土重力坝约小40%左右，使枢纽布置紧凑，施工导流和度汛较易解决；其三施工技术便于群众掌握，建坝劳动力容易解决，施工成本较低。马福恒等[1]在对大坝水平位移观测资料定性和定量分析的基础上，采用拱冠梁法和三维有限元法对金坑水库拱坝的结构性态进行了计算分析；滕树生等[2]在方家沟浆砌石拱坝加高处理时将老坝的顶部作为新坝的基础，对缝面按滑动缝的设置作了相应的处理，并采用成熟的计算理论对坝体加高后进行应力计算和分析；孙启亮等[3]对友谊水库浆砌石拱坝进行应力稳定计算，通过对计算结果的分析，并结合该工程的实际情况，提出合理的整治措施；高玉峰[4]引入均质化思想把浆砌石拱坝分为坝面与坝腹两部分，分别进行等效材料模拟；吕君等[5]基于非线性多拱梁法分析龙潭砌石拱坝和石门砌石拱坝的坝体应力及其在拉压与剪切破坏模式下的拱坝结构安全度。目前，未对浆砌石拱坝在加高前后的结构安全进行系统评价分析，文章根据武义县梁家山水库的建设要求，运用拱梁分载法，分别在现状工况和设计工况下对大坝的坝体应力和拱座抗滑稳定进行分析评价。

1 工程概况

武义县梁家山水库位于金华市武义县柳城镇梁家山村上游，库区涉及柳城、大源两个乡镇。属瓯江水系宣平溪支流石猫坑溪，原设计上游集雨面积3.5km2，主流长度3km，源短流急，多年平均降雨量1700mm。浆砌石拱坝原设计为小二型水库，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，按30年一遇设计，相应水位446.85m，相应库容16.8万m3，300年一遇校核，相应水位447.08m，校核库容17.4万m3，坝址河谷较狭窄，两岸基岩裸露。主要建筑物由浆砌石双曲拱坝和输水涵管组成。大坝为浆砌石双曲拱坝，原设计坝顶高程447.6m，最大坝高32.0m，坝顶宽度1.95m，坝长度约90m，溢洪坝段位于大坝中间，堰顶高程446.0m，堰宽30.0m，堰型为WES堰，跌流消能。现状坝顶高程430～431.0m，最大坝高15.0m，坝顶宽度约3.4m，坝长约50m，在上游建2.5m高左右的浆砌石挡墙，整个坝段从浆砌石挡墙顶溢流，如图1所示。

图1 现状坝体布置图

梁家山水库1989年冬天开建，由于缺乏资金，至1993年初停工，未达设计标高即开始蓄水，至今已经运行24年，由于当地旅游开发，经济建设需要，根据当地相关部门要求需要恢复建设，因此需要对水库的运行状态做一次全面评价，对原设计进行安全性复核与评价，为后续建设和运行管理提供依据。

2 坝体应力计算

2.1 坝体结构安全控制标准

梁家山水库大坝为5级建筑物，按照SL 25—2006《浆砌石坝设计规范》的规定：当采用拱梁分载法计算时，坝体容许压应力等于筑坝材料的极限抗压强度除以安全系数。基本荷载组合安全系数采用3.5；特殊荷载组合安全系数采用3.0。本工程筑坝材料为细骨料浆砌毛石，表面材料为细骨料浆砌块石，根据SL 25—2006的规定，砌石体的极限轴心抗压强度为10.2MPa。

容许压应力：基本荷载组合：容许压应力取2.9MPa；特殊荷载组合：容许压应力取3.4MPa；坝体容许拉应力：根据浙江省砌石拱坝经验，取1.0MPa；采用刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析时，拱座抗滑稳定安全系数(按抗剪断公式)：正常情况K≥3.0，非常情况K≥2.5。

2.2 计算方法

坝体应力计算采用SL 282—2018《混凝土拱坝设计规范》规范推荐的拱梁分载法。本次坝体应力复核采用ADAO程序(浙江大学编制的拱坝分析及优化系统)进行计算，同时计算拱冠梁顶部的位移。

2.3 计算工况

根据本工程特点以及SL 282—2018的规定，选择下列4种计算工况进行计算：工况1：基本组合，正常蓄水位+泥沙压力+自重+温降；工况2：基本组合，死水位+泥沙压力+自重+温升；工况3：基本组合，设计洪水位+泥沙压力+自重+温升；工况4：特殊组合，校核洪水位+泥沙压力+自重+温升。

本工程现状工况下，拱坝厚高比为0.432，属厚拱坝，设计工况下，拱坝厚高比为0.205，属中厚拱坝，应力计算中应考虑扬压力。

2.4 计算指标的选用

2.4.1特征水位与特征高程

根据梁家山水库大坝设计图及水文复核成果，设计工况和现状工况的工程特征水位与特征高程见表1。

表1 特征水位与特征高程表

2.4.2物理力学参数

根据梁家山水库坝址地质资料以及大坝混凝土内部观测资料分析成果，并参考类似工程，在拱坝坝体应力计算时采用的指标见表2。

表2 基岩与坝体物理力学参数表

2.4.3坝体温度荷载：

根据实际坝体温度的变化规律及水库的运行情况，采用两种温度荷载：一是温升荷载为坝体多年9月份的平均最高温度减去封拱时温度；二是温降荷载为坝体多年3月份的平均最低温度减去封拱时温度。

2.5 计算结果

根据上述条件采用《拱坝分析及优化系统ADAO》计算得到的主要成果汇总见表3，详细的应力分布情况如图2—3所示。

表3 应力计算主要成果表

图2 设计工况应力图

图3 现状工况应力图

2.5.1现状工况

(1)压应力

各种基本荷载组合下，最大压应力为0.88MPa(工况1，下游坝面)，发生在416.00m高程拱冠，小于该处容许压应力2.9MPa。特殊荷载组合下，最大压应力为0.52MPa(工况4，上游坝面)，发生在419.00m高程右拱端，小于该处容许压应力3.4MPa。因此，各种工况下坝体压应力满足规范要求。

(2)拉应力

基本荷载组合：坝体最大拉应力为0.38MPa(工况2，下游坝面)，发生在422.00m高程拱圈右拱端，小于容许拉应力1.0MPa，满足规范要求。特殊荷载组合下最大拉应力为0.22MPa(工况4，下游坝面)，发生在425.00m高程左拱端，小于容许拉应力1.0MPa，满足规范要求。

(3)理论计算得到拱冠梁顶部向上游位移最大值发生在工况2(高温低水位条件)，向上游位移为1.63mm；拱冠梁顶部向下游位移最大值发生在工况4(高温高水位条件)，向下游位移为6.72mm，位移变幅为8.35mm。

(4)从上述计算结果可见，现状工况下，各种计算工况下的最大压应力和最大拉应力均小于容许值，满足规范要求。

2.5.2设计工况

(1)压应力

各种基本荷载组合下，最大压应力为1.66MPa(工况2，上游坝面)，发生在425.00m高程右拱端，小于该处容许压应力2.9MPa；特殊荷载组合下，最大压应力为1.44MPa(工况4，上游坝面)，发生在428.00m高程拱冠，小于该处容许压应力3.4MPa。因此，各种工况下坝体压应力满足规范要求。

(2)拉应力

基本荷载组合：工况1条件下坝体最大拉应力发生在431.00m高程拱冠，为1.01MPa，工况3条件下坝体最大拉应力发生在431.00m高程拱冠，为1.03MPa，均略大于容许拉应力1.0MPa；其它基本荷载组合条件下的拉应力不大于1.0MPa，满足规范要求。特殊荷载组合下最大拉应力为1.05MPa，略大于容许拉应力1.0MPa。参照我省类似工程经验，分析认为本工况大坝应力状态目前尚属正常。

(3)理论计算得到拱冠梁顶部向上游位移最大值发生在工况2(高温低水位条件)，向上游位移为2.21mm；拱冠梁顶部向下游位移最大值发生在工况4(高温高水位条件)，向下游位移为6.44mm，位移变幅为8.65mm。见表3。

(4)从上述计算结果可见，坝体在温升条件下拉应力容易超标，设计洪水位+温升和校核洪水位+温升条件下，坝体下游面拉应力均稍大，最大拉应力大于容许拉应力。考虑到拱坝超载能力强，安全余度大，从已建成大坝运行情况来看，大坝已经历过高温低水位及高温高水位的最不利工况，尚未发现坝体有明显的结构性裂缝；其它计算工况条件下的拉应力满足规范要求；各种计算工况下的最大压应力均小于容许值，满足规范要求。因此，参照我省类似工程经验，分析认为设计工况大坝应力状态属于正常，但建议在今后建成运行中，避免在高温季节空库运行或采取坝面降温等措施。

3 拱座抗滑稳定评价

3.1 拱座抗滑稳定分析方法

在前面坝体应力复核的基础上，继续采用ADAO程序(浙江大学编制的拱坝分析及优化系统)对拱座抗滑稳定性进行分析，鉴于两岸坝肩未发现明显的不利结构面组合，采用平面分层核算其稳定性。

3.2 计算工况

根据有关规范和工程实际情况，复核计算时考虑了以下3种荷载组合工况：

工况1：基本组合，拱端推力(正常蓄水位+温降)+可能滑移岩体的重量+渗透压力。

工况2：基本组合，拱端推力(设计洪水位+温升)+可能滑移岩体的重量+渗透压力。

工况3：特殊组合，拱端推力(校核洪水位+温升)+可能滑移岩体的重量+渗透压力。

拱端推力采用相应荷载组合下应力计算成果中得到的拱座推力。渗压计算图形采用三角形分布，即坝踵处为全水头，假想滑动面下游坡的出露位置为零。

3.3 岩体参数的确定

根据现场施工揭示，坝基地质条件与初设勘察的结论基本相符，因此参照初设勘察时提供的岩体力学指标，在拱座稳定计算中采用f1=0.9，C1=0.55MPa，容重取24kN/m3。

3.4 拱座抗滑稳定复核成果

根据上述条件采用《拱坝分析及优化系统ADAO》计算得到的主要成果，各高程拱座抗滑稳定安全系数见表4。对上述拱座抗滑稳定安全系数计算成果分析如下。

表4 拱座抗滑稳定安全系数

3.4.1现状工况

基本荷载组合下，最小拱座抗滑稳定安全系数为3.03(工况2)，发生在433.40m高程左岸拱座，大于规范要求的3.0，满足规范要求。特殊荷载组合下，最小拱座抗滑稳定安全系数为2.98，发生在433.40m高程左岸拱座，大于规范要求的2.5，满足规范要求。

从上述拱座抗滑稳定复核成果看，大坝的拱座抗滑稳定安全系数均大于3.0(基本荷载组合)或2.5(特殊荷载组合)，满足规范要求；大坝基础处理符合设计和规范要求，因此该工况两岸及坝基安全稳定。

3.4.2设计工况

基本荷载组合下，最小拱座抗滑稳定安全系数为2.57(工况1)，发生在434.00m高程左岸拱座，小于规范要求的3.0，不满足规范要求。特殊荷载组合下，最小拱座抗滑稳定安全系数为2.62，发生在434.00m高程左岸拱座，大于规范要求的2.5，满足规范要求。

3.4.3复核成果

从上述拱座抗滑稳定计算成果看，基本荷载组合，大坝最小拱座抗滑稳定安全系数小于3.0，不满足规范要求；特殊荷载组合，大坝最小拱座抗滑稳定安全系数均大于2.5，满足规范要求；设计工况下，工程两岸及坝基安全稳定局部不能符合设计和规范要求。

4 结语

终上所述，现状工况下大坝应力和拱座抗滑稳定均能满足要求；设计工况下，坝体在温升条件下拉应力容易超标，考虑到拱坝超载能力强，安全余度大，从已建成大坝运行情况来看，大坝已经历过高温低水位及高温高水位的最不利工况，尚未发现坝体有明显的结构性裂缝；最大压应力均小于容许值，满足规范要求。参照类似工程经验，分析认为设计工况大坝应力状态属于正常。

建议在今后建成运行中，避免在高温季节空库运行或采取坝面降温等措施。工程两岸及坝基安全稳定局部不能符合设计和规范要求，故建议该大坝保持原状，不进行大坝加高改造工程。