郭 戎

(黔南州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，貴州 黔南 558000)

膠凝砂礫石壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

郭 戎

(黔南州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，貴州 黔南 558000)

本文以翁吟河水生態(tài)攔水堰工程膠凝砂礫石壩為研究對象，采用剛體極限平衡法和材料力學(xué)法對膠凝砂礫石材料壩進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算，供同類工程參考。

膠凝砂礫石壩；穩(wěn)定；應(yīng)力；分析

膠凝砂礫石壩與土石壩、重力壩不同，這種壩型核心技術(shù)為：在天然砂石料中加入適量水泥直接用于筑壩。這種壩型安全性高，壩基適應(yīng)性強(qiáng)，可取消溫控措施，施工迅速。國內(nèi)多位水利專家在推廣這項(xiàng)筑壩技術(shù)。目前國內(nèi)已有大壩工程和臨時圍堰工程在應(yīng)用此項(xiàng)筑壩技術(shù)。本文以貴州省惠水縣翁吟河水生態(tài)攔水堰工程樞紐膠凝砂礫石壩為研究對象進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力分析。

1 工程概況

翁吟河水生態(tài)攔水堰工程壩址以上集水面積339km2，多年平均徑流總量21628萬m3，多年平均流量6.64 m3/s。水庫校核洪水位971.784m，總庫容214萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫正常蓄水位967m，相應(yīng)庫容55.3萬m3，死水位與正常蓄水位相同。

經(jīng)專家論證批復(fù)，翁吟河水生態(tài)攔水堰工程壩型選擇為膠凝砂礫石壩，其首部樞紐由膠凝砂礫石壩、壩頂開敞式溢洪道、底流消能建筑物、右岸放空建筑物組成。壩頂軸線總長249.98m，壩頂寬5m，壩頂高程972.6m，壩軸線方位角為N98.0°E。

左、右岸非溢流壩段基本壩型為膠凝砂礫石壩，壩軸線采用直線布置，左岸長138.5m，右岸長55.48m，方位角為N98.0°E，河床建基面高程958m，壩頂高程972.6m，最大壩高14.6m，壩頂寬5m，最大壩底寬度為22.52m。大壩上、下游壩坡均為1∶0.6，上、下游壩面澆筑一層厚0.5m鋼筋混凝土防滲(保護(hù))面板，大壩基本斷面為等腰梯形。

溢流壩段布置于河床中部，范圍為壩0+138.50～壩0+194.50，長56.0m，由控制段、泄槽段、底流消能段組成，堰頂高程967m，河床建基面高程958m，壩軸線方位角N98.0°E。溢流堰采用開敞式WES實(shí)用堰，凈寬50m，分為5孔，單孔凈寬10m，設(shè)4個中墩和2個邊墩，墩厚均為1m。堰上設(shè)置交通橋，采用板梁結(jié)構(gòu)。堰頂控制段進(jìn)口端底板高程為965m，采用平坡，則上游堰高為2m，進(jìn)口寬度為54m，長7m。堰頂上游堰頭曲線采用三圓弧曲線，其下接方程為y=0.17239x1.85冪曲線，冪曲線下接長0.44m、坡比為1∶0.7的直線段，直線段下接反弧段，反弧半徑5m，弧長4.8m。反弧末端接消力池護(hù)坦，消力池長23m，寬54m。消力池護(hù)坦采用φ25錨桿進(jìn)行錨固，錨桿長6m，間距3m；護(hù)坦底部設(shè)φ80豎向排水孔，孔距3m，梅花形布置。在消力池末端修建尾水坎，尾水坎頂部高程為961m。

右岸非溢流壩段布置有放空兼沖排沙孔，放空兼沖排沙孔底板高程為962m，孔徑為2m×2.2m，設(shè)檢修閘門和工作閘門各一扇，均采用平板鋼閘門。

2 大壩穩(wěn)定分析

根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》(SL 678—2014)(以下簡稱《導(dǎo)則》)，膠結(jié)顆粒料壩壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用抗剪斷強(qiáng)度公式或者抗剪強(qiáng)度公式，該工程大壩穩(wěn)定分析采用抗剪斷公式。大壩主要分為溢流壩段和非溢流壩段，并以各壩段最高斷面為典型斷面。計(jì)算荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合為正常蓄水位情況、設(shè)計(jì)洪水位情況，特殊組合為校核洪水位情況。

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式為

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′——壩基面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′——壩基面的抗剪斷黏聚力， MPa；

A——壩基接觸面截面積，m2；

∑W——作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載(包含揚(yáng)壓力)對滑裂面的法向分值，kN；

∑P——作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載(包含揚(yáng)壓力)對滑裂面的切向分值，kN。

各壩段荷載計(jì)算簡圖見圖1、圖2。

圖1 非溢流壩段荷載計(jì)算

圖2 溢流壩段荷載計(jì)算

荷載計(jì)算成果見表1、表2。

表1 非溢流壩段荷載計(jì)算成果

表2 溢流壩段荷載計(jì)算成果

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，由于非溢流壩段建基面一部分為強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖，另一部分為弱風(fēng)化含粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)小于弱風(fēng)化含粉砂質(zhì)泥巖抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)，則非溢流壩段抗滑穩(wěn)定由強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖控制，且強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)的混凝土/巖值小于巖/巖值，則非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖抗剪斷強(qiáng)度混凝土/巖參數(shù)，為f′=0.30、c′=0.08。溢流壩段建基面為強(qiáng)風(fēng)化冰磧礫巖，溢流壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)與非溢流壩段相同，為f′=0.30、c′=0.08。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表3、表4。

表3 非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表4 溢流壩段壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知，溢流壩段和非溢流壩段各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，抗滑穩(wěn)定安全。

3 大壩應(yīng)力分析

根據(jù)《導(dǎo)則》，大壩應(yīng)力分析采用材料力學(xué)法，膠凝砂礫石壩的壩基面壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力應(yīng)滿足：運(yùn)行期各荷載組合，壩踵不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力，施工期壩踵應(yīng)小于材料的允許拉應(yīng)力；在非地震工況下，內(nèi)部膠凝砂礫石不應(yīng)出現(xiàn)主拉應(yīng)力。故該工程計(jì)算分為運(yùn)行期和施工期，其中運(yùn)行期為正常蓄水位情況、設(shè)計(jì)洪水位情況、校核洪水位情況。

垂直應(yīng)力計(jì)算公式為

ΣM——作用于壩段上或1m壩長上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m，以使上游面產(chǎn)生壓應(yīng)力者為正；

T——壩體計(jì)算截面上、下游方向的寬度(壩底寬度)，m。

壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 非溢流壩段壩基應(yīng)力計(jì)算成果 單位：MPa

表6 溢流壩段壩基應(yīng)力計(jì)算成果 單位：MPa

由計(jì)算結(jié)果可知，在各種荷載組合下，非溢流壩段壩踵最小垂直應(yīng)力為0.123MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力；壩基最大垂直應(yīng)力為0.205MPa，小于壩基容許壓應(yīng)力0.8MPa。溢流壩段建基面最大垂直正應(yīng)力為0.151MPa，小于基礎(chǔ)承載力0.8MPa，小于膠凝砂礫石承載力6.0MPa。建基面最小垂直應(yīng)力為0.049MPa，壩趾無拉應(yīng)力。大壩應(yīng)力滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié) 語

膠凝砂礫石壩屬于新型推廣壩型，在國內(nèi)僅有一座永久性工程在建，壩體應(yīng)力和穩(wěn)定分析經(jīng)驗(yàn)并不豐富，該工程參照《導(dǎo)則》中的要求，采用材料力學(xué)法和剛體極限平衡法進(jìn)行膠凝砂礫石壩的穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算。這種計(jì)算方法也是目前膠凝砂礫石壩的主要計(jì)算方法。如工程遇到復(fù)雜地基，應(yīng)采用有限元等效應(yīng)力法。

[1] 劉學(xué)章.膠凝砂礫石壩特點(diǎn)及國外已建工程簡介[J].廣西水利水電，2011(3).

[2] 楊世鋒.膠凝砂礫石壩剖面設(shè)計(jì)研究[J].人民黃河，2016(11).

[3] 劉志明.膠凝砂礫石壩基本剖面研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(11).

Stability and Stress Analysis of Gelled Sandy Gravel Dam

GUO Rong

(QiannanWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Qiannan558000,China)

In this paper, the gelled sandy gravel dam of Wengyin River water ecological weir is the object of study. The rigid body limit equilibrium method and the material mechanics method are used to calculate the stability and stress of the gelled sandy gravel material dam for the reference of similar projects.

sandy gravel dam; stability; stress; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.021

TV64

B

1673-8241(2017)05- 0060- 04