宋景峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

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壩體泄水建筑物水力學(xué)模型試驗(yàn)及其穩(wěn)定性分析

宋景峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

文章針對(duì)錦凌水庫(kù)工程泄水建筑物布置和斷面情況進(jìn)行水力學(xué)模型試驗(yàn)，通過(guò)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了沖坑距溢流堰鼻坎、沖坑距底孔鼻坎以及沖刷坑上游反坡值，分析論證了溢流堰泄流能力偏于安全；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果，確定了溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處等出現(xiàn)負(fù)壓的位置以及最大流速發(fā)生位置和設(shè)計(jì)流量水面高程；引進(jìn)力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算了溢流壩段壩體和壩基的應(yīng)力，分析了溢流壩段抗滑穩(wěn)定性及深層抗滑穩(wěn)定性，得出結(jié)論：泄水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。該工程泄水建筑物結(jié)構(gòu)和斷面布置可為類(lèi)似壩體工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和工程指導(dǎo)。

水利工程；壩體設(shè)計(jì)；泄水建筑物；水工試驗(yàn)；穩(wěn)定性

0 引 言

壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置對(duì)于水利工程至關(guān)重要，如何確保壩體的結(jié)構(gòu)安全，防治失穩(wěn)事故已然成為目前水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-2]。目前的多數(shù)研究很多都是通過(guò)數(shù)值模擬等方式對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬研究，缺乏工程施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性研究。因此，通過(guò)水工試驗(yàn)對(duì)壩體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證極有必要[3]。

國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行的研究包括：沈輝，羅先啟，鄭安興[4]結(jié)合各對(duì)象技術(shù)及其軟件，協(xié)調(diào)合作，構(gòu)建基于工程地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場(chǎng)背景的幾何模型，提出適用于地應(yīng)力反演分析，壩體載荷、工程開(kāi)挖等因素影響下壩肩穩(wěn)定性分析的三維精細(xì)有限元計(jì)算模型，得出結(jié)論：組合地震荷載作用下，所有楔塊安全系數(shù)均大幅下降，但仍具有一定的安全裕度；於正芳，宮必寧，方傳斌[5]通過(guò)分析水工建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)特性、振動(dòng)特性及其地震作用下的反應(yīng)狀況，引入非壩體建筑物模型試驗(yàn)，深入研究模型試驗(yàn)的邊界條件、材料參數(shù)、地震動(dòng)能耗散等重點(diǎn)問(wèn)題，確定試驗(yàn)基本參數(shù)和數(shù)據(jù)依據(jù)；嚴(yán) 瓊，吳順川，李 龍[6]以山西襄汾尾礦壩 2008 年潰壩案例為研究背景，分別采用應(yīng)力-滲流耦合和連續(xù)-離散耦合數(shù)值分析方法建立數(shù)值模型，引入浮重度參數(shù)，將壩體材料考慮為在靜水作用下的含水土體，可用于連續(xù)-離散耦合算法，其模型計(jì)算結(jié)果與潰壩成因基本一致；何柱，劉耀儒，楊強(qiáng)[7]；孫從露，徐洪，楊建國(guó)[8]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)某工程壩體施工以及溫度動(dòng)態(tài)變化等進(jìn)行數(shù)值分析，確定材料力學(xué)參數(shù)，研究對(duì)壩體進(jìn)行三維非線性仿真計(jì)算，以預(yù)測(cè)壩體在下一階段蓄水以及最終蓄水后的穩(wěn)定性等。

此外，盧洪彥，付 樹(shù)，陳 旭[9]，劉小生，趙劍明，王鐘寧[10]等眾多學(xué)者對(duì)壩體泄水建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對(duì)泄水建筑物的結(jié)構(gòu)的能夠進(jìn)行驗(yàn)證，取得了一定的研究成果。

文章以錦凌水庫(kù)工程泄水建筑物布置和斷面情況為背景，通過(guò)水工試驗(yàn)對(duì)溢流堰泄流能力等進(jìn)行了計(jì)算和分析，引進(jìn)力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算溢流壩段壩體和壩基的應(yīng)力，分析溢流壩段抗滑穩(wěn)定性及深層抗滑穩(wěn)定性，對(duì)泄水建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

溢流壩段布置于河道右岸的主河床位置，設(shè)有10個(gè)泄洪表孔，布置在②-⑩壩段上，采用開(kāi)敞式孔口，主要擔(dān)負(fù)水庫(kù)泄洪任務(wù)，壩段樁號(hào)為0+579.00-0+756.50。溢洪壩泄流凈寬150.0m，總寬177.50m，單寬泄流量90.49m3/s。每孔設(shè)有弧形作門(mén)控制，由壩頂門(mén)式啟閉機(jī)啟閉，弧門(mén)上游設(shè)檢修疊梁鋼閘門(mén)。溢流壩采用WES型堰面曲線，下游直接通過(guò)半徑為25.0m的反弧曲線，與挑流消能鼻坎相連。堰頂高程51.30m，堰體上游段采用1/4橢圓曲線。采用堰體分縫型式，單壩段長(zhǎng)17.50m，邊壩段長(zhǎng)10.00m，堰體分縫采用銅片止水，并沿堰面布置。

根據(jù)工程布置堰高P1=22.00m，Hmax=12.26m，P1≥1.33Hd，溢流堰屬于高堰，定型設(shè)計(jì)水頭Hd= (0.75-0.95)Hmax。挑流鼻坎反弧半徑確定為25.0m，反弧最低點(diǎn)高程為35.158m。根據(jù)反弧段內(nèi)最大流速，最大單寬流量均不是太大，因此本工程反弧段半徑確定為25.0m，反弧最低點(diǎn)高程為35.158m。下游最高水位為36.98m，根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)確定的出射角及半徑，最后確定坎頂高程36.80m。

2 溢流壩水工模型試驗(yàn)研究

2.1 水工模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證選用泄水建筑物布置和斷面的可行性和合理性，在本階段委托遼寧省水利水電科學(xué)研究院對(duì)錦凌水庫(kù)樞紐工程泄水建筑物進(jìn)行了水工斷面、水工整體的水力學(xué)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上下游水流流態(tài)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。斷面模型比例為1∶50 ，整體模型比例為1∶100，河床按靜/動(dòng)床狀態(tài)考慮。水工模型試驗(yàn)測(cè)定水面線高程如下表1所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果及分析見(jiàn)表2。

如表2所示，經(jīng)分析論證，試驗(yàn)溢流壩泄流能力在設(shè)計(jì)水位情況下較計(jì)算多4.0%，校核水位情況下較計(jì)算多1.4%，設(shè)計(jì)采用試驗(yàn)成果進(jìn)行計(jì)算。沖坑水工模型試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

根據(jù)表2和表3可知：試驗(yàn)表明，該方案下溢流堰及底孔段沖坑距挑流鼻坎均較遠(yuǎn)，校核流量時(shí)沖坑距溢流堰鼻坎90m，沖坑距底孔鼻坎70m，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，溢流堰泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而且偏于安全。溢流堰斷面試驗(yàn)下泄水流流態(tài)良好，挑距較遠(yuǎn)，特征流量下坑距與沖深之比均>3，不會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生較大威脅。

根據(jù)模型試驗(yàn)壓力觀測(cè)成果，溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處均有負(fù)壓出現(xiàn)，最大負(fù)壓值-2.4m水頭，由于泄水建筑物負(fù)壓是在超溢流堰面設(shè)計(jì)水頭(>0.85H設(shè))情況下產(chǎn)生的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生幾率小而且此時(shí)過(guò)流時(shí)間較短，負(fù)壓不易對(duì)泄水建筑物產(chǎn)生較大破壞。在溢流堰反弧段及挑流鼻坎附近均有高速水流出現(xiàn)，最大流速發(fā)生在挑流鼻坎處，時(shí)流速21.38m/s。

表1 各測(cè)點(diǎn)位置及特征流量水面高程

表2 溢流壩水工模型試驗(yàn)泄流能力成果表

表3 沖坑水工模型試驗(yàn)成果表

由于水庫(kù)地址條件較差，特征流量下在泄水建筑物下游40-100m范圍內(nèi)形成沖刷坑，沖刷坑的巖土料在壩下100-200m范圍內(nèi)淤積，抬高了下游河床，使淤積下游水位平均壅高1.2-3.1m，設(shè)計(jì)流量時(shí)壩軸線下游200m平均水面高程39.1m，下游300m平均水面高程38.2m，下游400m平均水面高程37.6m，下游500m平均水面高程37.2m。

3 壩體建筑物穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

3.1 荷載組合

各壩段穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算的荷載組合見(jiàn)表4。

表4 壩段各施工斷面荷載組合情況匯總表

3.2 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，溢流壩段最低建基高程16.00m，坐落在熔巖弱風(fēng)化中部。因此，取堰體整體利用材料力學(xué)法，剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算?？够€(wěn)定計(jì)算公式：

(1)

式中：K′為抗滑定安全系數(shù)；A為壩基面截面積；f′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)較小值，f′=0.75MPa；C′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝集力較小值，C′=0.65MPa；J為壩基面截面積對(duì)形心軸的慣性矩，m4。

壩基面應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

式中：K′為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；σy為壩踵、壩趾垂直應(yīng)力，kPa；∑M為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面形心力矩，kN·m；J為壩基面截面積對(duì)形心軸的慣性矩，m4；x為壩基面截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m。

圖1 溢流壩穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)組合作用組合考慮情況作用類(lèi)別持久狀況偶然狀況基本組合特殊組合正常蓄水位設(shè)計(jì)洪水位冰凍情況校核洪水位施工期抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值3 823 873 973 763 71規(guī)范值3 03 03 02 52 5壩踵垂直正應(yīng)力計(jì)算值/MPa0 170 200 140 050 15允許值/MPa00000壩趾垂直正應(yīng)力計(jì)算值/MPa0 950 920 911 050 82允許值/MPa28 028 028 028 028 0

由以上計(jì)算成果可知，溢流壩段抗滑穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的安全值，壩鍾處無(wú)拉應(yīng)力，壩址處壓應(yīng)力均小于壩基容許壓應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

3.3 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算及分析

(3)

式中：W為作用于壩體上的全部荷載的垂直分值，kN；H為作用于壩體上的全部荷載的水平分值，kN；G1，G2為楔體重量的垂直作用力，kN；f1,f2為體滑動(dòng)面的抗剪斷系數(shù)，取0.75；c1,c2為楔體滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力，取0.65；A1,A2為楔體滑動(dòng)面的面積，m2；Q為楔體間的作用力，kN；ψ為楔體間的作用力與水平面的夾角，°；U1,U2,U3為楔體滑動(dòng)面及楔體形的揚(yáng)壓力，kN；α，β為楔體滑動(dòng)面與水平面的夾角，°。壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算成果可知，溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的安全值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)錦凌水庫(kù)工程泄水建筑物布置和斷面情況進(jìn)行水力學(xué)模型試驗(yàn)，測(cè)定水面線高程并進(jìn)行了校核，確定了沖坑距溢流堰鼻坎90m、沖坑距底孔鼻坎70m以及沖刷坑上游反坡值1:3-1:6之間，溢流堰泄流能力偏于安全。

2)通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)分析，溢流壩堰頂下游附近和鼻坎、挑坎處均有負(fù)壓出現(xiàn)，最大負(fù)壓值-2.4m水頭，最大流速發(fā)生在挑流鼻坎處，時(shí)流速達(dá)到21.38m/s，并確定了設(shè)計(jì)流量水面高程。

3)計(jì)算了溢流壩段壩體和壩基的應(yīng)力，溢流壩段抗滑穩(wěn)定和深層抗滑穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定安全值，壩鍾處無(wú)拉應(yīng)力，壩址處壓應(yīng)力均小于壩基容許壓應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，該研究成果可為類(lèi)似壩體工程的設(shè)計(jì)提供參考。

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Hydraulic Model Test of Discharge Structure on Dam Body and Its Stability Analysis

SONG Jing-feng

(Anshan Hydrology Bureau of Liaoning province,Anshan 114000,China)

According to the discharge structure layout and section situation of Jinling reservoir, by calculating the model test, the hydraulic model test was conducted in the paper to determine the scour hole from the overflow weir bucket, bucket bottom scour distance and scour upstream against the slope value, and also analyze the discharging capacity of overflow weir on the safe side. In line with the results observed from the monitoring data, the position appearing negative pressure, the location of maximum flow velocity and surface elevation of design discharge were determined near the downstream of the spillway crest and the bucket; relevant theory about mechanics was introduced to calculate the stress of spillway dam and dam foundation and analyze the stability against sliding on spillway dam section and deep layer. A conclusion is drawn that the discharge structure meets the demands of design. The structure and section arrangement of the discharge structure can provide references and guidance for design and construction of similar dam projects.

water conservancy project; dam design; discharge structure; hydraulic test; stability

1007-7596(2017)03-0009-04

2017-02-24

宋景峰(1969-)，男，遼寧鞍山人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗恼揪W(wǎng)建設(shè)與規(guī)劃，水文遙測(cè)技術(shù)等。

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