刘浩哲彭杰帅
(1.长沙市雅礼中学长沙市410007;2.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007)
宝峰湖水库结构安全复核计算分析
刘浩哲1彭杰帅2
(1.长沙市雅礼中学长沙市410007;2.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007)
宝峰湖水库原名施家峪水库,位于张家界市武陵源区的施家峪峡谷处,大坝为浆砌石拱坝。文章针对宝峰湖水库的现状,采用浙江大学编“杆元分载六向调整多拱梁”程序通过对大坝的位移计算、坝体应力计算、坝肩稳定分析等方面来对大坝进行结构安全复核计算,并对计算结果进行了综合分析。
宝峰湖水库拱坝坝体应力计算坝肩稳定分析
宝峰湖水库原名施家峪水库,位于张家界市武陵源区的施家峪峡谷处,下距区政府2 km,始建于l974年冬季,l978年11月坝后电站投产发电,1982年大坝完建。水库坝址控制集雨面积8.21 km,干流长度5.73 km,于流平均坡降71.73‰。设计灌溉面积2 000亩,电站装机2台120 kW机组,是一座以灌溉、防洪、发电为主综合利用的小(Ⅰ)型水利工程。枢纽工程由大坝、溢洪道、发电涵管、坝后电站、冲砂放空底涵等建筑物组成。
宝峰湖水库位于山丘区,总库容503.19万m3,大坝为浆砌石拱坝,根据及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)第2.1.1条、2.1.2条、2.2.1条的规定,该水库为小(Ⅰ)型水库,属Ⅳ等工程,主要建筑物级别为4级,次要建筑物级别为5级。根据该水库库容、灌溉面积、安全等因素考虑以及宝峰湖水库重要的地理位置,确定其设计洪水标准仍为50年一遇,校核洪水标准为500年一遇,溢洪道消能防冲标准为20年一遇。
大坝为浆砌石拱坝,1982年建成时最大坝高71.575 m,坝顶高程440.0 m,坝项厚2.5 m,坝底厚度6.0 m。溢洪道进口处修筑浆砌石溢流堰时,坝顶进行了改建,坝项高程变为441.94 m,最大坝高为73.515 m。2003年在大坝坝体迎水面高程铺设厚度(0.3~0.5)m的混凝土防渗面板,坝顶厚度加厚至2.8 m,坝底厚度仍为6.0 m。
大坝建在裂隙状的“一线天”地形,立面呈长“S”形。谷底标高368.425 m时,宽6.48 m,高程442 m时宽1.7 m,402 m高程时仅有2 m宽。
2.1 拱坝结构安全复核采用的原体参数
(1)拱圈几何参数。大坝由两种坝形构成,坝基至高程429.214 m这段拱坝为变圆心变半径对称等厚单曲拱坝,以上部分拱坝为变圆心变半径不对称等厚倾斜拱座单曲拱坝。各控制高程拱圈参数列于表1。
表1 拱圈参数
(2)材料物理力学指标。
坝体:容重采用:2.2 t/m3;线膨胀系数选用:8e-6k-1;弹性横量选用:6 GPa;泊松比:0.25;允许压应力:2.1 MPa(基本组合);允许压应力:2.5 MPa(特殊组合);控制拉应力:0.7 MPa坝基岩石:容重采用:2.4 t/m3;弹性横量选用:(9~11)GPa;泊松比:0.25。
(3)大坝上下游特征水位采用本次复核值(与原设对比如表2)。
表2 特征水位对比表
(4)坝体物理力学参数按SL 25-2006规范取值如表3。
表3 坝体物理力学参数表
(5)坝基变形模量:复核分高程取值为如表4。
表4 坝基变形模量分高程取值表
2.2 拱坝结构安全复核荷载计算
(1)坝体自重:与混凝土拱坝结构不同,浆砌石拱坝的自重作为荷载由拱和梁共同承担。
(2)浪压力:按规范SL 25-2006附录C的公式计算。
(3)扬压力:该拱坝厚高比0.082,本次复核和原设计,在拱坝应力计算时,均不计扬压力,但复核拱坝坝肩稳定时,计入了扬压力。
(4)坝下游水压力:相应于表2列示的坝下游水位对坝体的作用力。
(5)坝上游水压力:相应于表2列示的坝上游水位对坝体的作用力。
(6)坝上游泥沙压力见表5。
表5 坝上游泥沙压力
(7)温度荷载:
式中T——计算高程处拱圈厚度(m)。
复核计算,按SL 25-2006附录C有关规定计算。
坝址多年平均气温16.8℃。坝址多年月平均气温如表6。根据拱坝施工人员回忆和施工具体情况,确定拱坝各计算高程的封拱温度如表7。
表6 坝址多年月平均气温表
表7 拱坝各计算高程封拱温度
计算所得温差荷载列如表8,表中Tm表示沿拱圈截面厚度的平均温度,Td表示等效线性温差。
表8 温差荷载表℃
本次复核计算是应用伏克特假定计算坝基变形对坝体应力的影响,复核计算是采用(基础矩形当量长宽比)精确公式计算地基变位系数。
2.3 坝体应力复核计算选定的荷载组合
根据该拱坝的体形特点,坝体应力计算选择两种控制荷载组合:
(1)组合1:基本荷载组合。
水库正常蓄水位+坝下游水位+设计正常温降+自重+泥沙压力+浪压力。
(2)组合2:特殊荷载组合。
水库校核洪水位+坝下游水位+设计正常温升+自重+泥沙压力+浪压力。
2.4 拱坝结构稳定复核计算方法
本次复核计算,采用浙江大学编“杆元分载六向调整多拱梁”程序完成计算,杆元分载法是综合了试载法、有限元、格栅法、内力平衡法等各种拱坝应力分析方法的优点。
2.5 复核计算结果
拱坝控制应力与最大位移列于表9。两种荷载组合情况下正应力列于表10~表11。规定拉应力为负,压应力为正,指向上游的位移为正。
2.6 复核计算应力、位移成果分析
由计算成果可知,最大径向位移数值为6.4 mm,指向下游,出现在拱冠梁顶部。这是因为温降使坝轴线收缩,使坝体向下游变位,与水压力产生的变位方向相同,变位叠加。基本荷载组合l的最大主拉应力为-0.41 MPa,最大主压力为0.86 MPa,特殊荷载组合2的最大主拉应力为-0.43 MPa,最大主压应力为0.87 MPa,位移、应力分布符合规律,其最大主压应力小于坝体浆砌石容许压应力(2.5 MPa),最大主拉应力小于浆砌石坝体控制拉应力0.7 MPa,最大主拉应力出现在拱冠梁底部368.43~386.304 m高程的上游面(详见T2.1.6)。
基本组合:
(表10)上游面第一主应力(0.1 MPa);
(表11)上游面第二主应力(0.1 MPa);
(表12)下游面第一主应力(0.1 MPa);
(表13)下游面第二主应力(0.1 MPa)。
特殊组合:
(表14)上游面第一主应力(0.1 MPa);
(表15)上游面第二主应力(0.1 MPa);
(表16)下游面第一主应力(0.1 MPa);
(表17)下游面第二主应力(0.1 MPa)。
表9 控制应力与最大位移
表10 上游面第一主应力(基本组合)
表11 上游面第二主应力(基本组合)
根据宝峰湖水库坝区工程地质条件,坝基及坝后的岩石为石英砂岩,坝肩部分未发现不利于坝肩稳定的断层、软弱夹层及节理面,坝肩基岩均匀单一,强度高,刚度大,岩层面接近水平状,故坝肩基岩是稳定的。由于在高程430 m以下拱坝没有径向拱座,拱端面线与基准面平行线夹角为0,所以可能存在拱坝坝端和基岩间的滑动稳定问题。
根据《浆砌石坝设计规范》SL 25-91第5.3.4条规定,拱坝抗滑稳定分析可采用抗剪断公式k1=∑(Nf1+C1A)/∑T计算,或采用抗剪公式k1=∑(Nf1)/∑T计算。根据宝峰湖大坝具体情况,采用抗剪断公式计算大坝坝端抗滑稳定比较符合实际。
表12 下游面第一主应力(基本组合)
表13 下游面第二主应力(基本组合)
表15 上游面第二主应力(特殊组合)
表16 下游面第一主应力(特殊组合)
表17 下游面第二主应力(特殊组合)
宝峰湖水库工程为Ⅳ等工程,大坝为4级建筑物,根据《浆砌石坝设计规范》SL 25-2006第6.3.4条规定,当釆用抗剪断强度公式计算时,最小抗滑稳定安全系数基本组合为3.0,特殊组合为2.5。
各高程的拱端轴力、剪力及抗滑稳定安全系数如表18。
表1 8各高程的拱端轴力,剪力及抗滑稳定安全系数
从表中数据可以看出,基本组合在411.814 m,386.304 m,368.43 m高程的抗滑稳定安全系数略大于规范要求,其它高程抗滑稳定安全系数都达到了规范要求;特殊组合的抗滑稳定安全系数均符合规范要求。从总体来看,坝体整体的抗滑稳定安全系数基本符合规范要求,故在本次复核情况下,宝峰湖水库大坝坝体抗滑稳定性是安全的。
说明:表中拉力为负,压力为TR。表中括号里的值为右拱座的轴力和剪力及安全系数,其它为左拱座的轴力和剪力及安全系数。
本文对宝峰湖水库大坝坝体的应力及位移计算分析,得出拱坝的径向位移、应力分布符合规律,其最大径向位移数值为6.4 mm,指向下游,拱坝变位属正常状态。其最大主压应力小于坝体浆砌石容许压应力(2.5 MPa),最大主拉应力小于浆砌石坝体控制拉应力0.7 MPa。坝体整体的抗滑稳定安全系数基本组合K’均大于3.0,特殊组合K’均大于2.5,符合规范要求,宝峰湖水库大坝坝体抗滑稳定性是安全的。通过对大坝的位移及应力计算、坝肩稳定分析,为工程安全分析提供重要的数据依据,对保障下游人民生命财产安全有着重要的意义。
2016-11-24)
刘浩哲(1999-),男,在校学生;彭杰帅(1987-),男,工程师,从事水库大坝设计工作,电话:0731-85486206。