平江县城关引水工程枢纽大坝稳定计算与分析

钟临风

（平江县水利水电勘测设计院 岳阳市 414500）

1 工程概况

平江县城关引水枢纽工程水源位于平江县三市镇尧塘村境内，汨罗江二级支流恩溪水中下游的尧塘水库，该水库距城关镇33km，是以供水为主，兼有防洪和发电等综合效益的小（1）型水利工程。坝址以上集雨面积72.54km2，河流长度27.56km，河流坡降7.13‰。

据水库规模，确定该工程为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。主要建筑物由大坝、泄洪控制闸、冲砂闸、输水隧洞、上坝公路等构成。

该工程于2007年8月开工建设，2009年4月下闸蓄水并向城关供水，工程完建。至2012年4月已累计向城关供水5000万t。工程运行正常，未发现异常现象。

2 水 文

洪水计算采用《湖南省暴雨洪水查算手册》进行。

尧塘水库大坝坝址处多年平均流量2.41m3/s，保证流量（P=75%）为0.41m3/s，多年平均径流量为0.76亿m3。30年一遇洪水洪峰流量为425.38m3/s，洪水总量为1579.92万m3；300年一遇洪水洪峰流量为699.21m3/s，洪水总量为2532.92万m3。

3 工程地质

工程区表现为三种地貌单元：中低山地形，低山丘陵地形及“红岩”低丘岗地和冲积堆积准平原地形。

区内地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。属于场地相对稳定地块。

坝址区出露地层单一，主要为前震旦系冷家溪群第四岩组第一段（Ptln4-1）。

试验成果主要参数为：强风化、弱风化岩体单轴抗压强度分别为7.57MPa、（18.20～26.64）MPa，岩石抗剪强度(饱和)为f=0.52，c=0.01MPa，岩石抗剪断强度（饱和）f′=1.04，c′=2.8MPa。

坝基岩体物理力学参数推荐值见表1。

坝基持力层为弱风化上带岩体。

表1 坝基岩体物理力学参数推荐值表

4 大坝设计

4.1 设计基本资料

该坝为浆砌石重力坝，大坝按4级建筑物设计，其防洪标准按《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000确定：洪水重现期按30年一遇设计，300年一遇校核。

（1）主要建筑物的特征水位及流量 。

坝前正常水位：140.00m；

坝址河床上游设计洪水位：140.12m，相应流量425.38m3/s；

坝址河床上游校核洪水位：141.10m，相应流量699.21m3/s；

坝址河床下游设计洪水位：112.63m，相应流量376.64m3/s；

坝址河床下游校核洪水位：113.70m，相应流量607.30m3/s；

（2）地震烈度及地基特性。

本区地震基本烈度为VⅠ度。

（3）建筑材料特性及统计参数。

a、岩石的主要物理力学参数详见《初步设计阶段工程地质勘察报告》。

b、材料容重。

干砌石：1.9t/m3；浆砌石：2.2t/m3；混凝土：2.4t/m3。

c、建筑物安全系数容许值（表2）。

表2 抗滑稳定安全系数k值

4.2 大坝断面拟定

大坝断面尺寸：下游坡比1∶0.8。上游铅直。底宽29.19m，顶宽5.0m，上游齿槽深2.5m，临水面采用（1.0～1.5）m厚混凝土面板防渗，溢流面混凝土厚0.8m，挑流鼻坎高程118.86m。在大坝底部111.30m高程处设DN1200mm放空钢管，兼作施工导流通道。

溢流坝堰顶高程136.50m，溢流段全长36.80m，溢流净宽30 m，设5扇平面钢闸门，孔口尺寸为6.0m×3.5m，采用5台QPQ2×100kN卷扬式启闭机启闭，启闭塔平台高程148.5m，宽3.2 m，闸墩厚1.2m，导墙厚1.0m。

正常蓄水位为140.00m，设计洪水位140.12m，校核洪水位141.10m，死水位为129.00m。按《浆砌石坝设计规范》（SL25-91）中第8.1.1条规定非溢流坝坝顶高程不得低于水库最高静水位，防浪墙顶不得低于正常运用或非常运用的水库静水位加相应的超高Δh。

式中 2hi——波浪高（m）；

h0——波浪中心线超出水库静水位的风雍高度（m）；

hc——安全超高（m），正常运用取0.4m，非常运用取0.3m。

坝址多年平均最大风速为v=16m/s；设计风速的取值:在正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍为24m/s；在非常运用条件下，采用多年平均最大风速为16m/s。风区长度D=0.6km；水域的平均水深，正常情况时H=19m，非常情况时H=21m。

根据《浆砌石坝设计规范》（SL25-91）附录二，对于山区峡谷水库，库缘地势高峻，风速（4～16）m/s吹程（1～13）km时，波浪的波高和平均波长采用下式计算:

式中 2h2——浪高（m）；

2L1——波长（m）；

Vf——计算风速（m/s）；

Df——计算吹程（km）；

H1——水域的平均水深（m）；

h0——波浪中心线超出水库静水位的风雍高度（m）；

经计算得设计时防浪墙顶高程H=140.00+0.8+ 0.4=141.20m，校核时防浪墙顶高程H=141.1+0.503+ 0.3=141.903m。非溢流坝顶高程为142.0m。最大坝高35.00m，坝顶轴长95.2m。

4.3 大坝坝体抗滑稳定性复核

根据地质勘探成果，坝基岩层走向、基岩和砌体力学指标判定，基岩不存在深层滑动面，考虑到浅层破碎岩体的抗滑稳定问题，对坝基进行固结灌浆处理使得坝基整体固结防止浅层破碎。则抗滑复核以沿垫层混凝土与基岩接触面为最不利滑动面设计，在河床风化较小，基础开挖到弱风化中部，溢流段抗剪摩擦系数取推荐中值f2=0.50；两岸非溢流段风化层深，为了不形成人为的高陡边坡，随坝高变化，基础开挖由强风化中上部，边坡高度在（5～10）m之间，通过固结灌浆增加边坡整体稳定性，抗剪摩擦系数取推荐的小值f2=0.42。

按地质勘探提供的岩体力学参数复核坝体抗滑稳定性。

按抗剪摩擦公式复核坝体抗滑稳定性：

式中 W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值；

ΣP——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值；

K2——抗剪计算的抗滑稳定安全系数；f2——滑动面上的抗剪摩擦系数。

根据 《浆砌石坝设计规范》SL25-91第3.1.7条规定浆砌石重力坝可不考虑温度荷载；由地质条件知本地区的地震基本烈度为Ⅵ度区，场地相对稳定，不考虑地震荷载作用。《浆砌石坝设计规范》SL25-91第3.2.2条规定荷载组合按下述规定进行计算:

（1）基本组合：正常蓄水位相应的静水压力、坝体自重、水重、扬压力、浪压力、其它重量（泥沙压力、回填土石、其它出现机会较多的荷载）。

（2）特殊组合：校核洪水位静水压力、坝体自重、扬压力（包括浮托力）、浪压力、水重、其它重量（泥沙压力、动水压力、回填土石、其它出现机会较多的荷载）。

（3）坝体应力计算方法为材料力学法：

上、下游边缘应力σyu和σyd

式中 ∑W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和；

∑M——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和；

B——计算截面的长度。大坝稳定计算成果见表3。

表3 尧塘大坝稳定计算结果表

由以上计算得拟定断面满足 《浆砌石坝设计规范》（SL25-91）第4.3.3条抗滑稳定要求：基本组合K2≥1.05，特殊组合K2≥1.00。

第4.4.2条的应力计算内容对于中、低坝，可只计算坝体边缘应力。上、下游边缘未出现拉应力，在强风化下部砂质板岩饱和抗压强度（12～18）MPa，满足基础承重要求。