沸泉一库大坝稳定计算及分析

□ 赵红娟（山西省临汾市水利勘测设计院）

1 工程概述

沸泉一库位于临汾市曲沃县北董乡景明村东南，汾河流域浍河支流天河上，水库控制流域面积25 km2，兴建于1972年2月，1973年9月竣工并蓄水，现状总库容31.50万m3，是一座以灌溉防洪为主的小（2）型水库，设计灌溉面积840 hm2，枢纽由大坝、溢流表孔、泄洪底孔组成。大坝为浆砌石拱坝，坝顶长65m，坝顶高程571.15m，最大坝高17.20m，坝顶宽3m，坝基坐落在基岩上。2011年该坝进行了除险加固，设计时对拱坝进行了稳定计算，以下作一浅析。

2 大坝稳定分析

2.1 基础资料

2.1.1 设计参数

根据2011年沸泉一库实测资料，坝体为定圆心变半径圆弧拱，圆心距坝顶拱圈上游面32.40m。根据实测地形图拱坝下游面各测点做出的河谷横断面，并考虑坝肩开挖深度2m确定拱坝各高程的河谷宽度，通过中心半径计算出各层拱圈的中心角。见表1。

表1 坝体拱圈参数表

水库泥沙淤积高程565.98m，泥沙容重按1.10 t/m3考虑，泥沙内摩擦角为15°；水库多年平均气温12.70℃，最低月平均气温-4.50℃，最高月平均气温26.40℃；地震烈度7度，地面运动最大加速度为0.15 g；坝体浆砌石力学性能参数：浆砌石容重2.30 t/m，弹性模量6.50×105 t/m2,泊松比0.22,线胀系数7×10-6/℃；浪压力：设计风速24m/s，计算吹程1.00 km，多年平均最大风速16m/s；冰压力：冬季结冰厚度0.25m，冰压力为55 kN/m2。

坝基岩体归属AⅡ类，基岩为坚硬～中硬类灰岩，并考虑地质构造影响，参考《混凝土重力坝设计规范》（SL319－2005）附录D，变形模量按Ⅱ类岩偏下限取值，抗剪断强度指标考虑节理裂隙影响按Ⅱ类岩下限或Ⅲ类岩上限值，拱坝计算采用指标如下：当量矩形比为1:13.96；混凝土与基岩抗剪断指标：f=1.10，c=100 t/m2；岩体抗剪断指标：f=1.15，c=125 t/m2。

2.1.2 计算工况及荷载组合

计算荷载工况分6种情况：正常蓄水位+温降：上游水位568.45m,下游水位553.50m；设计洪水位+温升：上游水位570.20m，下游水位555.20m；校核洪水位+温升：上游水位571.15m，下游水位556.00m；死水位(566.75m)+温升：上游水位568.45m，下游水位553.50m；正常蓄水位+温降+地震：上游水位566.75m，下游水位553.50m；正常蓄水位+温升+地震：上游水位568.45m，下游水位553.50m。

2.2 拱坝坝体应力分析

由于沸泉一库工程实际两岸地形对称性较差，高程556.50～563.00m，坝体向左岸偏，566.00m高程以上坝体向左岸偏，为使拱坝应力计算结果更贴近实际工程情况，采用两岸非对称的多拱单梁分载程序进行计算，按径向位移一致条件分配拱梁荷载。考虑到浆砌石坝体施工情况，坝体自重参加径向荷载分配。

程序计算公式参见汪景奇主编《拱坝的设计与计算》、潘家铮主编的《拱坝》及《水工设计手册第5册》。计算程序采用太原理工大学水利学院编制的程序。坝体均匀温度变化及梯度温度变化，根据气温和水温年变化幅值采用《拱坝设计规范》推荐的热传导公式，计算确定坝体平均温度变化及线性梯度温度变化值。在此不赘述此公式。各种荷载组合情况的坝体最大最小应力计算成果见表2。

表2 各种计算荷载组合的最大最小应力汇总表 单位：t/m2

由以上计算可知，各种荷载组合时最大压应力小于坝体容许压应力270 t/m2；根据《砌石坝设计规范》(SL25-2006)附录A的表A.0.4，沿灰缝接触面齿缝的极限抗拉强度为114 t/m2，其容许拉应力95 t/m2，大于计算最大拉应力73.46 t/m2。应力分布规律符合一般规律，较合理。

2.3 拱坝坝肩岩体及拱座稳定分析

沸泉一库地质勘探报告揭露，拱坝坝肩岩体主要为寒武系上统风山组（∈3f），长山组（∈3c），崮山组（∈3g），其岩性：灰黄色薄～厚层白云岩，黄褐色薄板状泥灰岩，白云岩夹竹叶状泥质白云岩，黄灰色薄板状灰岩，含泥质白云岩。薄～厚层鲕状白云质灰岩。节理裂隙较发育，岩体完整性较好，不存在不利于坝基、坝肩稳定性的软弱结构面。故设计拱坝坝肩采用偏于安全的刚体极限平衡平面分层稳定分析方法进行计算，即不考虑坝体及岩体的铅直重量抗滑作用，认为计算层上下面的铅直方向力是互相平衡的，仅考虑分层滑动侧立面上力的平衡。计算公式采用《水工设计手册第五册》中公式。

2.3.1 坝肩稳定计算公式

式中：k—分层抗滑稳定安全系数；f—滑动面上的摩擦系数；c—滑动面上的凝聚力；Ψ—岸坡与铅直线的夹角；Ra—拱坝坝

轴线的半径；r—计算拱圈的中心线半径；θ—滑动面与拱座径

向面间的夹角；HA—拱端轴力；VA—拱端剪力；VC—底部剪力；U—滑动面上的扬压力；L—滑动面上的抗剪断长度。

2.3.2 拱座稳定计算公式式中：k—稳定安全系数；L—滑动面上的抗剪断长度；c—滑动面上的凝聚力；Ψ—岸坡与铅直线的夹角；N—滑动面上的法向力。

Q—滑动面上沿上下游方向的滑动力

S—滑动面上沿上游岸坡方向的滑动力

依据公式经进行试算可能滑动面的方向θ角，各种荷载工况下拱坝左坝肩岩体的稳定计算成果见表3，右坝肩及拱端与基岩接触面的拱坐稳定计算结果不再列表，也满足要求。

表3 左岸坝肩岩体稳定分析成果表

坝肩岩体稳定最小安全系数：基本荷载组合时，左、右岸分别为2.98、7.41，基本满足规范要求的3.00；特殊荷载组合1时，左、右岸分别为6.11，6.89，满足规范要求的2.50；特殊荷载组合2时，左、右岸分别为2.81，6.79，满足规范>2.00的要求。

拱端拱座稳定最小安全系数：基本荷载组合时，左、右岸分别为3.62，3.72，满足规范要求的3.00；特殊荷载组合1时，左、右岸分别为4.37，5.17，满足规范要求的2.50；特殊荷载组合2时，左、右岸分别为3.44，2.75，满足规范>2.00的要求。

3 结论

沸泉一库两坝肩地基特点是节理裂隙较发育，岩体完整性较好，抗滑稳定采用偏于安全的刚体极限平衡法进行分析计算，分层稳定时视层面为底滑面，裂隙面为侧滑面，计算结果均满足规范要求，不需计算整体抗滑稳定安全系数。若以后设计中遇到类似计算，分层安全系数不满足要求时，应再按空间问题计算整体抗滑稳定安全系数。