锦凌水库混凝土重力坝设计及其稳定性计算分析

刘艳芬

(义县水利勘测设计队，辽宁 义县 121100)



锦凌水库混凝土重力坝设计及其稳定性计算分析

刘艳芬

(义县水利勘测设计队，辽宁 义县 121100)

随着我国经济的迅速发展，混凝土重力坝作为我国水利工程建设施工过程中的主要施工方式，在我国水利工程建设中发挥着越来越重要的作用。文章针对深开挖、施工难度大等复杂条件下的水利坝体施工问题，结合锦凌水库工程实际开挖加固情况，对混凝土重力坝施工段和基本剖面进行了设计，确定了设计变量、目标函数和控制条件，研究了不同荷载组合下的稳定性分析和内力计算，并对把体内部的应力进行了计算。

混凝土坝体；重力坝；设计计算；稳定性分析

0 引 言

近年来在我国水利工程建设施工过程中，为提高坝体工程的整体施工效果，争取效益达到最大化，越来越多的工程项目将混凝土重力坝作为重要的施工方法[1]。然而，由于我国水利工程开挖深度、施工难度的不断增大，水利坝体工程的稳定性问题成为目前严重影响坝体安全施工和运行的关键问题[2]。

顾大钊，颜永国，张勇等参考借鉴地面水库坝体抗震安全评价的相关研究，构建了煤矿地下水库相似材料模型平台，进行了不同烈度条件下的动力破坏试验研究，并利用摩尔库伦模型对坝体在地震作用下的动力响应进行了数值仿真，研究得到了坝体易受破坏的部位、破坏后的状况和造成破坏的原因；侯新明，杨立魁，高昌珍等通过大量的研究计算工作，发现经过增设拌和桩位、增加坝坡的厚度、灌注混凝土等措施后，对坝体破坏状况进行有效控制，增加坝体结构的稳定性[3-5]。另外，杨晓松，刘海秋，张浩江、梁国峰等也对混凝土重力坝的设计和计算进行了研究，并取得了一定的研究成果。

文章通过分析以上研究成果，针对深开挖坝体稳定性难以保证、施工难度大等难题，结合锦凌水库工程实际开挖加固情况，设计了混凝土重力坝施工段和基本剖面情况，确定了设计变量、目标函数和控制条件，研究了不同荷载组合下的稳定性分析和内力计算，并对把体内部的应力进行了计算，计算结果可为水库混凝土重力坝的施工提供理论依据和技术保证，具有重要的工程意义和借鉴指导作用[6]。

1 混凝土重力坝段设计

根据相关规范和坝体周边的地质构造状况，对坝体进行整体的合理规划，以免造成不必要的资源浪费。

1.1 坝顶宽度的确定

根据工程总体布置要求，混凝土挡水坝段坝顶需设溢流坝检修门库，应满足坝上门机的行走宽度要求，因此坝顶宽度为11.4m。

1.2 基本剖面设计

针对基本剖面进行优化设计，采用《水利水电工程设计计算程序集》计算程序，通过确定基本参数，选择合适的变数，前提条件符合有关的规划要求，达到最佳设计效果。

1.2.1 设计变量

截面的上段、下段坡比，坡的起止点到绝对基面的距离假定作设计变数。即：X1为截面上段坡的起止点到绝对基面的距离，0；X2为截面上段坡的起止点到绝对基面的距离，53.77m；X3为大坝上段坝坡(m1)，0；X4为大坝下段坝坡(n1)，1∶1.8。

每个变量综合考虑了外观、施工条件及结构等要求。

1.2.2 目标函数

(1)

式中：n为计算剖面划分总数；A(Xi)为某剖面面积；Li为两剖面之间的间距。

针对目标函数，求解出变量，其变量分别形成的挡水坝段剖面，每个变量均应满足约束条件并使其面积为最小。

1.2.3 控制条件

1.2.3.1 抗滑稳定计算

抗剪断强度公式：

(2)

式中：∑W为作用在滑动面上的坝体全部荷载的法向分力(包括扬压力)；∑P为作用在滑动面上的坝体全部荷载的切向分力(包括扬压力)；f′为抗剪断摩擦系数(坝体混凝土与坝基接触面)，取值为0.75；K′为抗滑稳定安全系数(按抗剪断强度计算)；c′抗剪断凝聚力(坝体混凝土与坝基接触面)Mpa，取值为0.65。

1.2.3.2 应力约束

坝趾以及坝踵的垂直正应力应符合：

(3)

坝体上游面最小主应力应符合：

(4)

1.2.3.3 几何约束

Aj≤Xj≤Bj,j=1,2,3,…n

(5)

式中：Xj为设计变量；Aj为第j个设计变量的下限；Bj为第j个设计变量的上限。采用复合形法求解，优化成果如表1所示。

表1 优化计算成果表

经优化后，坝体主要几何特征值见表2。

表2 优化剖面特征值表

2 坝体稳定以及应力计算

2.1 荷载组合

稳定及坝基应力计算的工况荷载组合见表3。

2.2 设计表达式

1)抗滑稳定计算公式：

(6)

式中：A为坝基面截面积；f′为抗剪断摩擦系数，取值为0.75；K′为抗滑稳定安全系数(按剪断强度计算)；∑W为作用在滑动平面的全部荷载法向分力(作用于坝体上)，kN；C′抗剪断凝集力较小值，取值为0.65MPa；∑P作用在滑动平面的全部荷载切向分力(作用于坝体上的)，kN。

2)坝基面应力计算公式：

(7)

式中：X为距离(形心轴与坝基面截面上计算点)，m；A为面积，m2；σy为垂直应力(坝踵、坝趾)，kPa；J为惯性矩，m4；∑M为全部荷载对滑动平面形心力矩(作用于坝体上)，kN·m；∑W作用在滑动平面上全部荷载的法向分力(作用于坝体上)，kN。

表3 不同工况情况下荷载组合表

表4 挡水坝段抗滑稳定及坝基面应力计算结果

以上步骤可得，下游面与坝基间的接触线的压力值不大于允许值，下游面与坝基间的接触线上没有拉力，坝基面最大垂直正应力为0.78MPa，满足设计要求。

3 坝体内部应力计算

上游面剪应力：

τu=(P-Puu-σyu)m1

(8)

下游面剪应力：

τu=(σyd-P′+Pud)m2

(9)

式中：m1为上游坝坡，0；m2为下游坝坡，0.7；Pud为扬水压力强度(下游坝面处)；Puu为扬水压力强度(上游坝面处)；P′为水压力强度(下游坝面处)如有泥沙压力时，应计入在内；P为水压力强度(上游坝面处)，如有泥沙压力时，应计入在内。

上游面水平正应力：

σxu=(P-Puu)-(P-Puu-σyu)m12

(10)

下游面水平正应力：

σxd=(P′-Pud)+(σyd-P′+Pud)m22

(11)

上游面主应力：

σ1u=(1+m12)σyu-m12(P-Puu)

σ2u=P-Puu

(12)

下游面主应力：

σ1d=(1+m22)σyd-m22(P′-Pud)

σ2u=P′-Pud

(13)

正应力：

σy=a+b×x

(14)

剪应力：

τ=a1+b1×x+c1×x2

a1=τxi

(15)

水平应力：

σx=a2+b2×x+c2×x2+d2×x3

a2=τxxi

(16)

计算结果如表5所示。

表5 挡水坝段坝体内部应力计算结果

表5 挡水坝段坝体内部应力计算结果 续表

由以上计算结果可知，正常蓄水位情况下坝体最大主压应力出现在坝址附近时比混凝土压应力值小，压应力值0.65MPa，坝体最大拉应力小于容许拉应力；施工期坝址附近出现比混凝土压应力小的最大主压应力，其数值为0.7MPa，大坝上的拉力值最大是0.045MPa，结果合理，符合规范要求。

4 结 论

混凝土重力坝作为我国水利工程建设施工过程中的主要施工方式，不仅提高了坝体工程的整体施工效果，而且使效益达到最大化。所以，对于深开挖、施工难度大的坝体开挖工程，研究混凝土重力坝体稳定性尤为重要[7]。文章针对深开挖坝体稳定性难以保证、施工难度大等难题，结合锦凌水库工程实际开挖加固情况，对混凝土重力坝施工段和基本剖面进行了设计，确定了设计变量、目标函数和控制条件，研究了不同荷载组合下的稳定性分析和内力计算，并对把体内部的应力进行了计算。经过验证，最大主应力和容许应力满足设计要求，计算结果可为水库混凝土重力坝的施工提供理论依据和借鉴，指导同类水利工程安全开挖施工[8]。

[1]苏培芳.碾压混凝土重力坝安全度评价方法研究[J].人民长江,2012,43(02) :78-82.

[2]陈曦，张训维，陈佳林.水位波动下非饱和心墙土坝体的渗流和稳定性[J].岩土力学, 2015, 36(01):609-614.

[3]顾大钊，颜永国，张勇.煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析[J].煤炭学报，2016,41 (07):1589-1597.

[4]侯新明，杨立魁 ，高昌珍.河南省邵沟水库除险加固工程设计[J].人民长江,2014,45(01)：117-119.

[5]王春山，周洪福，聂德新.茨哈峡水电站3#变形体特征及稳定性分析[J].人民黄河, 2015,37 (08):34-37.

[6]杨晓松.水利工程碾压混凝土坝坝体稳定分析和计算[J].水利科技与经济,2014 ,20(02):68-70.

[7]刘海秋.高碾压混凝土重力坝防渗结构型式研究[J].工程科技,2015,34(10):27-34.

[8]张浩江，梁国峰.浅析碾压混凝土重力坝的抗渗性能和防渗措施[J].水利科技,2013(36):189-190.

1007-7596(2017)01-0046-03

2017-01-12

刘艳芬(1973-)，女，辽宁义县人，工程师，负责水利工程设计工作。

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