胶凝砂砾石坝稳定及应力分析

郭 戎

(黔南州水利水电勘测设计院，贵州 黔南 558000)

胶凝砂砾石坝稳定及应力分析

郭 戎

(黔南州水利水电勘测设计院，贵州 黔南 558000)

本文以翁吟河水生态拦水堰工程胶凝砂砾石坝为研究对象，采用刚体极限平衡法和材料力学法对胶凝砂砾石材料坝进行稳定及应力计算，供同类工程参考。

胶凝砂砾石坝；稳定；应力；分析

胶凝砂砾石坝与土石坝、重力坝不同，这种坝型核心技术为：在天然砂石料中加入适量水泥直接用于筑坝。这种坝型安全性高，坝基适应性强，可取消温控措施，施工迅速。国内多位水利专家在推广这项筑坝技术。目前国内已有大坝工程和临时围堰工程在应用此项筑坝技术。本文以贵州省惠水县翁吟河水生态拦水堰工程枢纽胶凝砂砾石坝为研究对象进行稳定和应力分析。

1 工程概况

翁吟河水生态拦水堰工程坝址以上集水面积339km2，多年平均径流总量21628万m3，多年平均流量6.64 m3/s。水库校核洪水位971.784m，总库容214万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。水库正常蓄水位967m，相应库容55.3万m3，死水位与正常蓄水位相同。

经专家论证批复，翁吟河水生态拦水堰工程坝型选择为胶凝砂砾石坝，其首部枢纽由胶凝砂砾石坝、坝顶开敞式溢洪道、底流消能建筑物、右岸放空建筑物组成。坝顶轴线总长249.98m，坝顶宽5m，坝顶高程972.6m，坝轴线方位角为N98.0°E。

左、右岸非溢流坝段基本坝型为胶凝砂砾石坝，坝轴线采用直线布置，左岸长138.5m，右岸长55.48m，方位角为N98.0°E，河床建基面高程958m，坝顶高程972.6m，最大坝高14.6m，坝顶宽5m，最大坝底宽度为22.52m。大坝上、下游坝坡均为1∶0.6，上、下游坝面浇筑一层厚0.5m钢筋混凝土防渗(保护)面板，大坝基本断面为等腰梯形。

溢流坝段布置于河床中部，范围为坝0+138.50～坝0+194.50，长56.0m，由控制段、泄槽段、底流消能段组成，堰顶高程967m，河床建基面高程958m，坝轴线方位角N98.0°E。溢流堰采用开敞式WES实用堰，净宽50m，分为5孔，单孔净宽10m，设4个中墩和2个边墩，墩厚均为1m。堰上设置交通桥，采用板梁结构。堰顶控制段进口端底板高程为965m，采用平坡，则上游堰高为2m，进口宽度为54m，长7m。堰顶上游堰头曲线采用三圆弧曲线，其下接方程为y=0.17239x1.85幂曲线，幂曲线下接长0.44m、坡比为1∶0.7的直线段，直线段下接反弧段，反弧半径5m，弧长4.8m。反弧末端接消力池护坦，消力池长23m，宽54m。消力池护坦采用φ25锚杆进行锚固，锚杆长6m，间距3m；护坦底部设φ80竖向排水孔，孔距3m，梅花形布置。在消力池末端修建尾水坎，尾水坎顶部高程为961m。

右岸非溢流坝段布置有放空兼冲排沙孔，放空兼冲排沙孔底板高程为962m，孔径为2m×2.2m，设检修闸门和工作闸门各一扇，均采用平板钢闸门。

2 大坝稳定分析

根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL 678—2014)(以下简称《导则》)，胶结颗粒料坝坝基面抗滑稳定计算应采用抗剪断强度公式或者抗剪强度公式，该工程大坝稳定分析采用抗剪断公式。大坝主要分为溢流坝段和非溢流坝段，并以各坝段最高断面为典型断面。计算荷载组合分为基本组合和特殊组合，基本组合为正常蓄水位情况、设计洪水位情况，特殊组合为校核洪水位情况。

抗剪断强度计算公式为

式中K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f′——坝基面的抗剪断摩擦系数；

c′——坝基面的抗剪断黏聚力， MPa；

A——坝基接触面截面积，m2；

∑W——作用于计算截面以上坝体全部荷载(包含扬压力)对滑裂面的法向分值，kN；

∑P——作用于计算截面以上坝体全部荷载(包含扬压力)对滑裂面的切向分值，kN。

各坝段荷载计算简图见图1、图2。

图1 非溢流坝段荷载计算

图2 溢流坝段荷载计算

荷载计算成果见表1、表2。

表1 非溢流坝段荷载计算成果

表2 溢流坝段荷载计算成果

根据地质勘察成果，由于非溢流坝段建基面一部分为强风化冰碛砾岩，另一部分为弱风化含粉砂质泥岩，强风化冰碛砾岩抗剪断强度参数小于弱风化含粉砂质泥岩抗剪断强度参数，则非溢流坝段抗滑稳定由强风化冰碛砾岩控制，且强风化冰碛砾岩抗剪断强度参数的混凝土/岩值小于岩/岩值，则非溢流坝段抗滑稳定计算采用强风化冰碛砾岩抗剪断强度混凝土/岩参数，为f′=0.30、c′=0.08。溢流坝段建基面为强风化冰碛砾岩，溢流坝段抗滑稳定计算参数与非溢流坝段相同，为f′=0.30、c′=0.08。

抗滑稳定计算成果见表3、表4。

表3 非溢流坝段抗滑稳定计算成果

表4 溢流坝段坝基抗滑稳定计算成果

由计算结果可知，溢流坝段和非溢流坝段各工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求，抗滑稳定安全。

3 大坝应力分析

根据《导则》，大坝应力分析采用材料力学法，胶凝砂砾石坝的坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应满足：运行期各荷载组合，坝踵不应出现拉应力，坝趾应小于坝基允许压应力，施工期坝踵应小于材料的允许拉应力；在非地震工况下，内部胶凝砂砾石不应出现主拉应力。故该工程计算分为运行期和施工期，其中运行期为正常蓄水位情况、设计洪水位情况、校核洪水位情况。

垂直应力计算公式为

ΣM——作用于坝段上或1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN·m，以使上游面产生压应力者为正；

T——坝体计算截面上、下游方向的宽度(坝底宽度)，m。

坝基应力计算结果见表5、表6。

表5 非溢流坝段坝基应力计算成果 单位：MPa

表6 溢流坝段坝基应力计算成果 单位：MPa

由计算结果可知，在各种荷载组合下，非溢流坝段坝踵最小垂直应力为0.123MPa，未出现拉应力；坝基最大垂直应力为0.205MPa，小于坝基容许压应力0.8MPa。溢流坝段建基面最大垂直正应力为0.151MPa，小于基础承载力0.8MPa，小于胶凝砂砾石承载力6.0MPa。建基面最小垂直应力为0.049MPa，坝趾无拉应力。大坝应力满足规范的要求。

4 结 语

胶凝砂砾石坝属于新型推广坝型，在国内仅有一座永久性工程在建，坝体应力和稳定分析经验并不丰富，该工程参照《导则》中的要求，采用材料力学法和刚体极限平衡法进行胶凝砂砾石坝的稳定应力计算。这种计算方法也是目前胶凝砂砾石坝的主要计算方法。如工程遇到复杂地基，应采用有限元等效应力法。

[1] 刘学章.胶凝砂砾石坝特点及国外已建工程简介[J].广西水利水电，2011(3).

[2] 杨世锋.胶凝砂砾石坝剖面设计研究[J].人民黄河，2016(11).

[3] 刘志明.胶凝砂砾石坝基本剖面研究[J].水利规划与设计，2016(11).

Stability and Stress Analysis of Gelled Sandy Gravel Dam

GUO Rong

(QiannanWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Qiannan558000,China)

In this paper, the gelled sandy gravel dam of Wengyin River water ecological weir is the object of study. The rigid body limit equilibrium method and the material mechanics method are used to calculate the stability and stress of the gelled sandy gravel material dam for the reference of similar projects.

sandy gravel dam; stability; stress; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.021

TV64

B

1673-8241(2017)05- 0060- 04