慈坑水库大坝结构加固与溢流面抗滑设计

叶立龙

(歙县杞梓里镇水利站，安徽 黄山 245200)

1 工程概况

1.1 大坝建设情况

慈坑水库地处歙县岔口镇金前村境内，位于新安江流域大洲源支流，集水面积6.5 km2，总库容24.4 万m3，是一座以发电为主的小(二)型水库。该大坝为堆石坝，坝长72.8 m，最大坝高27.33 m，坝顶高程183.3 m，顶宽2 m。大坝内坡1 ∶0.5，硬壳为1.5～3.2 m厚的浆砌块石和0.3 m厚的钢筋混凝土防渗面板；外坡1 ∶2，非溢流坝段硬壳为1 m厚的浆砌块石。坝体内部为干砌块石，在坝体内部垂直坝轴线方向设有两道浆砌石隔墙。溢洪道位于大坝中央，为开敞式坝顶溢流，非真空实用堰型，堰顶高程180.57 m，上口宽31.3 m,下口宽18.6 m，钢筋混凝土溢流面板厚0.15 m(其下为 0.85 m厚的浆砌块石)，出口采用挑流消能，挑流反弧半径4.69 m，挑射角14°。

该水库当年建至11.5 m坝高时，在未来得及采取临时度汛措施的情况下洪水漫坝，造成挑流鼻坎沿坎座顶向下游滑动，形成初始滑动面，在没有对滑动面进行仔细修复的情况下工程继续完成施工。

1.2 历次加固情况

慈坑水库于1985年开始蓄水，1986年汛期发现溢流面板开裂，原滑动过的鼻坎进一步滑动，面板最大缝宽3 cm，鼻坎最大出移(相对坝趾直墙)约10 cm，并向两坝肩逐渐减少。1990年采用在溢流面和下游坝坡面镶短桩梁(混凝土桩深4 m，桩径2 m，桩距8.75 m；钢筋混凝土梁高1 m，厚1 m，桩与梁相接)方案进行了加固处理。1991年坝面修复的裂缝处又继续开裂，1996年在溢流面裂缝下游又增加一排短桩梁进行加固，并在溢洪道挑流鼻坎两侧(侧墙部位)各增设一道排架支撑，阻止鼻坎进一步下滑。经过几次处理后，情况有所好转，但没有彻底根治，从现场所作的观察记号来看，滑移没有停止，鼻坎最大出移已增至13 cm。

2 大坝结构安全性复核

2.1 基本资料

(1)特征水位

慈坑水库正常蓄水位180.57 m，20年一遇设计洪水位181.93m，200年一遇校核洪水位182.58 m。

(2)建筑材料与地基特性

经取芯试验，大坝浆砌石r浆=23.3 kN/m3；干砌石r干=19.95 kN/m3，砌石体容许压应力2.5 MPa，地基容许承载力30 MPa。坝体与坝基摩擦系数取0.5；浆砌块石与干砌块石摩擦系数取0.45。

(3)安全系数

根据《浆砌石坝设计规范》(SL25—2006)，按抗剪强度公式计算的坝体抗滑稳定安全系数K2，基本组合不小于1.05，特殊组合不小于1.0。

(4)应力要求

用材料力学方法计算坝体应力时，坝体应力应符合下列要求：

①在各种荷载组合(地震荷载除外)下，坝基面垂直正应力应小于砌石体容许压应力和地基容许承载力,砌石体容许应力见SL25—2006《砌石坝设计规范》的附录A表A-7。[1-2]

②坝基面最小垂直正应力应为压应力。

③坝体最大主压应力应小于砌体容许压应力。

④坝体内除溢流堰顶、廊道和孔洞周边等部位出现拉应力时，应采用钢筋混凝土结构，其他部分一般不得出现拉应力。

⑤需进行抗震计算的坝体，应符合SL203—97《水工建筑物抗震设计规范》的规定。

2.2 荷载组合

(1)基本组合

取20年一遇设计洪水位情况，即设计洪水位与相应的不利水位的静水压力、坝体自重、扬压力(浮托力和渗透压力)及浪压力。

(2)特殊组合

取200年一遇校核洪水位情况，即校核洪水位与相应的不利水位的静水压力、坝体自重、扬压力(浮托力和渗透压力)及浪压力。

2.3 计算方法

抗滑稳定计算主要核算堰基面的抗滑稳定情况,按抗剪断强度公式或者抗剪强度公式来计算堰基面的抗滑稳定安全系数[3-4]。本案例坝体抗滑稳定计算采用公式(1)进行复核，坝体应力计算采用材料力学方法。大坝计算分别选取溢流坝段和非溢流坝段两个断面，坝长取1 m。

(1)坝体抗滑稳定计算采用抗剪强度公式：

(1)

式中：K2—抗剪计算的抗滑稳定安全系数；

f—滑动面上的抗剪摩擦系数，取0.5；

∑W—作用于坝基面上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；

∑P—作用于坝基面上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值,kN。

(2)本工程属低坝，只计算坝体边缘应力，即坝基面上游(坝踵)、下游(坝址)垂直正应力值。[5]坝体应力计算采用下列偏心受压公式：

(2)

(3)

(4)

式(2)—(4)中：∑M—大坝计算基底面上全部垂直力和水平力对于计算截面形心的力矩总和，以使上游产生压应力为正值；

∑W—作用于坝基面上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；

T—大坝计算基底沿上、下游方向的长度，即坝底宽度,m。

2.4 计算成果及安全分析

经复核，慈坑水库大坝在各种工况下的抗滑稳定安全系数、坝体边缘应力及偏心距计算成果(见表2)。

表2 大坝结构安全复核成果表

根据以上抗滑稳定计算成果可以看出，慈坑水库溢流坝与非溢流坝最小稳定安全系数均大于规范允许值，因此，大坝结构是稳定的。

2.5 溢流坝面抗滑稳定分析

由于大坝溢流坝面开裂较大，有必要进行溢流坝面的抗滑稳定分析。接触面取坝体浆砌块石与干砌块石接触面，取单宽做稳定分析，分离体(见图1)。

图1 溢流坝面抗滑稳定分析示意图

由图1所示，列出分离体的公式(5)：

G=Gw+G1+G2

(5)

式中：G—分离体自重；

Gw—取校核洪水位时溢洪道水体重量，Gw=rw×Sw×1,Sw为水流截面积，rw为水的容重，取10 kN/m3；

G1—0.15 m钢筋混凝土面板重量，G1=r1×S1×1，S1为钢筋混凝土截面，r1为钢筋混凝土容重，取r1=24.5 kN/m3；

G2—0.85 m浆砌块石重量，G2=r2×S2×1，S2为浆砌块石截面积，r2为浆砌块石容重，取r2=23.3 kN/m3。

得：G=402.3+99.9+538.2=1 040.4 kN

Gt=G×sinθ=465.3 kN

Gn=G×sinθ=930.6 kN

由以上计算可知，大坝溢流面抗滑稳定安全系数小于规范1.0的允许值,不满足稳定要求，因此，该水库大坝属“三类坝”，必须采取工程措施保证大坝安全运行。[6]

3 大坝加固设计

3.1 断面设计

经稳定分析，大坝溢流面及挑流鼻坎下滑的主要原因是由于坝体内部浆砌块石与干砌块石摩擦力不足，导致溢流坝面和挑流鼻坎下滑，致使坝面开裂。加固设计方案是紧靠原大坝下游直墙面新建4.3 m宽埋石混凝土坝体，原有挑流鼻坎拆除后前移至埋石混凝土坝体上。大坝加固结构布置示意图(见图2)。

图2 大坝加固结构布置示意图

3.2 坝体新建部分稳定分析

对新建部分的推力包括坝内松散的干砌块石推压力和水压力，还有下滑力在水平方向上的分力F推，由式(6)给出。

(6)

其中:r2—干砌块石容重,取19.95 kN/m3；

h—作用面高度,m。

计算得F推=600.73 kN新建部分自重G新=1 074.14 kN

3.3 溢流面加固后稳定分析

加固后，取溢流坝段单宽1 m分析，溢流坝段可按新建部分抗剪考虑，下滑力按加固前考虑，取F=Gt-fGn=46.53 kN。

新建埋石混凝土抗剪强度按纯抗剪考虑，抗剪强度，f剪=0.07fc,fc=4 250 kN/m2(埋石混凝土抗拉强度)，所以f剪=297.5 kN/m2，从图2可知抗剪长度为4.8 m，因此,新建部分埋石混凝土能提供的抗剪力为1 428 kN，远远大于下滑力46.53 kN，溢流坝面安全稳定满足规范要求。[7]

4 结 语

依据上述加固方案，对慈坑水库进行了大坝除险加固，新建部分埋石混凝土溢流坝段可提供1 428 kN的抗剪力,远远大于其加固前46.53 kN的下滑力，因此，原有纵向裂缝可以得到有效地控制，解决了溢流面及挑流鼻坎的下滑问题。同时，新建溢流坝面安全系数达到1.16，大于规范允许值，也满足了大坝的安全要求。新建溢流坝面自2009年9月完工运行以来，已经历了多次洪水考验，大坝运行安全稳定，可以为相类似的水利工程提供设计思路与借鉴。