南康罗边水库重力坝主体结构安全分析

黄小敏，甘小艳

（1.赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000；2.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009）

1 工程结构概况

罗边水利枢纽工程位于江西省南康区龙华乡罗边村，坝址距南康城区33 km。始建于1993年，1996年开始蓄水，1997年竣工，水库至今已运行20多年未做过大坝安全鉴定，是一座以灌溉、发电为主，兼有养鱼等综合利用的中型水利工程。水库枢纽建筑物由砼溢流坝、砼非溢流坝、河床式发电厂房、土坝等组成。

（1）溢流坝

大坝主坝中段河床部位布置有溢流坝，全长128 m，由9孔表孔溢流堰组成，单孔净宽12 m，平面钢闸门挡水，中墩厚2 m，边墩厚2 m。溢流堰型式为Ш型折线型实用堰，堰顶高程118.50 m。溢流坝中墩长15.70 m，边墩长20.788 m。

（2）非溢流坝

本工程非溢流坝位于厂房坝段的左侧，与山体相连接，该坝段总长47.90 m，最大坝高14 m，坝顶宽度为6 m，最大坝底宽为8.0 m，上游面为铅直布置，下游面折坡点高程为119.00 m，坡度1∶0.667，坝体砼标号为150（即C15砼），埋块石15%。

（3）厂房

厂房坝段布置于右侧，厂房为河床式发电厂房，紧邻溢流坝左侧布置，该坝段由主机间坝段及安装间坝段组成，坝段全长61.6 m，其中主机间坝段长38.8 m，安装间坝段长22.8 m。发电厂房进水口坝顶高程129 m。

2 重力坝结构安全评价

2.1 重力坝坝基及坝体情况

坝基岩性主要为变质砂岩，裂隙及断裂较发育，导致岩石易受风化。根据岩石的颜色、岩体组织结构的变化与破碎程度、矿物成分的变化特征及其物理力学性质等，其风化程度可分为强风化和弱风化两个风化带。岩体风化主要受地形地貌、岩性及地质构造发育程度控制，以面状风化为主。

坝体为砼埋块石重力坝，为R28150#砼（相当于C14砼）。根据安鉴检查尚未发现裂缝、沉降及析钙等现象，根据我院2017年11月～12月勘探成果知，坝体砼呈短柱状、柱状，局部为碎块状，未见气泡状孔隙，块石间混凝土砂浆胶结紧密，胶结较好，坝体砼抗压强度指标为19.1 MPa～21.9 MPa，符合要求；对上游坝面进行炭化深度检测可知，砼碳化深度为5.6 mm～6.2 mm，局部可达10 mm以上。综上所述，左岸非溢流坝段砼及砼埋石总体浇筑质量尚可。完成的主要勘测工作项目及工作量见表1。

表1 地质勘探工作量统计表

2.2 抗滑稳定安全复核

2.2.1 基本资料

（1）计算条件

根据《防洪标准》（GB 50201—2014），罗边水电站为中型水库，枢纽工程等级为Ⅲ等，主要永久性建筑物为3级，永久性次要建筑物为4级，即大坝建筑物为3级。水库设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准为200年一遇。

（2）计算参数

据地表测绘及钻孔揭露，坝基岩体为青灰色、灰绿色变质砂岩，上部为强风化，下部为弱风化。现根据现场勘探情况、室内岩石试验结合原初设资料，参照本地区同类岩体工程经验类比分析，综合提出本工程坝基岩体物理力学参数取值，见表2。

表2 坝基岩石物理力学指标建议值表

（3）容重与泥沙淤积高程

根据本次钻探取芯观察，砼芯样室内抗压强度试验，现场砼回弹测试试验，结合有关经验数据资料，本工程坝体容重采用值见表3。

表3 坝体主要分区容重建议值表

罗边水电站泥砂淤积高程取118.70 m，泥沙浮容重取为10 kN/m3，内摩擦角 Φ=20°。

（4）风速与吹程

根据南康市的气象资料，多年平均最大风速为12.2 m/s，吹程取1.3 km。

（5）渗透压力系数

计算采用的扬压力折减系数取值，因运行管理单位无测压管观测数据，结合大坝渗流分析以及坝基地质条件和帷幕布置情况进行分析选取。大坝地基帷幕灌浆处理和设置了排水设施，考虑排水设施可能失效，有帷有排时扬压力计算折减系数取值α=0.25，有帷无排扬压力计算折减系数取值α=0.5～0.7之间，本次取α=0.7。

（6）荷载组合

基本组合：工况①—正常蓄水位124.10 m、下游无水的计算荷载；工况②—设计洪水位126.47 m、下游水位124.38 m的计算荷载。

特殊组合：工况③—校核洪水位127.66 m、下游水位125.78 m的计算荷载。

2.2.2 溢流坝段计算

（1）计算单元

根据罗边水电站溢流坝结构布置，计算单元考虑中墩加两个半孔溢流孔宽14 m进行计算，根据本次地勘，溢流坝段坝基均清基至弱～微风化岩体，本次溢流坝段结构复核计算取沿建基面进行稳定复核计算。

（2）计算荷载

在溢流坝段复核计算中，考虑的荷载有：坝体自重、水重、坝体上下游面承受的静水压力、泥沙压力、相应特征水位时的扬压力、浪压力和动水压力等。荷载计算结果见表4。

（3）抗滑稳定安全系数

表4 溢流坝段沿建基面荷载计算结果表 单位：kN

《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）中推荐的坝体抗滑稳定计算公式有抗剪公式和抗剪断公式。本次大坝抗滑稳定复核对两种计算方法均进行计算复核。抗剪强度系数f=0.5，抗剪断强度系数f'=0.53，C'=0.4 MPa。

抗剪强度公式如下：

式中：K为抗剪计算的抗滑稳定安全系数；f为滑动面上抗剪摩擦系数；∑W为作用于计算截面以上坝体全部荷载（包括扬压力）对滑动面的法向分值，kN；∑P为作用于计算截面以上坝体全部荷载对滑动面的切向分值，kN。

抗剪断强度公式如下：

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′，C′为滑动面的抗剪断摩擦系数及粘结力（KPa）；A为坝基面截面积，m2；ΣW为作用在坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值，kN；ΣP为作用在坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN。

溢流坝段抗滑稳定安全系数计算结果见表5。

表5 溢流坝段抗滑稳定安全系数计算结果表

由表5可知：考虑扬压力折减系数α为0.25和0.7时，溢流坝段在各工况下坝基抗滑稳定安全系数均满足规范要求，故溢流坝段坝基抗滑稳定安全系数满足规范要求。

2.2.3 非溢流坝段计算

（1）计算单元

非溢流坝段选取最大坝高断面（坝顶高程129.00 m、坝基底高程115.00 m），按单宽进行稳定复核计算。

（2）计算荷载

根据坝型结构和地勘成果，在非溢流坝段结构安全复核计算中，具体考虑的荷载有：坝体自重、坝体上下游面静水压力、相应特征水位时的扬压力和浪压力等。计算断面荷载取单宽计算，荷载计算结果见表5。

表6 非溢流最大坝高断面沿建基面单宽荷载计算结果表单位：kN

（3）抗滑稳定安全计算成果

非溢流坝段抗滑稳定复核对抗剪公式和抗剪断公式两种计算方法均进行计算复核。非溢流坝最大坝高断面（底高程115.00 m）断面抗剪强度系数f=0.50；抗剪断强度系数采用f′=0.4，c′=0.05 MPa。

抗滑稳定安全计算结果见表7。

表7 非溢流坝最大坝高断面抗滑稳定安全系数计算结果表

由表7可知：考虑扬压力折减系数α为0.25和0.7时，溢流坝段在各工况下坝基抗滑稳定安全系数均满足规范要求，故认为溢流坝段坝基抗滑稳定安全系数满足规范要求。

2.2.4 厂房稳定及应力计算

厂房的稳定计算，包括抗滑稳定计算和抗浮稳定两个方面。本工程取一个机组段作为计算单元进行计算。

抗滑稳定及应力的计算采用砼溢流坝部分所列公式计算，抗浮稳定计算按下式计算：

式中：Kf为抗剪计算的抗浮稳定安全系数；∑W为机组段全部重量，kN；∑P为作用于机组段的扬压力总和，kN。

厂房的稳定及应力计算成果见表8。

表8 厂房的稳定及应力计算成果表

从表8所列计算成果可知，厂房的稳定安全系数及应力均满足规范要求。

2.2.5 坝体应力复核

溢流坝段最大坝高段坝基为弱～微风化变质砂岩，允许承载力为1500 kPa；非溢流坝段典型断面坝基为全～强风化基岩，允许承载力为500 kPa。

各计算断面的应力计算参照《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2005)，应力计算简图见图1，计算方法如下，坝基面应力计算结果见表8。

式中：T为坝体计算截面上游、下游方向的长度；∑W为计算截面上全部垂直力之和，以向下为正；∑M为计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力为正。

图1 坝面应力计算简图

表9 溢流坝段及非溢流坝段坝基面垂直正应力计算成果表单位：kPa

从表9可知，重力坝的应力复核结果满足规范要求。

3 结论

根据大坝抗滑稳定分析和材料力学应力计算结果，并结合罗边水电站多年运行情况、原设计和施工资料、以及最新地勘等资料有结论如下：

（1）溢流坝段，考虑扬压力折减系数α为0.25和0.7时，溢流坝段在各工况下坝基抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

（2）非溢流坝段，考虑扬压力折减系数 α为 0.25和0.7时，溢流坝段在各工况下坝基抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

（3）坝的应力复核结果满足规范要求。