水库除险加固中双曲拱坝应力及稳定性分析

刘放

（广州市水电建设工程有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

面对雨季汛期的到来，水库承担着拦蓄洪水的重要功能，进而减免洪水灾害。水库的病害问题应该引起足够的关注，需要在汛期到来之前，加紧进行病害问题的排查，并需要针对水库的拦河坝、溢洪道、交通桥、放水洞等建筑，进行除险加固，使水库可以正常、稳定的发挥其防洪作用。在水库除险加固工作中，应该重点加强对大坝结构安全的检查与评估。通过对坝体应力状态、稳定性的计算，具体了解大坝结构是否安全、稳固，及时发现安全隐患，以有效控制拱坝应力以及提高坝体稳定性为目标，有针对性地进行除险加固。

1 工程概况

结合某中型水库的工程概况进行分析，该水库总库容1220.6 万m3，大坝为双曲拱坝，为3 级建筑物，设计洪水位61.22m，校核洪水位61.76m，施工期洪水位50.67m。在某水库达标加固整治工程中，主要建设内容包括大坝防渗处理、坝顶混凝土路面拆除重建，坝顶混凝土防浪墙拆除重建等。

2 主体施工流程

在某水库达标加固整治工程中，需要明确总体的施工流程，制定完善的施工方案，施工过程的每一个环节，都需要严格执行国家规范和现行行业标准。完成施工平面布置与规划、进度计划和进度规划等施工准备工作后，进行施工围堰填筑、导流管铺设以及临时施工路填筑[1]。将水塔及工作桥拆除，基坑开挖支护，然后进行水塔及工作桥、输水管结构的主体施工。在水塔启闭、机电设备安装和调试后，进行上游坝坡输水管段灌浆。采用注浆投砂法进行充填灌浆，如图1 所示。

图1 大坝充填灌浆典型断面图

在此基础上，开展溢洪道工程、上游坝坡护坡、排水沟、防浪墙、路面的施工。制定坝体防渗方案，进行大坝渗流稳定计算、分析，大坝渗流计算模型如图2 所示。

图2 大坝渗流计算模型

完成施工后，进行监测系统的安装，最后进行项目收尾及验收。施工过程中，需要针对双曲拱坝应力及稳定性进行分析，进而为水库除险加固工作提供价值的参考依据。

3 双曲拱坝的应力控制

双曲拱坝的除险加固施工过程中，需要通过应力分析，了解坝体的应力状态，进而加强应力控制。明确双曲拱坝应力控制的重要性和必要性，并采用科学的方法，准确进行应力计算。

3.1 应力控制的重要性

双曲拱坝的应力状态，影响着坝体结构的稳定性，关系到双曲拱坝能否安全运行。温度、水位的变化，均会对影响到双曲拱坝的应力状态。坝体应力的增加，容易导致拱坝变形，容易形成裂缝，拱坝结构的稳定性也会随之下降，影响其拦蓄洪水的能力，进而增加防洪工作中的安全隐患。在双曲拱坝的除险加固，需要针对坝体的应力状态进行评估，分析应力变化规律，制定施工方案的过程中，需要考虑到应力控制的相关要求。拱坝的应力控制指标，直接影响坝体结构的强度，关系到拱坝的整体安全系数。在拱坝设计中，将允许拉应力值控制在合理的范围，进而提高抗压安全系数[2]。

3.2 应力分析

双曲拱坝的应力分析过程中，计算坝体应力状态时，往往需要借助假定、简化等方法进行分析，得出合理的计算结果。应力分析主要有以下4 种方法：①纯拱法。假定荷载均有拱圈承担，各个拱圈相对独立、互不影响，并将梁的作用忽略。按照以上的假定条件计算，得出计算结果，判断拱坝的应力状态。但是该方法存在较大的局限性，一般应用于小型工程，计算结果往往偏大。②拱梁分载法。则是假定拱、梁共同承担荷载，拱坝由多层水平拱圈、铅直悬臂梁两个系统组成。其中，梁的应力计算较为简单，计算量小。而在拱的应力计算中，由于计算量大，应利用计算机进行计算。③拱冠梁法。采取拱、梁分载的方式。选定拱圈后，在单位径向荷载作用下，进行单位变位的计算[3]。建立变形协调方程，针对各点的荷载分配值进行计算。按照荷载分配值进行进一步计算，进而计算出应力大小，进行拱坝应力状态的判断。④有限单元法。通过划分有限数量的单元，连接各节点，建立离散模型进行分析，计算应力。考虑到双曲拱坝的外形复杂、厚度大，可以应用三维有限元法，将基岩、坝体划分为有限数量的单元，进行应力分析，如图3 所示。

图3 基岩、坝体三维分析

除以上方法外，结构模型试验法、壳体理论计算方法也可以应用于拱坝应力分析的过程。

3.3 应力计算

双曲拱坝的应力计算中，应用反力参数法进行计算。在荷载组合的计算中，需要考虑到具体的工况（基本情况包括正常蓄水位、设计洪水位；特殊情况包括校核洪水位、死水位情况、正常水位等情况），关注各工况条件下的均匀水砂压力、温度变化。在此基础上，全面掌握拱坝坝体等各项参数，进行温度变化荷载的计算。该过程中，需要结合地质报告资料进行分析，了解双曲拱坝的砌体饱和容重，结合弹性模量、砌体温度线性膨胀系数，进行相关数值的计算。计算温度变化荷载时，需要应用简化计算法，考虑到库水位、水深、坝体厚度、表面水温年变幅等参数条件。计算不同荷载组合的拱坝左岸上下游面应力、拱坝右岸上下游面应力，进而总结拉应力分布规律[4]。不同荷载组合的顶拱端上下游坝面主应力值计算结果如表1 所示。通过应力计算，大坝压应力和拉应力均达到规范容许值。

表1 不同荷载组合的顶拱端上下游坝面主应力值计算结果分析

4 双曲拱坝的稳定性分析

双曲拱坝的安全运行，其稳定性需要得到良好的保障，需要采取科学、高效的方法进行检测、分析。该过程中，进行重力墩稳定验算、坝肩岩体稳定分析，进而对双曲拱坝的总体稳定性进行评估和判断，及时发现问题，有效予以处理。

4.1 重力墩稳定验算

双曲拱坝的重力墩稳定验算过程中，需要考虑到基本荷载组合（正常蓄水位、设计洪水位）和特殊荷载组合（校核蓄水位、正常蓄水位），具体了解自重、净水压力、扬压力、泥砂压力、土压力、拱端压力、浪压力等参数条件。基于GADAP25 程序，进行拱端推力荷载的计算，得出正常+温降的合推力、设计+温升的推力、校核+温升的推力[5]。应用拟静力法，结合地震加速度峰值、质点的重力作用标准值及水平向地震惯性力代表值等参数，进行地震荷载的计算，地震荷载的计算结果如表2 所示。

表2 地震荷载的计算结果分析

针对正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位的其他荷载进行计算，具体了解坝前水深、自重、静水压力、扬压力、波浪压力等条件，如表3 所示。分析不同荷载组合作用下的抗滑稳定安全系数，基本荷载组合1、2 分别为2.19 和1.73，特殊荷载组合1、2 分别为1.71 和2.54，符合稳定性要求。

表3 其他荷载计算结果分析

在不同边缘应力的条件下（σz1、σz2、σz3、σz4），不同荷载组合作用下，未产生拉应力，分析上下游边缘应力计算成果，如表4 所示。未产生拉应力的情况下，上下游边缘应力符合标准。

表4 其他荷载计算结果分析

4.2 坝肩岩体稳定分析

在坝肩岩体稳定分析的过程中，需要将其视为空间问题。在具体掌握整体抗滑稳定安全系数的基础上，按照科学的计算程序，计算拱坝坝肩拱座的稳定性数值。该过程中，应用刚体极限平衡法，忽略滑移体各部分间的相对位移、拱坝内力重分布作用、弯矩的影响，作为假定条件，进行相关数值的计算。结合双曲拱坝的地质参数（摩擦系数、黏着力等），取右岸重力墩底，结合滑面长度进行计算。在计算程序中，输入扬压力、梁垂直力、拱推力、拱切力、梁切力、拱座面夹角、拱厚、拱底高程，计算得出抗滑力、径向滑动力、切向滑动力、安全系数及最小安全系数的计算。确认坝肩岩体稳定计算结果是否符合标准[6]。

通过重力墩稳定验算、坝肩岩体稳定分析，可以对双曲拱坝的稳定性进行评估。以此为参考，制定科学、完善的水库除险加固措施，有效处理病害问题，消除安全隐患。经过除险加固后，充分保障双曲拱坝的安全稳定运行，有效发挥其拦蓄洪水的功能。

5 结语

综上所述，在水库除险加固中，需要重点进行双曲拱坝的检查，及时发现安全隐患，并进行防渗处理、坝顶混凝土路面拆除重建，坝顶砼防浪墙拆除重建等施工。在除险加固施工的过程中，需要考虑到双曲拱坝的应力状态及稳定性，采取科学的方法进行评估。通过对双曲拱坝的应力分析和计算，了解其应力状态，以此为参考，将应力控制作为除险加固工作的重要内容。在此基础上，通过重力墩稳定验算、坝肩岩体稳定分析，排查双曲拱坝在稳定性方面的缺陷，进而采取有针对性的处理措施。