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某小型砌石拱壩的結構安全分析

文檔作者：劉曉樂徐培文檔來源： 1．陽春市水利水電勘測設計室 2．廣東省水利水電科學研究院，			點擊數：
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第7期
2010年7月
廣東水利水電
GUANGD0NG WATER RES0URCES AND HYDROPOW ER
No．7
Ju1．2010
某小型砌石拱壩的結構安全分析
劉曉樂 ，徐培
(1．陽春市水利水電勘測設計室，廣ej-,陽春529600；2．廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州510610)
摘要：拱壩以其優越的結構特點，目前在山區小水電中應用較多；該文通過工程實例，對某小型砌石拱壩的結構進行計算
分析，結果表明：壩體最大壓應力和最大拉應力、拱座抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，拱壩結構是安全的。
關鍵詞：砌石拱壩；應力分析；壩肩；抗滑穩定
中圖分類號：TV641 文獻標識碼：B 文章編號：1008—0112(2010)07—0060—04
1 工程概況
某小(I)型水庫位于廣東省鶴山市皂幕山南端西
側，水庫大壩為漿砌石實體拱壩，由中間溢流壩段及兩
側非溢流壩段組成。壩頂長度為89m，寬為4．4m，最大
壩高為24．3m，壩頂高程為122．30m，其中大壩中間的
溢流壩段長為22．80m，溢流堰頂高程為120．30m；基礎
面高程為98．00m，壩底寬為12．0m，長為22．Om，拱壩
中心角為96。。壩基面澆110 混凝土，壩身上游面豎
直，下游壩面坡比為1：0．35。壩身上游面防滲面板自
下而上為1～0．7m厚的150 砼面板，壩身采用50 水泥
砂漿砌石而成，拱壩平、剖面見圖1～圖2。
圖1 拱壩平面布置(單位：mm J
2 拱壩施工與運行情況
大壩于1971年動工興建，建壩時清基未夠徹底，其
壩基和兩岸壩頭裸露的為風化砂巖，風化異常劇烈，裂隙
十分發育，其中尤以左壩頭巖石十分破碎。溢流段基礎
采用炸石清基，清基不徹底，部分巖石被炸裂、破壞；另
外，上游面的砼防滲墻施工質量差，導致基礎底部及壩體
漏水。1998年，對壩體及基礎進行了灌漿防滲處理：對溢
圖2 拱壩剖面(單位：高程m；長度cm)
流段壩體及基礎、左右岸壩頭進行帷幕灌漿；對非溢流壩
采用充填灌漿處理。灌漿后，取得一定效果，壩體漏水減
少。2002年水庫續建工程時，拆除了原壩頂擋水墻及溢
流堰混凝土，將原壩頂和溢洪道表面混凝土鑿毛、漿砌石
清縫和表面清洗干凈后重新澆注混凝土。
3 拱壩應力分析計算
3．1 計算方法
根據《漿砌石壩設計規范SL25—2006}，對于小型
砌石拱壩可采用考慮徑向和扭轉調整的拱冠梁法進行
計算分析，應力分析主要包括：①各計算截面上的應力
分布；② 壩體上、下游面在各計算點的主應力。本次采
用《水利水電工程設計計算程序集》中的“J一2考慮扭
轉作用的拱冠梁法”進行計算。
3．2 設計標準
根據《漿砌石壩設計規范SL25—2006}，采用拱冠
梁法計算時，拱和梁的法向應力應滿足下列規定的應力
收稿日期：2010—06—17； 修回日期：2010—07一l5
作者簡介：劉曉樂(1984一)，女，主要從事水利水電工程規劃、設計工作。
· 60·
2010年7月 第7期 劉曉樂，等：某小型砌石拱壩的結構安全分析
指標 (見表1、表2)：
表1 漿砌石體容許壓應力(10 Pa)
≥ 1000 510 400 400 340 29o 240 600 470 470 400 330 280
800 470 330 330 310 280 210 550 42【】420 370 300 250
毛
600 410 3l0 310 270 230 190 480 370 370 320 270 220
— 500 370 290 290 240 210 170 430 330 330 280 250 200
由
400 330 240 240 210 l90 16o 380 280 280 250 220 180
3o0 290 210 210 190 160 l3O 330 250 250 220 l8O 16o
表2 漿砌石拱壩控制計算拉應力(10 Pa)
3．3 計算斷面的選取
本工程為小型工程，為了簡化計算，將壩體看作等
高對稱砌石拱壩，選取壩體中間最大壩高截面作為拱冠
梁進行應力計算，斷面尺寸如圖3所示。
圖3 拱冠梁簡圖示意(單位：高程m；長度iHm)
3．4 工況選取及荷載組合
選取最不利工況，即在校核洪水位為122．81m(P
： 0．2％)下的荷載組合，拱壩承受作用力為：①壩體自
重G；②壩上游面靜水壓力P。；③壩下游面靜水壓力
P ；④浮托力U，；⑤滲透壓力 ；⑥淤砂壓力E；⑦溫度
荷載P ，其中溫度荷載P 考慮溫升情況。
3．5 計算原理
1)考慮扭轉作用的拱冠梁法_2-3](以下簡稱扭法)
的效果相當于考慮徑向調整和扭轉調整的方法，但計算
要比試載法簡便得多。
2)扭法的實質是將拱壩劃分為若干水平拱圈，設
想拱壩在外力作用下，拱冠梁上任一點產生變位就必然
要求拱圈上的相應點也產生大小相等方向相同的變位。
其實質即是認為：懸臂梁在一個由各水平拱提供的彈性
基礎上。這個由水平提供的彈性基礎，對懸臂梁的變位
有2個抵抗作用：
①梁在某一點產生的徑向變位就是拱上相應點的
徑向變位，而拱的徑向變位使拱產生抵抗徑向的彈性抗
力F ，這個彈性抗力作用于梁上；
②梁在某一點的角位移0(即梁徑向變位的梯度)
也就是拱上相應點的繞拱圈切向軸的扭轉角0 ，拱發生
扭轉時使拱產生抵抗扭轉變形的彈性抗力矩z ，這個
也作用于梁上。
3)荷載的計算
① 水、砂荷載
水、砂的計算方法同重力壩，不贅述。對于下游水
荷載，由于中、小型壩下游水位不高，作為安全儲備而未
予考慮。
② 溫差荷載
將溫度變化的作用由下列2種作用的迭加來代替
(此處以溫度下降的情況為例。對于溫度上升的情況，
公式同樣適用，僅正負號改變而已)。
a、各水平拱中的軸向內力．『v ：Ⅳ =一 ·E ·T·At
式中 為混凝土熱膨脹系數； 為混凝土彈性模量；
為拱圈徑向厚度；△ 為溫降值。
斷面上的應力則為：
= ／T=一 ·Ec·At (拉力)
b、壩面的溫度當量荷載：
P ： —— _ (佰指I向ⅡJ 下l、游獅)J
式中 為拱圈上游面半徑，R =r+T／2。At的計算
采用了美國墾務局修正經驗公式 ：
A 47
t F而
關于溫度變化值△ ，它是隨著壩的高程變化而變
化的，所以Ⅳ 和P 是隨高程而變化的。但是在某一高程
． 61 ．
2010年7月第7期 廣東水利水電 No．7 Ju1．2010
的水平方向上P，可以假定是均勻的，即假定溫度當量
荷載作用在水平拱上是均勻徑向荷載。
3．6 計算結果與分析
計算基本參數：壩體采用50 水泥砂漿砌石，石料
采用標號為400的毛石料，砌石體線膨脹系數按《砌石
壩設計規范》中的3．2．2條， 可在(6～8)x 10 ／℃范
圍內選用，此處取： =8×10一／~C；漿砌石體彈性模量
按《砌石壩設計規范》中附表A．0．2取值：E =2．5GPa；
淤沙內摩擦角取 =20。；淤沙浮容重取 =1．2t／m ；
延長系數C 取0．5。
計算所得拱和梁的應力結果見表3。
表3 拱和梁應力計算結果
結果表明，在特殊工況下，即最不利荷載組合條件
下，壩體最大壓應力為108．95 X 10 Pa，出現在拱座下游
面中部位置，小于漿砌石體的容許壓應力[a壓]=160 x
10 Pa；壩體最大拉應力為38．97×10 Pa，出現在拱座上
游面中部位置，小于漿砌石體的容許拉應力[a ]=55
×10 Pa，滿足規范要求。
4 壩肩穩定分析
4．1 計算方法及公式
漿砌石拱壩壩肩巖體穩定分析原則上按空間問題
處理，確定其整體抗滑穩定安全系數。根據本工程實際
情況，采用剛體極限平衡法 作為判斷壩肩巖體穩定
性的方法，計算公式如下：
：
Σ
式中 為抗滑穩定安全系數；Ⅳ為垂直于滑動方向
的法向力，10 N；T為沿滑動方向的滑動力，10 Ni廠為抗
剪摩擦系數，此處取f：0．55。
4．2 結構計算模型的假定
一般情況下，壩肩巖體是由陡裂面 、河床附近的
緩裂面F 、上游的破裂面 及臨空面分割成一個滑移
體，巖體失穩時，一般是沿F 與F。的交線① 一① 滑動
的(如圖4所示)。取一個單位高(代表性)拱圈，壩端
對岸坡巖體的作用力，按拱梁分載法分為：梁的鉛直力
G·tg 和剪力 ·tgqt，拱梁的推力Ⅳ和剪力 。這
些力可合成為：① 鉛直力G·tgqt；② 剪力V='，n+
·tg ；③水平推力 。將 及 分解為正交及平行
滑動線的2個分值N、Q，選取幾個代表性拱圈，計算出
其N、Q、G值，沿高程連成曲線，然后求曲線下的面積，
即為 、XQ、 ，同時計人滑移體自重 及滲透壓力
、 ， 即可驗算其抗滑穩定性。
圖4 壩肩抗滑穩定計算簡圖示意
4．3 壩肩地質條件分析
據本工程壩址區工程地質分析，該場地屬山谷陡坡
地貌，場區勘察深度范圍內，尚未發現明顯的斷裂構造
· 62 ·
跡象，根據查閱有關區域的地質資料，未發現區域性的
活動斷裂從場區及其附近經過，在其勘察深度范圍內，
地基穩定性較好。兩岸壩肩裸露的為風化砂巖，風化異
2010年7月第7期 廣東水利水電
常劇烈，裂隙十分發育，其中尤以左壩肩巖石十分破碎。
取巖樣l2塊，做飽和單軸抗壓強度測試：． =13．7～
35．8MPa，平均為22．5MPa。
4．4 壩肩穩定計算
拱圈拱端由外荷產生的內力為軸向力日和剪力 ，
將Ⅳ和 分解為平行和垂直于破裂面交線① 一① 的2
個分值，設破裂面與軸向力 方向相交成a角，則平行
于破裂面的分力S為：
S = Hcosa + Vs．ina
垂直于破裂面的分力J)v為：
N = Hsina ——Vcosa
設基坑面與垂線相交成 角，將垂直于破裂面的
分力～沿基坑面分解為垂直和平行的2個分力P和Q，
基坑面上還受自重 ．及滲透壓力U的作用。最后可得：
平行于底滑面的分力：Q=Nsin~一W cos~0"
垂直于底滑面的分力：P =Ncos~ +W sin 一U
根據壩體應力分析結果，拱端內力組成見表4。
作用在破裂面上的力有P、Q、S三個，其中P是穩定
力，S是滑動力，因而安全系數 為：
K =Pf／S=I廠(Ncos~+Wl sin 一U)／S
根據表4數據，可算得在最不利荷載組合情況下，
拱座抗滑穩定安全系數為1．22，大于規范規定的1．10，
滿足規范要求。
譽 強 苔 { ； 葛
(上接第56頁)還應粘貼炭纖維布復合增強處理，待化
學灌漿凝固后，再對隧洞片滲面進行水泥灌漿結合化學
灌漿的綜合灌漿處理，再對頂拱進行回填灌漿。
具體灌漿段為：6+182～6+550段片滲嚴重，采用
綜合灌漿；6+000～6+182、6+550～6+717段為干燥
段，采用水泥灌漿。
為加強砼與巖壁的結合，填充砼與巖壁間的空隙，
需對隧洞頂拱范圍內進行回填灌漿，回填灌漿孑L距和排
距為3m，灌漿孔深入圍巖10cm，灌漿壓力采用
0．3MPa?；靥罟酀{結束后，將回填灌漿孔改造成排水
孔，排水孔間距、排距為3m，孔深深入巖石2m。
該工程于2008年3月15日開工，2008年7月25
日基本完工。襯砌加固及缺陷處理后立即見效，漏水現
象消除。經過1年多運行檢驗，加固效果良好。
5 結語
傳統的掛網澆筑混凝土等水工隧洞加固技術相當
于對隧洞進行二次襯砌，施工難度大、周期長，經濟效益
差，且改變了隧洞的過流斷面。采用噴射早強鋼纖維混
凝土對襯砌結構補強效果好、施工進度快、效益好。采
表4 壩肩巖體受力結果
36 2 430．18 —86 67 1 917．16 1 493．79 1 030．48
36 2 644．97 —213．42 2 163．06 l 534．59 1 583．43
36 2 620．44 —435．59 2 286．9l l 348．66 1 868．58
36 2 304．39 —736．03 2 237．69 9l5．62 2 l5I．34
36 l 749．57 一l017．99 1 993．72 343．4 2 781．90
36 l 276．3 一l424．45 1 892．14 —271．74 2 781．90
36 537．65 —937．21 l 013．53 —372．73 2 781．90
13 504 ．21 4 991．63 14 979．53 8 681．67
5 結語
由結構應力計算結果分析，壩體最大壓應力及最大
拉應力均不超出砌石壩設計規范要求，在最不利荷載組
合情況下，拱座抗滑穩定安全系數也滿足規范要求，表
明該拱壩結構是安全的，大壩40余年的運行實踐也說
明了計算分析結果的可靠性。
參考文獻：
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[3] 潘家錚，黎展眉．拱壩[M]．北京：水利電力出版社，1982．
(本文責任編輯馬克俊)
用化學及水泥綜合灌漿對洞身圍巖及裂縫進行加固處
理，不改變隧洞原有斷面，用碳纖維布對裂縫進行補強，
防滲效果明顯，增大了流量系數，提高了隧洞的過流能
力。通過這些加固措施，提高了結構的承載力及耐久
性，節約了運行后的維修費用。
參考文獻：
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(本文責任編輯羅睿)

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