司才龙,舒仲英

(四川大学 水利水电学院,成都 610065)

1 工程概况

鲜店水库位于蓬安县鲜店乡境内,嘉陵江水系龙滩子河上游。坝型为浆砌条石单曲拱坝。坝高28.8 m,坝底宽10 m,坝顶宽3 m,坝顶弧长106 m。大坝右端直接与山岩连接,左边由宽4.25 m,长5.9 m,高13 m的梯级重力墩支撑。坝址以上控制集雨面积4.9 km2,主河道长 4.4 km,平均坡降13.47‰。校核洪水位为380.60 m,库容为305×104m3;设计洪水位380.15 m;正常高水位为 378.86 m,相应的库容 247.2×104m3;死水位 369.157 m,死库容43×104m3。

水库枢纽工程于1972年动工修建,1977年建成,运行至今已30 a,枢纽在发挥效益的同时,也存在一些严重的病害问题。坝体左端下游面与重力墩有一集中渗漏点,大坝下游面高程369.3 m以下坝体大面积散浸湿润,局部有滴水现象,散浸和滴水主要发生在灰浆部位;坝基和左坝肩存在渗漏;现场检查坝体拱冠迎水面有纵横交错的裂缝多处。

2 库区工程地质条件

坝区岩石主要由侏罗系蓬莱镇组之砂岩与砂质泥岩的不等厚互层组成。强风化带厚5.00～9.00 m,弱风化带厚9.00～13.00m。坝址处河谷地形较为宽浅(呈“U”)。

水库大坝左坝端为开敞式溢洪道,坝肩为浆砌条石重力墩,墩基为层砂质泥岩,墩背为溢洪道左边墙,由于砂质泥岩抗风化及抗冲刷能力低,墩侧边坡岩体又未作抗风化处理、而且左放水设施从重力墩中穿过,因此对坝肩重力墩的稳定不利。

右岸坝端下游20m处在渠道内侧陡坡处,沿卸荷裂隙发生的切层岩质滑坡。滑面由卸荷裂隙组成 ,卸荷裂隙产状为 N39°～ 42°E/SE ∠80°～ 81°,裂隙上大下小,缝宽8～20 cm,裂隙间充填物为碎石和泥质物。该塌滑体清除后将使右坝肩岩体在下游形成临空面,因此对大坝右坝肩岩体稳定性有影响,需进行稳定复核。

3 应力和稳定分析

3.1 坝体应力计算

拱坝(图1)体型尺寸见表1。对拱坝的应力分析,根据规范[1]规定进行计算。按照《混凝土拱坝设计规范》及其编制说明[2]及《砌石坝设计规范》[1],采用拱冠梁计算[4],计算程序采用经《混凝土拱坝设计规范编制说明》推荐的陕西省水利水电勘测设计院的拱冠梁法程序为基础,而该程序的温度荷载方法与现行规范规定不合,现舍去这种温度荷载计算方法,改用规范[1]推荐公式编制温度荷载计算程序计算温度荷载,其计算原理是应先分别计算拱和梁所经全部温度变化的初始变位,然后协调其差值,在求出分载应力之后,拱应力还应叠加上纯拱的初始温度应力[5],再将计算结果调入拱坝应力分析程序。经改造后的程序已经验算考核合格,在多个中小型砌石拱坝中得到应用,证明可靠。

图1 拱坝横剖面图Fig.1 Cross section drawing of arch dam

计算工况如下:①正常高水位+温降;②校核洪水位+温升;③死水位+温升;④死水位+温降。计算结果见表2～表5。

3.2 坝体应力分析

1)本拱坝按胶结材料为M7.5,拱坝周边拉应力允许值为1.0 MPa,其它部位为0.8MPa,在正常高水位+温降工况下悬臂梁上游面高程352.66m,最大拉应力为1.32MPa。故大坝的计算拉应力未达到规范要求。这主要是坝址处河谷地形较为宽浅(呈“U”),梁分到的荷载比例比拱大,因此造成应力分布不均,甚至在高水位是拱冠梁底部的拉应力超强。

2)由文献[1]可知,实际发生的最大压应力为5.1946MPa,发生在校核洪水位+温升工况下拱端上游面352.66m处。而本坝采用料石未达该标准且应力大大超过。根据观测资料,在大坝上游拱冠偏右上游面有明显的裂缝,则可作为坝体应力超限的佐证。

3)在死水位+温降工况下,拱圈出现较大的拉应力,且据运行观测资料,施工时的砌体水泥砂浆强度不够和填缝不满,使其抗拉强度有所下降,故拱坝出现裂缝有其必然性。

表1 拱坝体型尺寸Table1 Size of arch dam

表2 正常高水位+温降工况下的应力Table2 Normal high water level and temperature drop operating conditions of stress

表3 校核洪水位+温升工况下的应力Table3 Check flood level and temperature rise operating conditions of stress

表4 死水位+温升工况下的应力Table4 Dead water level and temperature rise operating conditions of stress

表5 死水位+温降工况下的应力Table5 Dead water level and temperature drop operating conditions of stress

4)在校核洪水位+温升和死水位+温升工况下,拱圈多数部位不存在拉应力,由此可判定在高温季节,拱坝不会出现竖向裂缝。

3.3 拱座稳定计算

由于拱坝左端直接作用于重力墩上,故左端拱座稳定分析只计算重力墩[3],计算采用文献[1]中公式,计算参数采用地质报告建议值,计算结果见表6。

表6 左端拱座稳定计算表Table6 Left end of abutment stability calculation

由于右拱端下游有一条较长的卸荷裂隙,该裂隙后部已发育成滑坡体,把滑坡体清除后就会形成横断河床方向的临空面,使得该卸荷裂隙与J3P顶面组成的块体可能滑出,以下对楔形块体进行校核。稳定分析采用刚体极限平衡法,采用文献[1]中公式进行计算,计算参数采用地质报告建议值。计算结果见表7。

表7 右端拱座稳定计算表Table7 Right end of abutment stability calculation

3.4 稳定分析

1)由计算可知,左、右拱座的稳定均不满足规范的要求值,抗滑稳定安全系数与规范允许值差距较大,这是由于坝体清基不彻底,f、c值很小造成的。

2)在进行各种工况的计算时,采用的边界条件和计算参数与工程的实际情况存在一定的差别,因此抗滑稳定安全系数与规范允许值存在差距。

3)在理论计算时,采用的是最不利工况,然而在工程实际中,最不利工况并没有发生,这使得拱坝运行未出现安全问题,但本次鉴于拱坝以后的安全运行,需对本工程进行除险加固。

4 结 语

通过拱坝的应力和稳定分析,结合实际工程地质情况找到鲜店拱坝目前存在的安全隐患,针对具体问题,提出以下整治措施:

1)针对坝体渗漏以及裂缝,根据当地实际情况,在上游面死水位以上做钢丝网-水泥纤维砂浆防渗层,大坝下游增设混凝土砌块石加固层,通过以上整治,大坝的应力满足文献[1]要求和解决了渗漏及裂缝问题。

2)针对左坝肩的稳定不满足规范要求,左坝肩采取增加重力墩的重量;针对右坝肩存在的卸荷裂隙使右坝肩存在不稳定的因素,在右坝肩20 m范围内沿卸荷裂隙进行固结灌浆处理。

3)对坝基及坝肩的渗漏问题,结合地质以及工程的实际情况,对大坝坝基段,采用单排帷幕灌浆,灌浆轴线沿大坝下游面新增条形基础布置;右坝肩灌浆沿坝体中心线延伸30 m,左岸灌浆轴线顺溢洪道方向延伸30 m。

[1]SL 25-2006,砌石坝设计规范[S].

[2]SL 282-2003,混凝土拱坝设计规范[S].

[3]林继镛.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[4]王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[5]黎展眉.拱坝[M].北京:水利电力出版社,1982.