刘浩哲彭杰帅

（1.长沙市雅礼中学长沙市410007；2.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007）

宝峰湖水库结构安全复核计算分析

刘浩哲1彭杰帅2

（1.长沙市雅礼中学长沙市410007；2.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007）

宝峰湖水库原名施家峪水库，位于张家界市武陵源区的施家峪峡谷处，大坝为浆砌石拱坝。文章针对宝峰湖水库的现状，采用浙江大学编“杆元分载六向调整多拱梁”程序通过对大坝的位移计算、坝体应力计算、坝肩稳定分析等方面来对大坝进行结构安全复核计算，并对计算结果进行了综合分析。

宝峰湖水库拱坝坝体应力计算坝肩稳定分析

1 工程概况

宝峰湖水库原名施家峪水库，位于张家界市武陵源区的施家峪峡谷处，下距区政府2 km，始建于l974年冬季，l978年11月坝后电站投产发电，1982年大坝完建。水库坝址控制集雨面积8.21 km，干流长度5.73 km，于流平均坡降71.73‰。设计灌溉面积2 000亩，电站装机2台120 kW机组，是一座以灌溉、防洪、发电为主综合利用的小（Ⅰ）型水利工程。枢纽工程由大坝、溢洪道、发电涵管、坝后电站、冲砂放空底涵等建筑物组成。

宝峰湖水库位于山丘区，总库容503.19万m3，大坝为浆砌石拱坝，根据及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）第2.1.1条、2.1.2条、2.2.1条的规定，该水库为小（Ⅰ）型水库，属Ⅳ等工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。根据该水库库容、灌溉面积、安全等因素考虑以及宝峰湖水库重要的地理位置，确定其设计洪水标准仍为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇，溢洪道消能防冲标准为20年一遇。

大坝为浆砌石拱坝，1982年建成时最大坝高71.575 m，坝顶高程440.0 m，坝项厚2.5 m，坝底厚度6.0 m。溢洪道进口处修筑浆砌石溢流堰时，坝顶进行了改建，坝项高程变为441.94 m，最大坝高为73.515 m。2003年在大坝坝体迎水面高程铺设厚度（0.3～0.5）m的混凝土防渗面板，坝顶厚度加厚至2.8 m，坝底厚度仍为6.0 m。

大坝建在裂隙状的“一线天”地形，立面呈长“S”形。谷底标高368.425 m时，宽6.48 m，高程442 m时宽1.7 m，402 m高程时仅有2 m宽。

2 拱坝结构稳定复核

2.1 拱坝结构安全复核采用的原体参数

（1）拱圈几何参数。大坝由两种坝形构成，坝基至高程429.214 m这段拱坝为变圆心变半径对称等厚单曲拱坝，以上部分拱坝为变圆心变半径不对称等厚倾斜拱座单曲拱坝。各控制高程拱圈参数列于表1。

表1 拱圈参数

（2）材料物理力学指标。

坝体：容重采用：2.2 t/m3；线膨胀系数选用：8e-6k-1；弹性横量选用：6 GPa；泊松比：0.25；允许压应力：2.1 MPa（基本组合）；允许压应力：2.5 MPa（特殊组合）；控制拉应力：0.7 MPa坝基岩石：容重采用：2.4 t/m3；弹性横量选用：（9～11）GPa；泊松比：0.25。

（3）大坝上下游特征水位采用本次复核值（与原设对比如表2）。

表2 特征水位对比表

（4）坝体物理力学参数按SL 25-2006规范取值如表3。

表3 坝体物理力学参数表

（5）坝基变形模量：复核分高程取值为如表4。

表4 坝基变形模量分高程取值表

2.2 拱坝结构安全复核荷载计算

（1）坝体自重：与混凝土拱坝结构不同，浆砌石拱坝的自重作为荷载由拱和梁共同承担。

（2）浪压力：按规范SL 25-2006附录C的公式计算。

（3）扬压力：该拱坝厚高比0.082，本次复核和原设计，在拱坝应力计算时，均不计扬压力，但复核拱坝坝肩稳定时，计入了扬压力。

（4）坝下游水压力：相应于表2列示的坝下游水位对坝体的作用力。

（5）坝上游水压力：相应于表2列示的坝上游水位对坝体的作用力。

（6）坝上游泥沙压力见表5。

表5 坝上游泥沙压力

（7）温度荷载：

式中T——计算高程处拱圈厚度（m）。

复核计算，按SL 25-2006附录C有关规定计算。

坝址多年平均气温16.8℃。坝址多年月平均气温如表6。根据拱坝施工人员回忆和施工具体情况，确定拱坝各计算高程的封拱温度如表7。

表6 坝址多年月平均气温表

表7 拱坝各计算高程封拱温度

计算所得温差荷载列如表8，表中Tm表示沿拱圈截面厚度的平均温度，Td表示等效线性温差。

表8 温差荷载表℃

本次复核计算是应用伏克特假定计算坝基变形对坝体应力的影响，复核计算是采用（基础矩形当量长宽比）精确公式计算地基变位系数。

2.3 坝体应力复核计算选定的荷载组合

根据该拱坝的体形特点，坝体应力计算选择两种控制荷载组合：

（1）组合1：基本荷载组合。

水库正常蓄水位＋坝下游水位＋设计正常温降＋自重＋泥沙压力＋浪压力。

（2）组合2：特殊荷载组合。

水库校核洪水位＋坝下游水位＋设计正常温升＋自重＋泥沙压力＋浪压力。

2.4 拱坝结构稳定复核计算方法

本次复核计算，采用浙江大学编“杆元分载六向调整多拱梁”程序完成计算，杆元分载法是综合了试载法、有限元、格栅法、内力平衡法等各种拱坝应力分析方法的优点。

2.5 复核计算结果

拱坝控制应力与最大位移列于表9。两种荷载组合情况下正应力列于表10～表11。规定拉应力为负，压应力为正，指向上游的位移为正。

2.6 复核计算应力、位移成果分析

由计算成果可知，最大径向位移数值为6.4 mm，指向下游，出现在拱冠梁顶部。这是因为温降使坝轴线收缩，使坝体向下游变位，与水压力产生的变位方向相同，变位叠加。基本荷载组合l的最大主拉应力为－0.41 MPa，最大主压力为0.86 MPa，特殊荷载组合2的最大主拉应力为－0.43 MPa，最大主压应力为0.87 MPa，位移、应力分布符合规律，其最大主压应力小于坝体浆砌石容许压应力（2.5 MPa），最大主拉应力小于浆砌石坝体控制拉应力0.7 MPa，最大主拉应力出现在拱冠梁底部368.43～386.304 m高程的上游面（详见T2.1.6）。

基本组合：

（表10）上游面第一主应力（0.1 MPa）；

（表11）上游面第二主应力（0.1 MPa）；

（表12）下游面第一主应力（0.1 MPa）；

（表13）下游面第二主应力（0.1 MPa）。

特殊组合：

（表14）上游面第一主应力（0.1 MPa）；

（表15）上游面第二主应力（0.1 MPa）；

（表16）下游面第一主应力（0.1 MPa）；

（表17）下游面第二主应力（0.1 MPa）。

表9 控制应力与最大位移

表10 上游面第一主应力（基本组合）

表11 上游面第二主应力（基本组合）

3 拱坝坝肩稳定分析

根据宝峰湖水库坝区工程地质条件，坝基及坝后的岩石为石英砂岩，坝肩部分未发现不利于坝肩稳定的断层、软弱夹层及节理面，坝肩基岩均匀单一，强度高，刚度大，岩层面接近水平状，故坝肩基岩是稳定的。由于在高程430 m以下拱坝没有径向拱座，拱端面线与基准面平行线夹角为0，所以可能存在拱坝坝端和基岩间的滑动稳定问题。

根据《浆砌石坝设计规范》SL 25-91第5.3.4条规定，拱坝抗滑稳定分析可采用抗剪断公式k1=∑（Nf1+C1A）/∑T计算，或采用抗剪公式k1=∑（Nf1）/∑T计算。根据宝峰湖大坝具体情况，采用抗剪断公式计算大坝坝端抗滑稳定比较符合实际。

表12 下游面第一主应力（基本组合）

表13 下游面第二主应力（基本组合）

表15 上游面第二主应力（特殊组合）

表16 下游面第一主应力（特殊组合）

表17 下游面第二主应力（特殊组合）

宝峰湖水库工程为Ⅳ等工程，大坝为4级建筑物，根据《浆砌石坝设计规范》SL 25-2006第6.3.4条规定，当釆用抗剪断强度公式计算时，最小抗滑稳定安全系数基本组合为3.0，特殊组合为2.5。

各高程的拱端轴力、剪力及抗滑稳定安全系数如表18。

表1 8各高程的拱端轴力，剪力及抗滑稳定安全系数

从表中数据可以看出，基本组合在411.814 m，386.304 m，368.43 m高程的抗滑稳定安全系数略大于规范要求，其它高程抗滑稳定安全系数都达到了规范要求；特殊组合的抗滑稳定安全系数均符合规范要求。从总体来看，坝体整体的抗滑稳定安全系数基本符合规范要求，故在本次复核情况下，宝峰湖水库大坝坝体抗滑稳定性是安全的。

说明：表中拉力为负，压力为TR。表中括号里的值为右拱座的轴力和剪力及安全系数，其它为左拱座的轴力和剪力及安全系数。

4 结语

本文对宝峰湖水库大坝坝体的应力及位移计算分析，得出拱坝的径向位移、应力分布符合规律，其最大径向位移数值为6.4 mm，指向下游，拱坝变位属正常状态。其最大主压应力小于坝体浆砌石容许压应力（2.5 MPa），最大主拉应力小于浆砌石坝体控制拉应力0.7 MPa。坝体整体的抗滑稳定安全系数基本组合K’均大于3.0，特殊组合K’均大于2.5，符合规范要求，宝峰湖水库大坝坝体抗滑稳定性是安全的。通过对大坝的位移及应力计算、坝肩稳定分析，为工程安全分析提供重要的数据依据，对保障下游人民生命财产安全有着重要的意义。

2016-11-24）

刘浩哲（1999-），男，在校学生；彭杰帅（1987-），男，工程师，从事水库大坝设计工作，电话：0731-85486206。