溢流式面板堆石坝坝身稳定因素敏感性研究

2020-12-02耿旭孔思丽黄质宏廖海梅龚红伟郭建强王国庆

水利水电快报 2020年8期

耿旭孔思丽黄质宏廖海梅龚红伟郭建强王国庆

摘要：为了探索锚固梁宽度和高度、锚拉筋长度、锚固板长度、泄洪量以及堰顶插筋长度等因素对溢流式面板堆石坝坝身稳定的影响，采用正交设计方法，依托在建工程松树林水库，利用非线性弹性模型（邓肯E-B模型）和非线性圆弧法，确定溢流面坝体稳定安全系数。通过极差分析和方差分析，确定各因素对溢流式面板堆石坝溢流面坝身稳定影响的敏感性和显著性。结果表明：锚固钢筋长度对安全系数的影响最大，且高度显著;流量对安全系数的影响最小，且不显著。

关键词：坝身稳定;敏感性分析;邓肯E-B模型;非线性圆弧法;锚固;溢流式面板堆石坝

中图法分类号：TV641.43

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.叭0

1 研究背景

澳大利亚克罗蒂面板堆石坝是世界上首次在面板坝顶及下游坝面上布置开敞式溢洪道的工程[1]。该工程加固措施为：在每一块叠瓦式底板的顶部布置水平阻滑板，同时还在底板和坝体之间布置水平锚筋[1-2]。克罗蒂面板坝的监测资料表明，其设计尚留有裕度[1];关于底板抗滑稳定的研究认为[2-6]，基于静力分析理论，溢流面板堆石坝底板加固措施可作简化。据此，结合已建工程的底板加固措施和施工可行性，侍克斌等[6]提出了一种钢筋混凝土格栅式底板加固措施：在每块泄槽底板顶端与坝体之间，布置水平外包混凝土的锚拉筋与埋在坝体内的预制混凝土横梁连接起来，形成加固形式。

廖海梅等[2-3]从探讨底板加固措施出发，基于静力学理论，得到了采用钢筋混凝土格栅式底板加固方式下的稳定计算公式，并通过改变流速、加固措施长度和底板厚度等参数，分析稳定安全系数的变化规律。推导带水平加固措施的溢洪道底板静力抗滑稳定安全系数计算式，运用正交设计直观分析方法，对底板抗滑稳定敏感性进行研究，底板厚度和宽度对稳定性的影响较弱。采用的流速为平均流速，而溢流面上各个断面的流速是变化的，为真实反映泄槽底板的水平拖拽力和脉动压力，应采用分段求和法计算各个断面流速[7-8]。

在建工程松树林水库布置于主河道上，建坝地基为侏罗系中统郎岱群第一段（J2ln）基岩，坝基钙质泥岩（J2lnl-5），左坝肩肉红色砂岩（J2lnl-8）和右坝肩岩屑砂岩（ J2ln-4）。最大坝高25.10 m，坝顶宽度6m，坝顶长143.0 m，坝顶上游设置防浪墙，防浪墙顶高程1 242.30 m，下游设置防护栏杆。上游坝坡为1：1.4，下游坝坡为1：1.5，下游未设置马道。混凝土面板厚度为0.4 m的等厚面板，面板从上游至下游依次为上游铺盖区（1A）、上游盖重区（1B）、混凝土面板（F）、垫层区（2A）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游干砌块石护坡（P），大坝未设置次堆石区;面板上游石渣盖重层及黏土铺盖层，顶宽各3m，石渣盖重层上游坡比1：2.50，黏土铺盖层上游坡比为1：1.75，垫层区水平宽度3m，过渡层区水平宽度3m，下游干砌块石护坡厚度0.6 m。面板共分垂直縫11条，缝内设止水。溢洪道为开敞式坝顶溢洪道，布置于大坝中部的坝体上。由溢流堰段、泄槽段和出水段组成，全长共61.62 m。溢流堰段总长17.42 m，进口段分为5个表孔，每孔净宽5m，中、边墩厚度为1m，中部为驼峰堰，堰顶高程为正常蓄水位1238.00 m，为不设闸门滚水堰，溢流堰采用“b”形驼峰堰，堰高0.5 m，堰底板厚度0.6 m，堰身最大厚度1.1 m，堰底板下设厚1.0 m垫层和厚1.0m过渡层，溢流堰采用锚筋与堆石锚固，溢流堰段与第一段泄槽连接，设结构缝，堰身及中、边墩采用C25钢筋混凝土浇筑。溢流堰段后接泄槽段，纵坡1：1.5，矩形断面，净宽29 m，泄槽底板利用掺气槽将泄槽分为2段，各段间采用叠瓦形构造连接，每段顶部采用锚固板与埋设在坝体内的预制钢筋混凝土矩形锚梁用水平锚固钢筋连接。

依托松树林水库，采用Midas建立二维有限元模型，选取影响坝身稳定的主要因素，通过正交设计方法，改变各个因素的变量，计算坝身安全系数，通过极差分析和方差分析，确定各个因素对坝身稳定的敏感性和显著性。

2 邓肯E-B模型计算

根据松树林水库上游至下游典型剖面，为增加溢流面稳定性，采用锚固板+锚拉筋+锚固梁结合的加固措施，并在堰顶设置插筋。锚固板与溢流面连接，锚固板与锚固梁用锚拉筋连接，锚固梁提前预制，在预制中将锚拉筋预埋于锚固梁中，最后锚固板与锚拉筋搭接浇筑形成整体。为探索锚固梁宽度和高度、锚拉筋长度、锚固板长度、泄洪量以及堰顶插筋长度等因素对溢流面坝身稳定的影响，采用非线性弹性模型（邓肯E-B模型）进行分析。目前，对于溢流式面板堆石坝坝身稳定分析，大多数都是采用极限平衡法进行，其结算结果具有一定的实用价值[9-11]。本文采用非线性圆弧法确定溢流面坝身稳定安全系数[11]。松树林水库溢流面典型剖面见图1，典型圆弧滑动面见图2，采用的邓肯E-B模型[11]参数见表1。

各个因素水平的改变对安全系数的影响不同（见表2），极差越大的因素对安全系数的影响越大[12]。堆石料强度指标φ=φ一△φlog（σ3/Pa），滑裂面上不同位置处的内摩擦角φ与最小主应力σ3、大气压强Pa和内摩擦角减小值△φ有关。通过有限元软件Mi—das自动搜索最危险滑裂面，各个安全系数对应的圆弧滑动半径各不相同，对于锚固钢筋长度，圆弧滑动半径随着锚固钢筋的长度增加而增加。表3中各个因素对溢流面坝身稳定的敏感性排序为：C（锚固钢筋长度）>A（锚梁宽度）>B（锚梁高度）>D（锚固板长度）>F（堰顶插筋长度）>E（流量）。

为便于探讨各个指标随因素的水平变化的情况，采用Oringin处理表3数据。

3 影响溢流面坝身稳定因素敏感性分析

结合表3，通过各个因素与安全系数的关系变化和各个因素增量与安全系数增量变化（见图3-8），分析各个因素对安全系数的影响。

（1）锚固钢筋长度C对安全系数的影响。从表3可以看出，锚固钢筋长度的极差最大，这是对安全系数影响最大的因素。从图3中可知，锚固钢筋长度为8m时安全系数最大，4-6 m时安全系数降低，6-8 m时安全系数急剧增加，而8-10 m时安全系数急剧下降，10-12 m时安全系数降低。因此，在一定范围内，锚固钢筋长度的增加有利于提高安全系数，但随着长度的继续增加，安全系数反而降低。根据对5组长度的25次试验，对每次试验中的8根锚固钢筋共计200组数据进行处理可知，锚固钢筋在小于等于8m时，锚固钢筋沿长度方向主要是拉应力，但随着锚固钢筋长度的增加，锚固钢筋长度方向出现压应力，提供拉应力的范围有限导致安全系数降低。从图4可以看出：在一定范围内，随着锚固钢筋长度增量的增大，安全系数增量增大，突变点在6-10 m之间;随着锚固钢筋长度增量增加，安全系数增量反而降低。根据试验结果，锚固钢筋长度在8-10 m之间时，安全系数最大。

（2）锚梁宽度A对安全系数的影响。从表3可以看出，锚梁宽度的极差仅次于锚固钢筋长度的极差，是影响安全系数的次要因素。从图5可知，安全系数随着锚梁宽度的增加呈线性增加，安全系数拟合曲线y=2.69lx+0.487 5，R2 =0.984 45。因此，增加锚梁宽度有利于增加安全系数。从图6可知，随着锚梁宽度增量的增大，安全系数增量呈线性增加，安全系数增量拟合曲线y=2.392x+0.149 5，R2=0.991 33。根据试验结果，提高安全系数的方法之一是增加锚梁宽度。锚梁宽度增加0.1 m，安全系数可提高0.4左右;锚梁宽度增加0.2 m，安全系数可提高0.6左右。

（3）锚梁高度B对安全系数的影响。从表3可以看出，锚梁高度对安全系数的影响排第三。从图5可知，锚梁高度0.7 m时安全系数最大，0.4-0.5 m时安全系数增加，0.5-0.6 m时安全系数降低，而0.6-0.7 m时安全系数急剧增加（安全系数最大值为2.577），0.7-0.8 m时安全系数急剧降低。因此，在一定范围内，锚梁高度增加有利于提高安全系数，但随着锚梁高度的继续增加，安全系数反而降低。通过将锚梁高度与锚梁宽度比值（x=hlb）与安全系数拟合，当x在0～ 1.4之间时，安全系数y=1.883 4x005833.安全系数与高宽比是幂函数递增;而x>1.4时，y=-0.529 8ln（x）+1.835 6，安全系数与高宽比呈对数函数递减。这说明锚梁高度和锚梁宽度存在交互作用，且突变点在x=1.4附近。从图6可知：在一定范围内，锚梁高度增量增大，安全系数增量增大，突变点在0.6-0.8 m之间，随着锚固钢筋长度增量增加，安全系数增量反而降低。根据试验结果，锚梁高度在0.7-0.8 m之间时，安全系数最大。

（4）锚固板长度D对安全系数的影响。从表3可知，锚固板长度的极差是0.764，锚固板长度变化对安全系数的影响比锚固钢筋长度对安全系数的影响小。从图3可知：锚固板长度3-4 m时，安全系数增加，4-6 m时安全系数降低;6-7 m时安全系数急剧增加，安全系数最大值2.246;锚固板长度3-4 m时，有利于安全系数提高;但无法推断锚固板长度3m以下时，锚固板长度的增加是否提高安全系数。根据锚固板长度4，5m和6.0 m对应的安全系数，可得出锚固板长度在4-6 m之间时，安全系数随锚固板长度的增加而降低;锚固板长度6-7 m时，安全系数急剧增加;但无法推断锚固板长度1m以上时，锚固板长度的增加是否能提高安全系数。因此，在一定范围内，锚固板长度增加有利于提高安全系数，但随着高度的继续增加，安全系数反而降低。在25组试验中，滑裂面穿过锚固钢筋，锚固钢筋与锚固板连接，锚固钢筋出现拉应力段与锚固板长度相关，说明锚固板长度与锚固钢筋具有交互作用。从图4可知：在一定范围内，随着锚固板长度增量的增大，安全系数增量增大;在4-6 m之间，随着锚固钢筋长度增量增加，安全系数增量反而降低，安全系数增量最低点（突变点）在锚固板长度6m处。根据试验结果，锚固板长度4-6 m时，随着锚固板长度增量的增大，安全系数增量减小。锚固板长度在6-7m时，安全系数增量最小。

（5）堰顶插筋长度F对安全系数的影响。从表3可知，堰顶插筋长度的极差是0.612，堰顶插筋长度变化对安全系数的影响比流量对安全系数的影响大。从图3可知：堰顶插筋长度2-3 m时，安全系数急剧减小;4-6 m时安全系数整体增加;在堰顶插筋长度5m时达到最大，但安全系数低于2m时的安全系数2.219。因此，堰顶插筋长度2m或者4-6 m时，对安全系数的影响较为显著，而3-4 m时反而对安全系数的显著性不明显。从图4可知：堰顶插筋长度增量在2-4 m时，随着增量的增大，安全系数整体增加，在堰顶插筋长度增量3m处出现拐点，对应堰顶插筋长度为5m;随着錨固钢筋长度增量增加，安全系数增量反而降低。根据试验结果，堰顶插筋长度4-6 m，随着堰顶插筋长度增量的增大，安全系数增量出现拐点。堰顶插筋长度在2m或者4-6 m时，安全系数出现大值。

（6）流量E对安全系数的影响。从表3可知，流量的极差最小，即流量变化对安全系数的影响最小。从图7可知：随着流量的增加，安全系数整体呈下降趋势;但在流量82.1-136 m3/s安全系数出现大值2.120，该拐点在设计流量和校核流量之间。下泄流量大于136-161.3 m3/s时，安全系数增加。从图8可知，流量增量在下泄流量82.1-136 m3/s时，安全系数增量出现大值0.103，而安全系数增量随着流量增量的增加而整体呈下降趋势。根据试验结果，流量与安全系数呈负增长，增量出现拐点在设计流量和校核流量之间。流量82.1-136 m3/s时安全系数出现大值2.120。

为探索锚固梁宽度和高度、锚拉筋长度、锚固板长度、泄洪量以及堰顶插筋长度等因素对安全系数的影响显著性，对试验结果进行方差分析，计算结果见表4。

对于锚固钢筋长度，F> F0.001（4，24）= 6.59，置信区间大于99.9%，锚固钢筋长度对安全系数的影响是高度显著的。对于锚梁宽度和锚梁高度，F0.005（4，24）

4 结语

基于正交设计试验，对影响溢流面坝身稳定的锚固梁宽度和高度、锚拉筋长度、锚固板长度、泄洪量以及堰顶插筋长度等因素进行极差分析和方差分析，主要结论如下：

（1）各个因素对溢流面坝身稳定的敏感性排序为：C（锚固钢筋长度）>A（锚梁宽度）>B（锚梁高度）>D（锚固板长度）>F（堰顶插筋长度）>E（流量）。

（2）锚固钢筋长度是影响安全系数的最大因素，锚固钢筋长度在8-10 m时，安全系数最大。锚梁宽度是影响安全系数的次要因素，安全系数随着锚梁宽度的增加呈线性增加。在一定范围内，随着锚梁高度增加，有利于提高安全系数，但高度继续增加，安全系数反而降低，锚梁高度在0.7-0.8 m之间时，安全系数最大。在一定范围内，随着锚固板长度的增加，有利于提高安全系数，但随着锚固板长度继续增加，安全系数反而降低，锚固板长度在4-6 m时，随着锚固板长度增量的增大，安全系数增量减小;锚固板长度在6-7 m时，安全系数增量最小。堰顶插筋长度在4-6 m时，随着堰顶插筋长度增量的增大，安全系数增量出现拐点;堰顶插筋长度在2m或者4-6 m时，安全系数出现大值。流量对安全系数的影响最小，随着流量的增加，安全系数整体呈下降趋势，但在流量82.1-136 m3/s时，安全系数出现大值2.120，拐点在设计流量和校核流量之间。

（3）锚固钢筋长度对安全系数的影响是高度显著的，置信区间大于99.8%。锚梁宽度和锚梁高度对安全系数的影响是高度显著的，但显著性比锚固钢筋长度弱，锚梁高度的显著性比锚梁宽度的显著性弱，置信区间为99.5%-99.9%。锚固板长度对安全系数的影响是显著的，置信区间为90%-95%。流量和堰顶插筋长度对安全系数的影响是不显著的，置信区间小于90%。

（4）锚梁高度与宽度、锚固板长度与锚固钢筋长度存在交互作用，后续工作将重点研究交互作用对大坝安全系数、变形、强度以及稳定性的影响。

参考文献：

[1]S.Y.李.克罗蒂面板坝坝身溢洪道设计及运行监测[J].水利水电快报，1999，20（15）：17-20.

[2] 廖海梅，赵青.面板堆石坝坝体溢洪道底板加固措施概述及底板稳定分析[J].人民珠江，2014，35（1）：60-63.

[3]廖海梅，赵青，鲁思远，等.面板堆石坝坝身溢洪道局部和整体稳定性分析[J].人民黄河，2015，37（5）：89-92，96.

[4]魏祖涛，带有多层水平加固结构的中高土石坝坝顶溢洪道泄槽底板稳定分析[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2011.

[5] 唐新军，杨京，溢流面板堆石坝叠瓦式底板的抗滑稳定性分析[J].人民黄河，2007，29（12）：84-86.

[6] 侍克斌，霍洪丽，白俊文.堆石坝坝顶溢洪道带有水平阻滑板泄槽底板的稳定分析[J].水力发电，2005（9）：23-24. 80.

[7]SL 253-2000溢洪道设计规范[S].

[8]唐新军，杨京，土石坝坝体溢洪道泄槽水面线若干问题的探讨[J].中国农村水利水电，2007（11）：86-88，92.

[9]魏祖涛，周峰，侍克斌，等.土石坝坝顶溢洪道带多層水平加固的泄槽底板的稳定分析[J]水资源与水工程学报，2011，22（2）：55-57.

[10]周峰，侍克斌，李玉建，堆石坝坝顶溢洪道带有地锚泄槽底板的稳定分析[J].水力发电，2007（6）：32-34.