钱雪晋，余思臻

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550002；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072）

1 工程概况

观音水库工程地处仁怀市学孔镇与汇川区山盆镇交界处,坝址位于赤水河支流桐梓河的一级支流观音寺河上。坝址距仁怀市52 km,距遵义市70 km,现有学孔镇～山盆镇的乡村公路从坝址下游约2 km 的新华村经过,交通较为便利。

工程任务是以城乡生活和工业供水为主,结合灌溉,兼顾发电。水库供水区主要涉及遵义市主城区、仁怀市中心城区、茅台空港园开发区、周边部分村镇供水。水库总库容12070 万m3,正常蓄水位633 m,工程规模为大（2）型,工程等别为Ⅱ等。水库多年平均供水量9150 万m3,多年平均发电量2184 万kW·h。工程总工期44 个月,总投资346585 万元。

2 坝址地形地质条件

坝址河谷为两岸不对称的“V”型斜向谷,河床高程537 m～541 m,河床宽 18 m～23 m,河床覆盖层厚5 m～9.5 m。左岸地形坡度约50°～70°,右岸地形坡度约20°～50°。当正常蓄水位为633 m 时,河谷宽高比2.6。

坝址岩层产状为N55°～65°E/SW ∠20°～36°,岩层倾向下游偏右岸。坝址左岸、河床、右岸635m 高程以下出露地层为茅草铺组第二段第一层T1m2-1中厚层灰岩、白云质灰岩,岩体强度较高,微风化岩体饱和抗压强度60 MPa,属硬质岩,变形模量6 GPa,允许承载力4.5 MPa；右岸635 m～650 m高程以上出露地层为茅草铺组第二段第二层T1m2-2溶塌角砾岩及泥岩,遇水易软化,岩体强度较低,微风化岩体饱和抗压强度20 MPa,属软硬相间岩体,变形模量1.5 GPa,允许承载力0.8 MPa。

坝基分布四层软弱夹层,NJ1 分布于左岸,距上游坝轴线约54 m,夹层厚15 cm～20 cm,岩性为地表呈黄色薄层泥灰岩夹灰岩。NJ2 分布于左岸,距下游坝轴线约50 m,夹层厚30 cm～50 cm,岩性为地表呈黄色薄层泥灰岩。NJ3 分布于左岸,距下游坝轴线约55 m,夹层厚约100 cm,岩性为地表呈黄色薄层泥灰岩夹灰岩。NJ4 分布于右岸,为一层角砾状白云岩（透镜体）,厚约0.5 m～4.5 m。

3 重力坝布置及设计

大坝采用碾压混凝土重力坝（见图1）,坝顶高程635 m,最大坝高109 m,坝顶宽度10 m,最大坝底宽度92.95 m。大坝左右两岸为非溢流坝段,河床段为溢流段,上游坝坡1∶0.2,折坡点高程577 m,下游坝坡1∶0.75,折坡点高程623 m。坝体内部用C9015W4 三级配碾压混凝土,迎水面为C9020W8 二级配变态混凝土护面厚0.8 m,之间采用厚2 m～7 mC9020W8二级配碾压砼过渡,下游面采用C9015W6 三级配变态混凝土护面厚0.8 m。坝体河床段建基面设C20W8 二级配常态混凝土垫层厚1.0 m,岸坡段建基面上、下游分别采用1.0 m 厚的C20W8 二级配、C15W4 三级配变态混凝土垫层。坝顶采用30 cm 厚C20 二级配常态混凝土铺筑,作为坝顶防水层,同时使坝顶平坦。坝体共设8 条横缝、4 条诱导缝,各坝段长度20.75 m～29.5 m。8 条横缝全部切断,4 条诱导缝部分切断,采用切缝机切缝,采用诱导缝将岸坡较陡的坝段连接成整体。

溢流表孔布置河床段坝顶中部,为有闸控制的开敞式溢流表孔,堰顶高程621 m,溢流前沿净宽18 m,最大单宽流量为106 m3/（s·m）。进口设置9 m×12 m 叠梁检修闸门2 扇,其后设置9 m×12 m 弧形工作门2 扇。溢流表孔采用窄缝挑流消能方案。

放空底孔布置于河床段坝段中部,为坝式进水口,底孔总长为83.65 m,进口底板高程为567.00 m,低于死水位38 m。闸门井进口设2.5 m×4.0 m（宽×高）的平板事故闸门1 扇,孔身为2.5 m×4.0 m 的矩形断面,出口设2.5 m×3.5 m 的弧形工作闸门1 扇。底孔采用窄缝挑流消能方案,挑流鼻坎下游接护坦。

发电灌溉取水口布置于右坝段,为坝式进水口,采用固定分层闸门取水库表层温水。进口底板高程599 m,低于死水位6 m,依次设置拦污栅、分层取水隔水闸门、快速闸门,四层分层取水口底板高程分别为627.5 m、623.5 m、611.0 m、599.0 m。其后接管径2.8 m 的发电引水管。

4 材料力学法和刚体极限平衡法

计算工况及参数见表1、表2。

表1 计算工况表

表2 计算参数表

各工况下,坝体上游面垂直应力未出现拉应力。工况一、二下,主压应力最大值分别为3.21 MPa、2.99 MPa,小于砼的允许压应力3.75 MPa 及地基承载力4.5 MPa；工况三下,主压应力最大值为3.06 MPa,小于砼的允许压应力4.29 MPa 及地基承载力4.5 MPa,坝体应力满足规范要求。

工况一、工况二下,坝基面抗滑稳定安全系数K′ 最小值分别为3.08、3.07,大于3.0；工况三下,坝基面抗滑稳定安全系数K′ 最小值为2.98,大于2.5,坝基面抗滑稳定满足规范要求。

5 三维有限元法分析

5.1 有限元模型

在真实地形的基础上,采用三维非线性有限元法,对碾压混凝土大坝进行应力变形分析和抗滑稳定分析,计算单元选择地基、夹层、溢流坝段、取水坝段等非溢流坝段。整体三维模型取两倍坝高计算范围,见图2、图3。该模型以顺河向为X 轴,指向下游为正；以坝轴线（即横河向）为Y 轴,从右岸指向左岸为正；高程方向为Z 轴,以向上为正。计算域上、下游及左、右边界取法向位移约束,底部取全约束。整体模型共35 万单元,全坝体模型共14.4 万单元。计算工况与参数与表1、表2 一致。

图2 工程整体三维模型图

图3 坝体模型图

5.2 坝体应力变形分析

各工况下（见图4、图5、图6、图7、图8、图9）,坝体顺河向位移随着高程增加而增大,顺河向最大位移出现在9#坝段顶部,分别为1.90 cm、1.80 cm、1.88 cm,由9#坝段向两边逐渐减小；横河向位移随着高程增加而增大,最大位移出现在坝段的顶部,左岸的最大位移分别是1.10 cm、1.12 cm、1.12 cm,右岸的最大位移分别是0.70 cm、0.72 cm、0.73 cm；铅直向位移最大沉降出现在溢流坝段中上部,分别为1.46 cm、1.44 cm、1.44 cm,坝体沉降由中部向两边逐渐减小[1]。

图4 工况一坝体顺河向位移图

图5 工况一坝体应力图

图6 工况二坝体顺河向位移图

图7 工况二坝体应力图

图8 工况三坝体顺河向位移图

图9 工况三坝体应力图

各工况下,坝体存在着较大范围的压应力区,最大压应力出现在溢流坝段坝体底部,分别为1.92 MPa、1.90 MPa、1.96 MPa,最大拉应力出现在12#和13#坝段坝趾处,其值分别为0.24 MPa、0.24 MPa、0.25 MPa；所有坝段的上游面和坝踵均无拉应力[2]。与材料力学法相比,坝体压应力减小,局部坝段坝趾处出现较小的拉应力,但坝踵未出现拉应力,坝体应力同样满足要求。

各工况下,建基面高程附近软弱结构面除了地基顶部表面出现小拉应力区外,其余为压应力区,铅直向应力随着高程的增加而减小,最大值出现在地基底部,分别为3.18 MPa、3.19 MPa、3.2 MPa。对坝基开挖所揭露出的夹层,采用扩挖并采用混凝土置换的方式处理,根据夹层的表面开展宽度,沿其走向进行扩挖,按其1.5～2 倍宽度扩挖,扩挖深度按1～1.5 倍开展宽度控制,表面布置25 mm 直径钢筋网,间距20 cm,然后采用C20 二级配混凝土进行回填。

坝体局部孔口削弱部位,有坝内埋管、放空底孔等结构,经分析,坝内埋管铅直向压应力最大值出现在埋管下部,为1.95 MPa；放空底孔铅直向压应力最大值出现在底孔出口下部,为1.47 MPa。根据应力分布对孔口四周进行钢筋配置,以保证结构安全。

5.3 坝基抗滑稳定分析

坝体沿建基面的抗滑稳定采用强度折减法进行分析,坝基失稳破坏可以看作是塑性区逐渐发展,扩展直至贯通而进入完全塑性流动状态,无法继续承受荷载的过程[3]。溢流坝段有限元模型共8.7 万单元（见图10）,浅色为塑性区,深色为非塑性区。

图10 溢流坝段有限元模型图

对于沿建基面的抗滑稳定分析,可将建基面屈服区贯通率达到100%时的强度储备系数定义为K,当建基面屈服区全部贯通时,要求K＞2.2。各工况下（见图11、12、13）,安全系数分别为3.7、3.7、3.6,坝基抗滑稳定满足要求。与刚体极限平衡法相比,坝基抗滑稳定安全富余度更高。

图11 工况一折减系数为3.7 时的塑性区（临界贯通点）

图12 工况二折减系数为3.7 时的塑性区（临界贯通点）

图13 工况三折减系数为3.6 时的塑性区（临界贯通点）

6 结论

（1）坝高最大的溢流坝段坝顶最大水平位移1.9 cm,坝基沉降1.46 cm。坝体最大压应力1.96 MPa,出现在溢流坝段坝体底部,局部坝段坝趾处出现较小的拉应力,坝体应力满足要求。强度折减法分析得出坝基抗滑稳定安全系数均超过3.0,满足要求。与材料力学法、刚体极限平衡法结论一致,坝体应力、坝基抗滑稳定均满足要求,成果可靠。

（2）通过综合分析,本构关系、边界条件、材料性质、有限元网格划分的方法和大小,是影响成果的重要因素,在今后的工作中要加以重视[4]。

（3）高坝及复杂地基上的中坝应进行有限元计算,以了解坝体的应力分布和变形状况,为精细化设计提供依据。