老窖溪水库大坝坝坡稳定性分析和坝体应力变形分析

老窖溪水库大坝坝坡稳定性分析和坝体应力变形分析一、工程概况老窖溪水库坝址位于重庆市黔江区石会镇境内石会河上游龙岗溪与茶沟交汇口下游板栗树处，是以农业灌溉及场镇供水为主，兼有农村人畜用水等综合效益的中型水利工程。水库正常蓄水位541.0m，死水位508.00m，正常蓄水位以下库容1023万m3，死库容89万m3，调节库容934万m3，校核洪水位541.50m，水库总库容1047万m3，水库建成后向灌区石会镇、黑溪镇1.26万亩耕地提供农业灌溉用水、提供灌区农村人畜用水及向石会镇提供生产生活用水。老窖溪水库干管及支管总长度13.156km，渠首设计流量1.066 m3/s(含生态流量0.05 m3/s)。图1：工程地理位置图1.坝址区地质条件坝区属侵蚀剥蚀中低山峡谷地貌。坝址出露地层为志留系下统龙马溪组、第四系古滑坡堆积层、冲积层、残坡积层。坝区未发现断层，局部发育有小揉皱与挤压破碎带；破碎带由碎裂岩、糜棱岩组成，一般厚0.20.3m，一般延伸1020m，呈透镜状分布于河床与右岸。2.天然建筑材料坝址附近坝壳石渣料料源丰富。有麻堰溪、向家岩石两个筑坝石渣料场。麻堰溪料场距坝址约1.2km，无道路相通，须修建施工便道。具开采作业面及堆料场地，料场整体开采运输条件较好，无地下水影响，无不良地质现象，自然边坡稳定性好，岩体以弱微风化为主，强风化厚1.04.5m；向家岩料场距坝址直线距离0.50.7km，无道路相通，须修建施工便道。具开采作业面及堆料场地，料场整体开采条件较好，由于距大坝较近，为确保运行期大坝安全，对开挖边坡采取喷锚处理。二、坝坡稳定分析1.计算方法根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)、水利水电工程边坡设计规范(SL386-2007)的规定进行边坡稳定分析。根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)8.3.9，“对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿普赖斯(Morgenstern-Price)等方法”。根据水利水电工程边坡设计规范(SL386-2007)5.2，“对于土质边坡和呈碎裂结构、散体结构的岩质边坡，当滑动面呈圆弧形时，宜采用简化毕肖普(SimplifiedBishop)法和摩根斯顿普赖斯法(Morgenstern-Price)进行抗滑稳定计算”。本次设计同时采用以上两种方法。计算程序采用河海大学工程力学系、南京水准科技有限公司联合开发的土石坝稳定分析系统AutoBank6.1。2.计算工况坝区地震基本烈度为6度，在50年使用期、超越概率为10、重现期为500年时，地震动峰值加速度为0.05g。按水工建筑物抗震设计规范(SL203-97),可不进行抗震计算。由于大坝基础为砂卵砾石和古滑坡堆石体，为工程安全考虑，采用拟静力法进行抗震稳定计算。根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)、水利水电工程边坡设计规范(SL386-2007)的规定，本次计算工况选取如下。(1) 正常运用条件。一是稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位处于541.00m508.00m之间的各种水位的稳定渗流期；二是库水位降落期，计算上游坝坡，水库水位处于541.00m508.00m之间经常性的正常降落；(2) 非常运用条件。三是竣工期，计算上、下游坝坡；四是校核洪水位稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位在541.50m时的稳定渗流期；五是库水位非常降落期，计算上游边坡，自校核洪水位541.50m降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等；3.计算参数根据地勘提供的岩土物理力学参数建议值，结合黔江已建洞塘水库(坝型为沥青混凝土心墙石渣坝)的经验，确定材料计算参数见表1。竣工期采用固结不排水的总应力强度指标，稳定渗流期、库水位降落期采用固结排水的有效应力强度指标。地震工况下不考虑土体抗剪强度的折减。4. 计算成果及分析坝坡稳定分析计算成果见表2。坝体应力应变分析计算参数表表1 参数材料天然容重(kN/m3)饱和容重(kN/m3)浮容重(kN/m3)弹模(kPa)泊松比KnRfKurC(kPa)(度)DFy(度)Kbm覆盖层砂卵砾石20.821.211.43500.40.6870004052500.4堆石体上部20.82111.225000.40.75150053742500.4堆石体下部23.523.713.930000.40.752000103953000.45坝壳料上游坝壳石渣料21.021.511.56000.260.6812000408.45600.17下游坝壳石渣料21.021.511.56000.260.6812000408.45600.17过渡料21.722.312.311200.300.822240044.863400.24沥青砼心墙23.924.014.03670.3370.58873422235.7012000.15C25钢筋砼灌浆廊道25.025.015.02.80E+070.167C20混凝土截水槽24.024.014.0 2.55E+070.167基岩26.126.216.43.20E+060.35表2 坝坡稳定分析计算成果表运用条件计算工况坡面简化毕肖普法摩根斯顿普赖斯法计算值允许值计算值允许值正常运用条件稳定渗流期上游坡1.7011.31.7031.3下游坡1.6661.31.6851.3库水位降落期上游坡1.5611.31.5671.3非常运用条件竣工期上游坡2.0291.22.0581.2下游坡2.0041.22.0401.2校核洪水位稳定渗流期上游坡1.6851.21.6871.2下游坡1.5571.21.5731.2库水位非常降落期上游坡1.2151.21.2191.2从表中可看出在各设计工况下坝坡均是稳定的。三、坝体应力和变形分析根据坝体的布置，选取计算典型断面，计算采用AutoBank6.1程序，对坝体进行平面有限元应力应变分析。1.本构关系。坝体(石渣料、过渡料、砂卵砾石、堆石体)应力应变分析采用邓肯张的EB模型，混凝土防渗墙、大坝基岩采用线弹性模型。2.计算参数。根据地勘提供的岩土物理力学参数建议值，结合其他已建心墙石渣坝的经验，确定材料计算参数见表3。3.单元剖分。根据坝体施工顺序，模拟坝体施工过程及水库蓄水过程，坝体分9级模拟施工加载，蓄水分5级模拟加载。单元剖分网格图如图2所示。坝体应力应变分析计算参数表表3 参数材料天然容重(kN/m3)饱和容重(kN/m3)浮容重(kN/m3)弹模(kPa)泊松比KnRfKurC(kPa)(度)DFy(度)Kbm覆盖层砂卵砾石20.821.211.43500.40.6870004052500.4堆石体上部20.82111.225000.40.75150053742500.4堆石体下部23.523.713.930000.40.752000103953000.45坝壳料上游坝壳石渣料21.021.511.56000.260.6812000408.45600.17下游坝壳石渣料21.021.511.56000.260.6812000408.45600.17过渡料21.722.312.311200.300.822240044.863400.24沥青砼心墙23.924.014.03670.3370.58873422235.7012000.15C25钢筋砼灌浆廊道25.025.015.02.80E+070.167C20混凝土截水槽24.024.014.0 2.55E+070.167基岩26.126.216.43.20E+060.35(4)计算成果与分析。对表3所列参数进行静力有限元计算,研究了坝体在竣工期、蓄水期的应力变形特性，尤其是心墙、廊道的应力分布，以及心墙发生水力劈裂的可能性，主要结果如下：（a） 沉降竣工期：大坝沉降等值线如图3所示，可以看出坝体沉降基本呈上下游对称分布，最大沉降值位于坝高2/3处。其中，坝壳料最大沉降值为1.83m，扣除基础沉降值0.70m，实际坝壳料在竣工期沉降值为1.13m；心墙最大沉降值1.80m；廊道最大沉降值为0.018m。蓄水期：蓄水期沉降等值线如图4所示，可以看出上游坝壳沉降值稍大于下游坝壳，仍基本呈对称分布，最大沉降值位于坝高2/3处。其中坝壳料最大沉降值2.00m，扣除基础沉降值0.77m，实际坝壳料沉降值为1.23m，相比竣工期增加0.1m；心墙最大沉降值1.96m；廊道最大沉降值为0.025m。（b）水平位移竣工期：大坝水平位移等值线如图5所示，坝体位移呈上下游对称，上下游坝壳料位移均向远离轴线方向，越靠近位移值轴线越小。其中，上游坝壳料最大位移0.295m，下游坝壳料最大位移0.312m；心墙最大水平位移0.029m，向下游方向；廊道最大水平位移3.05E-4m。蓄水期：大坝水平位移等值线如图6所示，蓄水后由于水压力的作用，坝体位移整体向下游方向。上游坝壳料位移值较大，达到0.636，方向于竣工期相反，相对位移值达到0.931m，下游坝壳料0.53m；心墙最大水平位移0.50m，向下游方向；廊道最大水平位移0.042m。（c）坝体第一主应力竣工期：坝体第一主应力等值线见图7，可见第一主应力分布均匀，无拉应力区，未产生应力集中现象，第一主应力最大值2.37MPa，并未超过坝体抗压极限值。蓄水期：坝体第一主应力等值线见图8，可见第一主应力分布均匀，无拉应力区，未产生应力集中现象，第一主应力最大值2.53MPa，并未超过其抗压极限值。根据计算，竣工期和蓄水期的坝体第一主应力应力分布比较均匀，未产生拉应力，在安全允许范围内。（d）坝体第三主应力竣工期：坝体第三主应力等值线见图9，可见第三主应力分布均匀，未产生应力集中现象。坝体第三主应力最大值为0.64MPa，未产生拉应力蓄水期：坝体第三主应力等值线见图10，可见第三主应力分布均匀，未产生应力集中现象。坝体第三主应力最大值0.83MPa，未产生拉应力区。根据计算，竣工期和蓄水期的坝体第三主应力应力分布均匀，且未产生拉应力，在安全允许范围内。（e）坝体应力水平 坝体在竣工期和蓄水期的应力水平等值线图见图11和12，可以看出坝体应力水平分布均匀，未出现应力水平大于1.0的区域，即坝体未产生剪切破坏区。（f）心墙应力竣工期：第一主应力最大值3.32MPa，第三主应力最大值1.51MPa，未产生拉应力。蓄水期：第一主应力最大值3.46MPa；第三主应力最大值1.63MPa，未产生拉应力。根据计算结果，心墙在竣工期和蓄水期应力分布均匀，无突变区域，也未产生拉应力区域，是安全可靠的。（g）廊道应力竣工期：第一主应力最大值5.21MPa，第三主应力最小值-0.72MPa，产生的拉应力未超过廊道C25砼抗拉极限值。蓄水期：第一主应力最大值5.17MPa，廊道第三主应力最小值-0.73MPa，产生的拉应力，并未超过廊道C25砼抗拉极限值。根据以上计算值可知，廊道的第一主应力最大值未超过C25砼的抗压极限值，产生的拉应力也未超过C25砼的抗拉极限值，因此是安全的。（h）心墙抗水力劈裂工程中通常以上游水压力与心墙竖向应力比值小于1.0作为不发生水力劈裂的控制标准。心墙上游面竖向应力与上游水压力沿高程分布曲线见表4，据此可知竖向应力均大于上游面静水压力，心墙抗水力劈裂是能够保证的。心墙竖向应力与水平水压力对比表表4（i）截水槽及基岩抗压分析与坝体不同，廊道不是柔性材料，其底部应力相对较大，需对其底部基础进行抗压分析。在竣工期，截水槽最大主应力为5.85MPa，截水槽底部基岩最大主应力3.39MPa；在蓄水期，截水槽最大主应力为7.07MPa，截水槽底部基岩最大主应力3.59MPa.根据计算，廊道底部基础应力在安全范围内。(j)结论计算成果表明，竣工期河床部位地基沉陷较大，可能会使坝肩心墙部位产生剪切和拉伸变形。由于沥青混凝土本身具有较大的抗剪切和拉伸变形能力，同时它具有流变变形，能吸收不利的抗剪应力；同时参照已建工程的经验，竣工期地基和坝体的沉降对坝体运行影响较小，因此竣工期地基和坝体的沉降不会危及心墙的安全。蓄水期心墙和地基防渗墙变形连续，无突变现象。在施工和蓄水过程中，坝体、地基和防渗系统的应力状态都基本符合要求，大坝未发现异常现象。因此，从二维有限元应力变形分析的成果看，沥青混凝土心墙坝技术上是可行的。图2：单元剖分网格图图3：竣工期大坝沉降等值线图图4：蓄水期大坝沉降等值线图图5：竣工期大坝水平位移等值线图图