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龙潭水库重力坝稳定及应力复核
发布时间:2019-1-16  作者:朱 东  来源:《中国高新科技》期刊社  浏览量:1137
摘要:龙潭水库大坝浇筑完成后,经现场检测坝体浇筑混凝土密度与原设计相比偏低,需要对大坝稳定及坝体应力进行复核计算。文章对龙潭水库重力坝稳定及应力复核相关问题进行分析研究,以切实保证工程质量,确保龙潭水库能够安全运行。 关键词:混凝土强度;抗冻性;抗渗性;坝体稳定;坝基应力

0 引言

龙潭水库大坝浇筑完成后,经检测发现,大坝新浇筑坝体密度较比原计算采用的密度值低。为确保龙潭水库能够安全运行,需对龙潭水库重力坝稳定及坝基应力进行复核计算。同时,坝体混凝土的抗冻等级亦较低,考虑到工程处于气候寒冷地区,混凝土直接暴露于冻融循环条件下,对混凝土的耐久性影响很大,若不采取措施,会使坝体表面混凝土冻融剥蚀,降低坝体使用寿命。因此,必须采取必要的工程措施提高混凝土的抗冻性,对坝体上游混凝土及溢流面混凝土进行表面防护处理。

1 工程地质

两坝肩与坝基岩体的岩性组成基本一致,即都是以厚-中厚层状泥灰岩为主,其间夹有中厚层状极薄层理发育的泥灰岩,并夹有泥岩,偶夹砂岩。

根据坝基岩体的岩性组成、结构特征及力学特性,将坝基岩体划分为AⅢ1类。坝基的允许承载力[R]=1MPa设计。根据现场所做的混凝土与坝基厚层状泥灰岩、混凝土与坝基极薄层理发育的泥灰岩的直剪试验,其抗剪强度见表1。

1 /岩体抗剪断强度指标建议值

项目

中厚层状泥灰岩(砼/岩体)

极薄层理发育的泥灰岩(砼/岩体)

抗剪断

指标

f

1.0

0.8

C(MPa)

0.75

0.55

2 工程布置

水库大坝在现状坝体拆除至1908m高程后进行改造,坝顶长31.0m,设计坝顶高程1921.00m,坝前设防浪墙,防浪墙顶高程1922.20m。

改造后的坝体由中部取水拉沙闸、左右侧泄洪闸和左右岸非溢流坝3个部分组成。中部为取水拉沙闸,内设侧向进水廊道和底孔拉沙闸,输水廊道和输水隧洞相连。左右侧为泄洪闸,溢流堰顶高程1916.00m。左侧非溢流坝段长度10.27m,右侧非溢流坝段长度8.0m,坝顶宽7m,外挑1.5m。

坝基采用单排或双排帷幕灌浆,左坝肩沿山体开挖边线进行帷幕灌浆,右坝肩设15m长灌浆廊道,在廊道内进行灌浆。坝体横缝布置在右侧非溢流坝段。排沙溢流面砼强度等级为C35,抗冻等级F200,抗渗等级W6;其余部位均为C25,抗冻等级F150,抗渗等级W4。

3 新浇筑坝体质量评价

大坝上游面钻孔取芯加工成26个芯样试件,试件的饱和容重范围为21.95~23.42kN/m3,平均饱和容重为22.54kN/m3

在大坝左右岸非溢流坝段钻深孔获取的芯样加工成31个混凝土试件,通过测试确定的坝体混凝土的平均干容重为22.01kN/m3

混凝土坝设计采用的容重为24kN/m3。实测的容重与设计中采用的容重相比,大坝上游面混凝土的容重低6.08%,坝体内部混凝土的容重低8.29%。混凝土的容重低于设计值,会对大坝的抗滑稳定及应力造成一定的不利影响。

4 大坝抗滑稳定及基底应力复核计算

4.1 计算程序

本次重力坝大坝稳定及坝基应力计算采用《水利水电工程设计计算程序集》。

4.2 荷载及其组合

龙潭水库溢流坝稳定及坝基应力计算选取溢流坝段最大坝高断面、1m坝长进行荷载计算。大坝建基面1890.00m,堰顶高程1916.00m,坝体高度26.00m,水库正常蓄水位1917.50m,泥沙淤积面高程1912.00m。坝基帷幕灌浆距上游侧距离L1为4.1m。

计算荷载主要有:自重、静水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、冰压力、地震荷载、雪荷载等,风荷载、活荷载等不考虑。

根据龙潭水库的运行方式,荷载基本组合按正常蓄水位控制,特殊组合分别按校核洪水、地震工况控制。荷载组合见表2。

2 龙潭水库坝体荷载及其组合表

荷载组合

主要考虑情况

荷载

自重

静水压力

扬压力

浪压力

泥沙压力

地震

基本组合

正常蓄水位

 

特殊组合1

校核洪水

 

特殊组合2

正常蓄水位+地震

4.3 坝体抗滑稳定计算公式

根据《混凝土重力坝设计规范》,坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件,按抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数K′:

式中,∑W为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值;∑P为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值;K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;′为滑裂面上的抗剪断摩擦系数;C′为滑裂面上的抗剪断凝聚力;A为坝基接触面面积。

坝基的允许承载力[R]=3MPa;混凝土与坝基厚层状泥灰岩、与坝基极薄层理发育的泥灰岩、与坝肩F1断层带的抗剪断强度见表3。

4.4 大坝坝基应力计算公式

1m坝长作为计算坝段,坝体基底应力按下式计算:

σ=

式中,∑W为作用于坝段上全部荷载在坝基截面上的法向力的总和,kN;∑M为作用于坝段上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和,kN·m;B为坝基截面的长度,取B=26.00m。

4.5 计算参数的选取

水库老坝体为浆砌石外包混凝土,混凝土质量较好,无漏水的现象。浆砌石中块石以泥灰岩为主,灰岩、砂岩次之,岩芯多呈短柱状,长度20~30cm,一般岩芯采取率52.4%~78.0%,砌石砂浆饱满,砌石质量较好,未发现孔洞,无漏水的现象。老坝体密度见表3。

3 龙潭水库老坝体天然密度指标表

老坝体混凝土天然密度/(g/cm3

坝体砌石天然密度/(g/cm3

老坝体天然密度平均值/(g/cm3

2.36

2.49

2.41

计算取小值,即老坝体天然密度取值为2.36g/cm3,即2.36t/m3。泥沙容重1.8t/m3,水容重1.0t/m3

根据权威检测部门检验结果:坝体内部混凝土芯样试件未泡水容重范围为21.46~22.64kN/m3,平均未泡水容重为22.01kN/m3,即龙潭水库新浇筑坝体平均密度为2.201g/cm3,即2.201t/m3

本次计算以典型坝段(两侧溢流堰)新、老坝体占面积比重,对计算坝体断面混凝土密度求平均值。

4 新、老坝体质量计算表

部位

面积/m2

密度/(t/m3

坝体质量/t

老坝体面积/m2

292.2

2.36

689.592

新浇筑坝体面积/m2

143.8

2.2

316.36

合计

436.00

-

1005.95

新老坝体质量根据面积计算,坝体单宽质量为1005.95t,坝体总面积为436m2,其平均密度为2.309g/cm3,即2.309t/m3

4.6 坝体建基面抗滑稳定及基底应力复核计算

大坝建基面高程1890.00m,堰顶高程1916.00m,坝体高度26.00m,水库正常蓄水位1917.50m,校核洪水位1920.86m,泥沙淤积面高程1912.00m。

对计算结果进行汇总,龙潭水库重力坝抗滑稳定计算成果见表5,坝基边缘应力计算结果汇总见表5。

5 大坝建基面抗滑稳定安全系数计算成果

工 况

上游水位

/m

下游水位

/m

竖向力

/kN

水平力

/kN

抗剪断稳定安全系数K′

计算值

允许值[K′]

基本组合

1917.50

1890.00

8697.95

-4388.51

4.84

3.00

特殊组合1

1920.86

1891.00

8317.25

-5247.10

3.99

2.50

特殊组合2

1917.50

1890.00

8446.15

-5188.26

4.06

2.30

6 大坝基底应力计算成果

荷载组合

竖向力W

/kN

水平力P

/kN

力矩M

/(kN·m)

坝基截面边缘正应力/MPa

上游σmin

下游σmax

基本组合(正常蓄水位)

8697.95

-4388.51

-21950.10

0.140

0.529

特殊组合1(校核洪水)

8317.25

-5247.10

-33391.08

0.024

0.616

特殊组合2(地震)

8446.15

-5188.26

-32968.33

0.032

0.617

根据以上计算结果,重力坝建基面在正常蓄水位、校核洪水位和地震工况荷载组合下,坝体抗滑稳定安全系数均大于允许值[K′],坝踵垂直应力没有出现拉应力,坝址垂直应力小于建基面岩体容许压应力,因此建基面处大坝抗滑稳定满足股份要求,应力计算成果满足规范要求。

5 坝体混凝土技术改造设计

大坝新浇筑的混凝土除坝体混凝土的容重、抗压强度未达到设计要求外,混凝土的抗冻等级亦未达到设计要求,影响混凝土结构的耐久性。

考虑到工程处于气候寒冷地区,混凝土直接暴露于冻融循环条件下,对于混凝土的耐久性影响很大,若不采取措施,会使坝体表面混凝土冻融剥蚀,降低坝体使用寿命,因此必须采取必要的工程措施提高混凝土的抗冻性。本工程选择SK手刮聚脲(单组分)作为坝体防冻胀破坏材料。

SK手刮聚脲(单组分)具有强度高、延伸率大、抗渗性好、抗冲磨能力强,与被保护的混凝土表面粘接粘接强度高、无毒。SK手刮聚脲为单组分聚脲,由含多异氰酸酯—NCO的高分子预聚体与经封端的多元胺(包括氨基聚醚)混合,并加入其它功能性助剂所组成。在无水状态下,体系稳定,一旦开桶施工,在空气中水分的作用下,迅速产生多元胺,多元胺迅速与异氰酸酯—NCO反应,形成SK手刮聚脲(单组份)。SK手刮聚脲(单组份)具有优异的力学性能,抗紫外线性能和抗太阳暴晒性能,在阳光照射下,SK手刮聚脲(单组份)本身有30年以上的使用寿命,并且SK手刮聚脲(单组份)具有-45℃的低温柔性,能适应高寒地区的低温环境,尤其是能抵抗低温时混凝土开裂引起的形变而不渗漏。

根据龙潭水库运行特点,本次龙潭水库处理部位为水位变幅区、溢流堰和拉沙闸孔等部位,具体部位如下:

1)大坝迎水面▽1914.50m~▽1918.00m(溢流坝段及非溢流坝段)。设计堰顶高程为1916.00m,正常蓄水位为1917.50m,考虑水库在冬季降水量较少,正常蓄水时,水位在高程1917.50m,为提高水位线附近砼的抗冻性能,故对迎水面▽1914.50m~▽1918.0.00m进行处理。

2)拉沙孔流道▽1898.51~▽1907.00。

3)溢流坝段溢流面▽1898.51~▽1913.69。

4)溢流堰左右墙体(以底板上50cm),因冬季降雨减少,水位浮动较小,为提高该段部位的抗冻性能,故只需对墙体高50cm进行处理。

大面积聚脲刮涂遍数为3遍,第1遍涂刷0.5mm厚,第1遍涂刷0.8mm厚,第3遍涂刷0.7mm厚,3遍厚度不小于设计厚度2mm。

6 水库运行

大坝2014年建成后即投入使用,运行情况良好。SK手刮聚脲(单组份)防冻胀破坏层有局部地方隆起脱离坝面,但未见撕裂破坏。

参考文献

[1]中国水利水电科学研究院.水工建筑物抗震设计规范:SL203—97[S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[2]电力工业部中南勘测设计研究院.水工建筑物荷载设计规范:DL5077—1997[S].1982.

[3]中华人民共和国水利部.混凝土重力坝设计规范:SL319—2005[S].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4]中华人民共和国水利部.水工混凝土设计规范:SL191—2008[S]2008.

[5]江苏省水利勘测设计研究院.北京:中国水利水电出版社,2005.水闸设计规范:SL265—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

(作者供职于宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司,中级职称)

 

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