打冲沟水库稳定性及溢洪道泄流量分析_柴海.pdf

2023.No.3收稿日期：20221012作者简介：柴海（1977），男，高级工程师，主要从事水利工程设计工作。摘要：当前水库蓄水建筑物主要修建于高山峡谷中，由于库岸边坡分布地域较广且地质状况复杂，低估边坡安全系数、溢洪道泄流量计算误差较大等问题是威胁水库安全运营的主要因素，因此在水库工程选址初期确定准确的岸坡安全系数和溢洪道泄流量十分重要。以打冲沟水库工程为例，在边坡抗滑稳定和应力计算的荷载组合中提出了基本组合和特殊组合2种方式，并按抗剪断强度公式和 砌石坝设计规范（SL25-2006）规定的应力计算公式计算了岸坡的抗滑稳定性、坝基应力以及溢洪道泄流量，研究方法可为相关工程提供参考。关键词：水库工程；边坡稳定性；溢洪道；泄流量中图分类号：TV697.2+3；TV698.1+6文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0067-03DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.019打冲沟水库稳定性及溢洪道泄流量分析柴海（安顺市水利水电勘测设计院，贵州安顺561000）Analysis on the Stability of Dachonggou Reservoir and Discharge of SpillwayCHAI Hai（Anshun Institute of Water Resources and Hydropower Survey and Design，Anshun 561000，China）Abstract：At present，the reservoir water storage structures are mainly built in high mountains and canyons.Due to thewide distribution area of reservoir bank slope and the complex geological conditions，underestimating slope safety factor andlarge calculation error of spillway discharge are the main factors threatening the safe operation of reservoir.Therefore，it isvery important to determine accurate bank slope safety factor and spillway discharge at the initial stage of reservoir projectsite selection.Taking Dachonggou Reservoir Project as an example，the basic combination and special combination areproposed in the load combination of slope anti-sliding stability and stress calculation，and the anti-sliding stability of bankslope，the stress of dam foundation and the discharge of spillway are calculated according to the formula of shear strengthcalculation and the formula of stress calculation stipulated in Code for Design of Masonry DAMS（SL25-2006）.Theresearch method can provide reference for related projects.Key words：reservoir project；slope stability；spillway；discharge水库工程对民生安全和用水保障起至关重要的作用，同时兼备防洪、饮用水资源分配和灌溉用水作用1-3。当前，水库蓄水建筑物主要修建于高山峡谷之中，由于库岸边坡分布地域较广且地质状况复杂，库岸边坡不稳定和洪水袭来时库水满溢等问题是威胁水库安全运营的主要因素。库岸边坡不稳定问题主要来源之一是修建水库时低估边坡安全系数4，5，库水满溢问题主要来源之一是由于溢洪道泄流量计算误差较大引起的，因此在水库工程选址初期确定准确的岸坡安全系数和溢洪道泄流量十分重要6，7。本文以打冲沟水库工程为例，在库岸边坡抗滑稳定和应力计算的荷载组合中提出了基本组合和特殊组合2种方式，并按抗剪断强度公式和 砌石坝设计规范（SL25-2006）规定的应力计算公式计算了岸坡的抗滑稳定性和坝基应力，同时根据 砌石坝设计规范（SL25-2006）规定的孔口泄流公式计算了溢洪道泄流量，研究方法可为相关工程提供参考。1概况打冲沟水库工程位于紫云自治县大营镇，坝址拟建于乐宽河上游，地理位置为东经1061950、北纬252418，距紫云县城76 km，距安顺市区152 km。水库库区所在河段河谷狭窄、比降较陡，河谷形态多呈“V”形，两岸基本对称，冲沟发育，地形破碎。该河段内发育有瓦房子小向斜和狮子岩小背斜，两岸岩层产状较陡，两岸坡多为斜向边坡，地形坡度多为3545。岩体表层风化、较为破碎，未发现有因断海河水利672023年3月裂等不利结构面组合切割而形成的稳定性较差的危岩体和大型卸荷裂隙带存在，天然边坡稳定性较好，无较大规模的滑坡，崩塌等不良地质现象。根据调查分析，大营镇政府驻地供水水源为苦竹湾水库，扣除灌溉需水后，供给大营镇集镇的水量为4.4万m3。经预测，到2030年，大营镇未解决农村人畜饮水年均取水量为87.4万m3，即到2030年，大营镇农村人畜饮水缺水量为87.4万m3。打冲沟水库建成后，可解决大营镇大岩村、打哇坪村、关新村、联八村、百花村733 hm2耕地灌溉用水问题，并为大营镇集镇及周边村寨1.841万人和2.882万头大小牲畜提供可靠的水源保障，同时也是当地脱贫致富的迫切需要。因此，紫云自治县打冲沟水库的建设是十分必要的。2大坝稳定及应力分析2.1荷载组合抗滑稳定和应力计算的荷载组合分基本组合和特殊组合2种，结合本工程实际，本工程考虑以下3种荷载组合情况。基本组合1：自重+正常蓄水位及相应下游水位静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力；基本组合2：自重+设计洪水位及相应下游水位静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力；特殊组合：自重+校核洪水位及相应下游水位静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+动水压力。2.2坝体抗滑稳定与应力计算本次计算坝体坝轴线方位为 E0W，坝顶高程1 233.50 m，坝底高程1 172.00 m，最大坝高61.5 m，坝顶宽6 m，最大坝底宽度62.4 m，坝顶长192 m，分为左、右岸非溢流坝段和河床溢流坝段。左岸非溢流坝段长114.88 m，右岸非溢流坝段长64.13 m，河床溢流坝段长13 m。大坝设7条横缝，将大坝划分为 8 个坝段。坝体基本断面为：上游坝坡 1 212 m高程以下1 0.2，以上垂直；下游坝坡1 230 m高程以下1 0.8。抗滑稳定按抗剪断强度公式计算：K=fW+CAP（1）式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，取0.65；C为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力（MPa），取0.55；W为作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的法向分值（kN）；A为坝基接触面面积（m2）；P为作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的切向分值（kN）。坝体应力采用材料力学法计算，根据 砌石坝设计规范（SL25-2006）的规定，在各种荷载组合下，坝基面垂直正应力小于混凝土容许压应力和地基的容许承载力；坝基面最小垂直正应力为压应力，坝体最大主应力应小于混凝土容许压应力。计算公式如下：yu/d=WT6MT2（2）式中：T为坝体计算截面顺水流方向的长度（m）；W为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力总和（kN）；M为作用于计算截面以上全部荷载对于计算截面形心的力矩之和（kN），以使上游面产生压应力者为正。计算时选取挡水坝段及溢流坝段代表断面进行抗滑稳定和坝体应力计算，结果详见表12。由表1可知，对于挡水坝段，基本组合1和基本组合2荷载下，抗剪断安全系数分别为3.22和3.04，均在规范要求之内；特殊组合荷载下，计算结果为2.98，远大于规范要求。溢流坝段的计算结果同样表明大坝处于安全状态，其中基本组合1和基本组合2荷载下，抗剪断安全系数分别为3.27和3.11，特殊组合荷载下计算结果为3.06。表2中坝体应力的计算结果同样满足规范要求，其中挡水坝段在施工期的坝踵垂直应力为1 169.09 kPa，溢流坝段在施工期的坝踵垂直应力为1 132.11 kPa。3溢洪道泄流量计算泄水建筑物布置在大坝坝顶河床偏右岸，上部设人行交通桥，2跨，每跨净宽5 m，中间桥墩厚1.0 m，堰顶高程1 230.0 m，堰上不设闸门，自由溢流。溢流堰型式为 WES 实用堰，堰面曲线按冥曲线 y=表1坝基抗滑稳定计算成果坝段挡水坝段溢流坝段计算工况基本组合1基本组合2特殊组合基本组合1基本组合2特殊组合抗剪断安全系数3.223.042.983.273.113.06规范要求值3.03.02.53.03.02.5坝段挡水坝段溢流坝段计算工况基本组合1基本组合2特殊组合施工期基本组合1基本组合2特殊组合施工期坝踵垂直应力429.50346.42327.831 169.09434.34356.92341.261 132.110000001 200坝趾垂直应力702.17720.04734.81257.52583.99605.63620.30230.561 2001 200-1001 2001 200-100表2坝体应力计算成果kPa柴海：打冲沟水库稳定性及溢洪道泄流量分析682023.No.30.229 5x1.85与下游坝坡1 0.8相接，下游坝坡以1 0.8与下游反弧段相切，反弧段半径R=20 m，反弧段中心角为51.34。溢流堰顶上游用椭圆曲线与上游坝坡相接，椭圆曲线参数为：x20.75+(0.424-y)20.4242=1（3）根据 砌石坝设计规范（SL25-2006）的规定，孔口泄流能力计算公式如下：Q=cmsB2gH03（4）=1-0.2k+(n-1)0H0nb（5）式中：Q为流量（m3/s）；c为上游边坡影响系数，取1.0；m为WES实用堰的流量系数，可查表求得；为侧收缩系数；s为淹没系数，取1.0；B为溢流堰总净宽（m），取10 m；b为溢流堰单孔净宽（m）；g为重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；H0为计入流速水头的堰上总水头（m）；n为堰流孔数，取2；k为边墩形状系数；0为闸墩形状系数。本溢洪道泄流能力计算成果，详见表3。堰上水头（H0）/m0.961.201.441.681.922.162.402.642.883.12上游水位/m1 230.961 231.201 231.441 231.681 231.921 232.161 232.401 232.641 232.881 233.12流量系数0.4360.4510.4640.4760.4860.4940.5010.5070.5100.513H0/b0.1920.2400.2880.3360.3840.4320.4800.5280.5760.624侧收缩系数（）0.980.970.970.960.960.950.940.940.930.93淹没度（hs）/m0.000.000.000.000.000.000.000.901.001.20hs/H00.000.000.000.000.000.000.000.340.350.38P2/H052.8142.2