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某小型砌石拱坝的结构安全分析

文档作者：刘晓乐徐培文档来源： 1．阳春市水利水电勘测设计室 2．广东省水利水电科学研究院，		点击数：	更新时间： 2021年09月23日
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第7期
2010年7月
广东水利水电
GUANGD0NG WATER RES0URCES AND HYDROPOW ER
No．7
Ju1．2010
某小型砌石拱坝的结构安全分析
刘晓乐 ，徐培
(1．阳春市水利水电勘测设计室，广ej-,阳春529600；2．广东省水利水电科学研究院，广东广州510610)
摘要：拱坝以其优越的结构特点，目前在山区小水电中应用较多；该文通过工程实例，对某小型砌石拱坝的结构进行计算
分析，结果表明：坝体最大压应力和最大拉应力、拱座抗滑稳定安全系数均满足规范要求，拱坝结构是安全的。
关键词：砌石拱坝；应力分析；坝肩；抗滑稳定
中图分类号：TV641 文献标识码：B 文章编号：1008—0112(2010)07—0060—04
1 工程概况
某小(I)型水库位于广东省鹤山市皂幕山南端西
侧，水库大坝为浆砌石实体拱坝，由中间溢流坝段及两
侧非溢流坝段组成。坝顶长度为89m，宽为4．4m，最大
坝高为24．3m，坝顶高程为122．30m，其中大坝中间的
溢流坝段长为22．80m，溢流堰顶高程为120．30m；基础
面高程为98．00m，坝底宽为12．0m，长为22．Om，拱坝
中心角为96。。坝基面浇110 混凝土，坝身上游面竖
直，下游坝面坡比为1：0．35。坝身上游面防渗面板自
下而上为1～0．7m厚的150 砼面板，坝身采用50 水泥
砂浆砌石而成，拱坝平、剖面见图1～图2。
图1 拱坝平面布置(单位：mm J
2 拱坝施工与运行情况
大坝于1971年动工兴建，建坝时清基未够彻底，其
坝基和两岸坝头裸露的为风化砂岩，风化异常剧烈，裂隙
十分发育，其中尤以左坝头岩石十分破碎。溢流段基础
采用炸石清基，清基不彻底，部分岩石被炸裂、破坏；另
外，上游面的砼防渗墙施工质量差，导致基础底部及坝体
漏水。1998年，对坝体及基础进行了灌浆防渗处理：对溢
图2 拱坝剖面(单位：高程m；长度cm)
流段坝体及基础、左右岸坝头进行帷幕灌浆；对非溢流坝
采用充填灌浆处理。灌浆后，取得一定效果，坝体漏水减
少。2002年水库续建工程时，拆除了原坝顶挡水墙及溢
流堰混凝土，将原坝顶和溢洪道表面混凝土凿毛、浆砌石
清缝和表面清洗干净后重新浇注混凝土。
3 拱坝应力分析计算
3．1 计算方法
根据《浆砌石坝设计规范SL25—2006}，对于小型
砌石拱坝可采用考虑径向和扭转调整的拱冠梁法进行
计算分析，应力分析主要包括：①各计算截面上的应力
分布；② 坝体上、下游面在各计算点的主应力。本次采
用《水利水电工程设计计算程序集》中的“J一2考虑扭
转作用的拱冠梁法”进行计算。
3．2 设计标准
根据《浆砌石坝设计规范SL25—2006}，采用拱冠
梁法计算时，拱和梁的法向应力应满足下列规定的应力
收稿日期：2010—06—17； 修回日期：2010—07一l5
作者简介：刘晓乐(1984一)，女，主要从事水利水电工程规划、设计工作。
· 60·
2010年7月 第7期 刘晓乐，等：某小型砌石拱坝的结构安全分析
指标 (见表1、表2)：
表1 浆砌石体容许压应力(10 Pa)
≥ 1000 510 400 400 340 29o 240 600 470 470 400 330 280
800 470 330 330 310 280 210 550 42【】420 370 300 250
毛
600 410 3l0 310 270 230 190 480 370 370 320 270 220
— 500 370 290 290 240 210 170 430 330 330 280 250 200
由
400 330 240 240 210 l90 16o 380 280 280 250 220 180
3o0 290 210 210 190 160 l3O 330 250 250 220 l8O 16o
表2 浆砌石拱坝控制计算拉应力(10 Pa)
3．3 计算断面的选取
本工程为小型工程，为了简化计算，将坝体看作等
高对称砌石拱坝，选取坝体中间最大坝高截面作为拱冠
梁进行应力计算，断面尺寸如图3所示。
图3 拱冠梁简图示意(单位：高程m；长度iHm)
3．4 工况选取及荷载组合
选取最不利工况，即在校核洪水位为122．81m(P
： 0．2％)下的荷载组合，拱坝承受作用力为：①坝体自
重G；②坝上游面静水压力P。；③坝下游面静水压力
P ；④浮托力U，；⑤渗透压力 ；⑥淤砂压力E；⑦温度
荷载P ，其中温度荷载P 考虑温升情况。
3．5 计算原理
1)考虑扭转作用的拱冠梁法_2-3](以下简称扭法)
的效果相当于考虑径向调整和扭转调整的方法，但计算
要比试载法简便得多。
2)扭法的实质是将拱坝划分为若干水平拱圈，设
想拱坝在外力作用下，拱冠梁上任一点产生变位就必然
要求拱圈上的相应点也产生大小相等方向相同的变位。
其实质即是认为：悬臂梁在一个由各水平拱提供的弹性
基础上。这个由水平提供的弹性基础，对悬臂梁的变位
有2个抵抗作用：
①梁在某一点产生的径向变位就是拱上相应点的
径向变位，而拱的径向变位使拱产生抵抗径向的弹性抗
力F ，这个弹性抗力作用于梁上；
②梁在某一点的角位移0(即梁径向变位的梯度)
也就是拱上相应点的绕拱圈切向轴的扭转角0 ，拱发生
扭转时使拱产生抵抗扭转变形的弹性抗力矩z ，这个
也作用于梁上。
3)荷载的计算
① 水、砂荷载
水、砂的计算方法同重力坝，不赘述。对于下游水
荷载，由于中、小型坝下游水位不高，作为安全储备而未
予考虑。
② 温差荷载
将温度变化的作用由下列2种作用的迭加来代替
(此处以温度下降的情况为例。对于温度上升的情况，
公式同样适用，仅正负号改变而已)。
a、各水平拱中的轴向内力．『v ：Ⅳ =一 ·E ·T·At
式中 为混凝土热膨胀系数； 为混凝土弹性模量；
为拱圈径向厚度；△ 为温降值。
断面上的应力则为：
= ／T=一 ·Ec·At (拉力)
b、坝面的温度当量荷载：
P ： —— _ (佰指I向ⅡJ 下l、游狮)J
式中 为拱圈上游面半径，R =r+T／2。At的计算
采用了美国垦务局修正经验公式 ：
A 47
t F而
关于温度变化值△ ，它是随着坝的高程变化而变
化的，所以Ⅳ 和P 是随高程而变化的。但是在某一高程
． 61 ．
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的水平方向上P，可以假定是均匀的，即假定温度当量
荷载作用在水平拱上是均匀径向荷载。
3．6 计算结果与分析
计算基本参数：坝体采用50 水泥砂浆砌石，石料
采用标号为400的毛石料，砌石体线膨胀系数按《砌石
坝设计规范》中的3．2．2条， 可在(6～8)x 10 ／℃范
围内选用，此处取： =8×10一／~C；浆砌石体弹性模量
按《砌石坝设计规范》中附表A．0．2取值：E =2．5GPa；
淤沙内摩擦角取 =20。；淤沙浮容重取 =1．2t／m ；
延长系数C 取0．5。
计算所得拱和梁的应力结果见表3。
表3 拱和梁应力计算结果
结果表明，在特殊工况下，即最不利荷载组合条件
下，坝体最大压应力为108．95 X 10 Pa，出现在拱座下游
面中部位置，小于浆砌石体的容许压应力[a压]=160 x
10 Pa；坝体最大拉应力为38．97×10 Pa，出现在拱座上
游面中部位置，小于浆砌石体的容许拉应力[a ]=55
×10 Pa，满足规范要求。
4 坝肩稳定分析
4．1 计算方法及公式
浆砌石拱坝坝肩岩体稳定分析原则上按空间问题
处理，确定其整体抗滑稳定安全系数。根据本工程实际
情况，采用刚体极限平衡法 作为判断坝肩岩体稳定
性的方法，计算公式如下：
：
Σ
式中 为抗滑稳定安全系数；Ⅳ为垂直于滑动方向
的法向力，10 N；T为沿滑动方向的滑动力，10 Ni厂为抗
剪摩擦系数，此处取f：0．55。
4．2 结构计算模型的假定
一般情况下，坝肩岩体是由陡裂面 、河床附近的
缓裂面F 、上游的破裂面 及临空面分割成一个滑移
体，岩体失稳时，一般是沿F 与F。的交线① 一① 滑动
的(如图4所示)。取一个单位高(代表性)拱圈，坝端
对岸坡岩体的作用力，按拱梁分载法分为：梁的铅直力
G·tg 和剪力 ·tgqt，拱梁的推力Ⅳ和剪力 。这
些力可合成为：① 铅直力G·tgqt；② 剪力V='，n+
·tg ；③水平推力 。将 及 分解为正交及平行
滑动线的2个分值N、Q，选取几个代表性拱圈，计算出
其N、Q、G值，沿高程连成曲线，然后求曲线下的面积，
即为 、XQ、 ，同时计人滑移体自重 及渗透压力
、 ， 即可验算其抗滑稳定性。
图4 坝肩抗滑稳定计算简图示意
4．3 坝肩地质条件分析
据本工程坝址区工程地质分析，该场地属山谷陡坡
地貌，场区勘察深度范围内，尚未发现明显的断裂构造
· 62 ·
迹象，根据查阅有关区域的地质资料，未发现区域性的
活动断裂从场区及其附近经过，在其勘察深度范围内，
地基稳定性较好。两岸坝肩裸露的为风化砂岩，风化异
2010年7月第7期 广东水利水电
常剧烈，裂隙十分发育，其中尤以左坝肩岩石十分破碎。
取岩样l2块，做饱和单轴抗压强度测试：． =13．7～
35．8MPa，平均为22．5MPa。
4．4 坝肩稳定计算
拱圈拱端由外荷产生的内力为轴向力日和剪力 ，
将Ⅳ和 分解为平行和垂直于破裂面交线① 一① 的2
个分值，设破裂面与轴向力 方向相交成a角，则平行
于破裂面的分力S为：
S = Hcosa + Vs．ina
垂直于破裂面的分力J)v为：
N = Hsina ——Vcosa
设基坑面与垂线相交成 角，将垂直于破裂面的
分力～沿基坑面分解为垂直和平行的2个分力P和Q，
基坑面上还受自重 ．及渗透压力U的作用。最后可得：
平行于底滑面的分力：Q=Nsin~一W cos~0"
垂直于底滑面的分力：P =Ncos~ +W sin 一U
根据坝体应力分析结果，拱端内力组成见表4。
作用在破裂面上的力有P、Q、S三个，其中P是稳定
力，S是滑动力，因而安全系数 为：
K =Pf／S=I厂(Ncos~+Wl sin 一U)／S
根据表4数据，可算得在最不利荷载组合情况下，
拱座抗滑稳定安全系数为1．22，大于规范规定的1．10，
满足规范要求。
誉 强 苔 { ； 葛
(上接第56页)还应粘贴炭纤维布复合增强处理，待化
学灌浆凝固后，再对隧洞片渗面进行水泥灌浆结合化学
灌浆的综合灌浆处理，再对顶拱进行回填灌浆。
具体灌浆段为：6+182～6+550段片渗严重，采用
综合灌浆；6+000～6+182、6+550～6+717段为干燥
段，采用水泥灌浆。
为加强砼与岩壁的结合，填充砼与岩壁间的空隙，
需对隧洞顶拱范围内进行回填灌浆，回填灌浆孑L距和排
距为3m，灌浆孔深入围岩10cm，灌浆压力采用
0．3MPa。回填灌浆结束后，将回填灌浆孔改造成排水
孔，排水孔间距、排距为3m，孔深深入岩石2m。
该工程于2008年3月15日开工，2008年7月25
日基本完工。衬砌加固及缺陷处理后立即见效，漏水现
象消除。经过1年多运行检验，加固效果良好。
5 结语
传统的挂网浇筑混凝土等水工隧洞加固技术相当
于对隧洞进行二次衬砌，施工难度大、周期长，经济效益
差，且改变了隧洞的过流断面。采用喷射早强钢纤维混
凝土对衬砌结构补强效果好、施工进度快、效益好。采
表4 坝肩岩体受力结果
36 2 430．18 —86 67 1 917．16 1 493．79 1 030．48
36 2 644．97 —213．42 2 163．06 l 534．59 1 583．43
36 2 620．44 —435．59 2 286．9l l 348．66 1 868．58
36 2 304．39 —736．03 2 237．69 9l5．62 2 l5I．34
36 l 749．57 一l017．99 1 993．72 343．4 2 781．90
36 l 276．3 一l424．45 1 892．14 —271．74 2 781．90
36 537．65 —937．21 l 013．53 —372．73 2 781．90
13 504 ．21 4 991．63 14 979．53 8 681．67
5 结语
由结构应力计算结果分析，坝体最大压应力及最大
拉应力均不超出砌石坝设计规范要求，在最不利荷载组
合情况下，拱座抗滑稳定安全系数也满足规范要求，表
明该拱坝结构是安全的，大坝40余年的运行实践也说
明了计算分析结果的可靠性。
参考文献：
[1] 中华人民共和国水利部．SL25—20O6砌石坝设计规范[S]．
[2] 冯广宏，郎重呜．砌石拱坝建设[M]．重庆：四川人民出版
社，1980．
[3] 潘家铮，黎展眉．拱坝[M]．北京：水利电力出版社，1982．
(本文责任编辑马克俊)
用化学及水泥综合灌浆对洞身围岩及裂缝进行加固处
理，不改变隧洞原有断面，用碳纤维布对裂缝进行补强，
防渗效果明显，增大了流量系数，提高了隧洞的过流能
力。通过这些加固措施，提高了结构的承载力及耐久
性，节约了运行后的维修费用。
参考文献：
[1] 朱幼斌．农十二师红岩水库引洪隧洞混凝土质量检测与
分析报告[R]．乌鲁木齐：新疆农业大学水利水电设计研
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[2] 朱幼斌．农十二师红岩水库引洪隧洞衬砌裂缝化学灌浆
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[5] 王铁梦．工程结构裂缝控制[M]．北京：中罔建筑1二业出
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(本文责任编辑罗睿)

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