4水库枢纽结构安全评价报告.docx
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4水库枢纽结构安全评价报告
1工程概述
某水库位于某xx镇雷家畈村,大坝拦截长江北岸柏临河的支流院子河,距某市约30km,交通便利,是某区的重要水库之一,水库承雨面积11.3km2,总库容376×104m3,有效库容335.6×104m3,工程级别为Ⅳ等,主要建筑物级别为4级,该水库以灌溉、防洪为主,同时兼顾养殖等。
某水库由大坝、溢洪道、输水建筑物和渠系建筑物等配套工程组成。
大坝为粘土心墙代料坝,代料为红砂岩风化砂,坝顶高程262.00m,坝顶长225m,坝高29.6m,坝面宽3.0m,河底高程232.40m,迎水坡为三坡两平形式,即1:
2.25,1:
2.5,1:
2.5,对内一级平台宽度4.5m,二级平台宽度1.5m,采用0.2m厚干砌块石护坡,背水坡也为三坡两平形式,即1:
2.0,1:
2.5,1:
1.75,对外一级平台宽度4.5m,二级平台宽度1.5m,采用草皮护坡,坝基为砂岩夹砾岩。
溢洪道位于大坝左端,为开敞式宽顶堰,堰顶宽68.5m,堰顶高程259.70m,无闸门启闭设备和消能工。
大坝两岸各有一条输水隧洞,呈城门洞形,左岸为低管,设计过水流量为1.0m3/s,长111.0m,平均衬砌厚度0.15m,出口渠道为东干渠,闸门为扇铸铁平面闸门,尺寸为0.5m×0.7m采用5T手摇螺杆式启闭机控制。
右岸为高管,设计过水流量1.0m3/s,围岩为砾石,无衬砌,出口渠道为西干渠,闸门为扇铸铁平面闸门,尺寸为0.5m×0.7m,采用斜拉手摇螺杆式启闭机。
渠道建筑物分东、西两条干渠,过水能力1.0m3/s。
某水库由原某县水电科设计,于1960年10月开工,1971年1月竣工。
由于受当时条件、技术等方面限制,大坝在兴建之初未进行工程地质勘察工作,施工中采用人海战术,质量难以保证,大坝竣工运行后,曾出现过许多险情,后采取诸多除险措施,然而,大坝许多病害仍未得到根治。
某水库的非正常运行不仅影响自身效益充分发挥,而且给下游居民生命财产带来了极大的安全隐患。
为保证水库正常运行,对其险情进行彻底根治处理,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)和《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000)的要求,按30年一遇洪水设计(261.23m),500年一遇洪水(261.87m)校核的防洪标准对某水库大坝、溢洪道等进行全面复核。
本文即为枢纽结构安全评价专题报告。
2 某水库大坝抗滑稳定复核
2.1计算条件
根据渗流稳定分析成果,选取Ⅱ-Ⅱ比较有代表性的断面(如图2-1),进行抗滑稳定计算。
根据《中国地震动参数区的划图》(GB18306-2001)水库所在地区的地震动峰值加速度为0.05g,地震动反应谱特征周期为t=0.25s,相应地震基本烈度为Ⅵ度,根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97),大坝为四级建筑物无须进行抗震稳定性计算。
根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的要求,并结合水库的运用情况,计算工况选取为:
1)正常工况
(1)正常蓄水位259.7m时形成稳定渗流期,下游坝坡稳定;
(2)设计洪水位261.23m时形成稳定渗流期,下游坝坡稳定;
2)非正常工况
校核洪水位261.87m骤降至正常蓄水位259.7m,上游坝坡的稳定。
2.2计算参数的选取
为了解大坝填土等材料的物理力学特性,我院委托某省地质勘察基础工程公司承担了某水库安全鉴定地质勘察工作,对大坝、溢洪道进行了地质勘察工作,为复核计算提供了依据。
本次稳定计算对计算断面进行了简化,共有心墙(粘土),坝壳代料(粉质粘土),强风化砂岩和中风化砂岩四种材料,计算时采用参数如表2-1。
表2-1 某水库大坝稳定分析参数表
材料类别
内摩擦角φ
(°)
凝聚力C
(KPa)
天然容重γ
(KN/m3)
饱和容重γ
(KN/m3)
心墙(粘土)
15
26
20.02
20.24
坝壳代料(粉质粘土)
20
15
19.52
20.04
强风化砂岩
30
200
16.93
17.49
中风化砂岩
35
300
26.59
26.68
2.3计算方法
2.3.1 计算原理及依据
按《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),对某大坝采用瑞典圆弧法和毕肖普法进行抗滑稳定计算。
计算方法:
采用水利水电规划总院推荐的“土石坝边坡稳定计算程序(陈祖煜STAB)”进行计算。
简化毕肖普法和瑞典圆弧法抗滑稳定安全系数的公式为:
(1)简化毕肖普法
(式2-1)
(2)瑞典圆弧法
(式2-2)
式中:
w-土条重量;
Q-水平地震惯性力;
,hQ为水平地震力和圆心的垂直距离。
ru-孔隙水压力系数
α-条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角;
c’,φ’-土条底面的有效应力抗剪强度指标;
R-圆弧半径。
2.3.2孔隙水压力的确定
稳定渗流期坝体内的渗流压力分布根据渗流分析计算确定,坝体内某点的孔隙水压力μ按下式计算:
μ=rwh(式2-3)
式中:
rw为水容重;h为坝体内该点的渗透压力水头。
压缩性较大的填土发生水位降落时,将产生附加孔隙压力,计算按设计规范采用了近似的方法确定,即不考虑降落时孔隙压力的消散,对孔隙水压力系数可取近似值,并对土单元总应力的变化根据土条重量变化予以简化处理,得出近似公式:
(式2-4)
式中:
h1为土条底面中点以上填土高度;h’为稳定渗流期库水流达土条底面中点时的水头损失值,由稳定渗流期的流网确定。
2.4计算结果及分析
依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),对于心墙坝,宜采用计及条块作用力的毕肖普法(Bishop),对于4级坝不考虑地震时正常运用和非正常运用的坝坡抗滑稳定安全系数为1.25和1.15;不计条块间作用力的方法即瑞典圆弧法的安全系数,分别为1.15和1.06。
本次坝坡稳定计算成果见表2-2,Ⅱ-Ⅱ断面在各种工况下最危险滑裂面位置分别如图2~图4所示。
表2-2 某水库大坝抗滑稳定分析计算成果表
断面
坝坡
运行工况
最小安全系数
毕肖普法
瑞典圆弧法
计算
结果
规范允许值
计算
结果
规范允许值
Ⅲ-Ⅲ断面
下游坡
正常蓄水位259.7m
稳定渗流
1.095
1.25
1.061
1.15
设计洪水位261.23m
稳定渗流
1.065
1.25
0.985
1.15
上游坡
校核洪水位骤降至
正常蓄水位
1.750
1.15
1.621
1.06
上述计算结果表明:
某水库大坝河床Ⅱ-Ⅱ断面坝坡在正常运行的各种工况下,无论是采用瑞典圆弧法还是采用简化毕肖普法,其下游坡安全系数最小值均小于现行规范的容许值。
2.5结论
根据以上评价,对某水库大坝的安全性得出以下结论。
根据国家《防洪标准》(GB50201-94)的有关规定,某水库为小
(1)型水库,大坝为四级建筑物,经复核,水库采用30年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核运行的各种工况的下游坡的抗滑稳定安全系数不满足规范要求。
其中在设计洪水位形成稳定渗流时,其下游坡的安全系数仅有1.065(毕肖普法)和0.985(瑞典圆弧法),与规范要求相差较大(规范要求为1.25(毕肖普法)和1.15(瑞典圆弧法))。
分析其原因可发现,代料体主要为粉质粘土夹碎石,块石及少量砂土等,密实度较差,力学性能较低;此外由于大坝心墙的高程低于正常蓄水位,浸润线以下代料体力学性能降低,致使下游坝坡稳定性极差。
另外,某水库大坝绕坝渗漏比较严重,可能造成大坝的局部不稳,甚至坍塌。
3大坝沉降计算
3.1计算条件
大坝施工前没有做过土料勘探,由于土料级配较差,回填随意性较大,碾压不密实,建成后坝体出现了沉降变形。
在坝基为基岩的条件下,大坝沉降过大很大程度上是因为土料碾压达不到填筑要求的密实度而造成的,由此带来大坝欠高、不均匀沉降,引起大坝裂缝。
经过几十年运行,坝体沉降基本稳定。
大坝的沉降主要是在土体自重作用下,压缩填土料孔隙产生的。
3.2计算原理
严格来说,大坝的沉降是随加载历时变化的,要较真实的计算大坝沉降需要在详细现场试验的基础上,分层加载模拟施工过程。
对于一般的工程,广泛地采用平面问题的分层总和法计算沉降量,这种方法假设地基在自重作用下已压缩稳定,使地基产生压缩变形(沉降)是由所谓的附加应力引起的,附加应力即外荷载在基础中产生的应力,显然,这种力随着土层加深而逐渐衰减。
在用分层总和法求大坝沉降时,因无外荷载作用,由规范可知,坝体内任一点的竖向应力看作是由重力引起的,可采用该点处单位面积以上的土柱重量来计算。
由于大坝建设时未绘制压缩曲线,因此空隙比e和压缩模量Es无法获得。
本次钻探试验资料获得了土层压缩膜量的平均值,见表3-1。
从压缩系数可以看出,其值满足0.1MPa≤aV1-2<0.5MPa,应属于中等压缩性土。
虽然代料的压缩性约大于心墙的压缩性,但两者的密度接近,且代料所占的体积远大于心墙,为简化计算,在水平层上各参数近似取两者的平均值,假设坝基砂岩夹砾岩覆盖层以下不发生沉降,沉降全部由坝体填土产生。
表3-1某水库大坝沉降计算参数表
土的类别
湿密度ρ
(t/m3)
含水量w
(%)
干密度ρ
(t/m3)
压缩系数
aV1-2(MPa)
压缩模量
Es1-2(MPa)
心墙
2.04
21.60
1.68
0.36
4.40
代料体
1.99
20.70
1.65
0.44
4.71
根据《土坝设计》(下册),大坝沉降计算采用如下公式:
(式3-1)
式中:
——坝体或坝基的最终沉降量;
pi1——第i层土1/2高度处本层土柱的有效重;
pi2——第i层土1/2高度处至坝顶的土柱自重;
hi——分层计算的土层厚度;
Ei——第i计算土层的压缩模量。
3.3计算过程
根据规范要求,分层厚度应为坝高的1/5~1/10,因此将土层分为六层,坝顶(高程262.0m)至高程为256.4m处为第一层,高差5.6m,高程为256.4m处至上游坝坡第一级平台(高程250.89m)为第二层,高差5.51m;上游坡第一级平台(高程250.89m)至第二级平台(245.68m)为第三层,高差5.21m;上游坡第二级平台(高程245.68m)至高程为241.48m处为第四层,高差为4.2m,高程为241.48m处至高程为237.48m处为第五层,高差为4.0m,高程为237.48m至坝基(233.49m)为第六层,高差3.99m。
(1)自重应力分布
自重应力按静止土压力法计算,在浸润线以上用湿容重,浸润线以下用浮容
重,见表3-2的第三列。
(2)竖向应力分布
竖向应力是由第i层土1/2高度处至坝顶的土柱自重pi2与第i层土1/2高度处本层土柱的有效重pi1,见表3-2的第四列。
表3-2大坝沉降量计算表
分层编号
分层厚度
(m)
自重应力
σs(kpa)
竖向应力
(pi2-pi1)(kpa)
压缩模量(MPa)
沉降量
s(mm)
1
5.6
43.78
4.71
52.05
2
5.51
87.55
85.41
4.71
99.92
3
5.21
171.59
144.35
4.71
159.68
4
4.2
239.29
182.77
4.71
162.98
5
4.0
286.32
213.89
4.71
181.65
6
3.99
328.02
252.31
4.71
213.74
369.08
总计
870.02
图3-1坝体分层及自重应力计算图
(3)沉降计算
由于缺乏对比资料及沿坝深方向详细的试验资料,沉降量计算近似取竖向应
力由自重引起的,虽然会存在一些误差,但从平均意义上来说还是大体可以反映大坝的实际沉降。
由于代料体的体积远大于心墙的体积,为简化计算,表3-2的第五列的压缩模量近似地取代料体的压缩模量。
第六列的沉降量即按公式由第二、四、五列的量计算得出。
计算得到大坝最终沉降量为87.00cm,由于竣工时实际的压缩模量应小于现在实测的平均值4.71MPa,因此沉降量比计算出的值要略大。
3.4结论
某大坝竣工后发生的沉降量为坝高的3.05%,大于3%,可能会产生裂缝,从而影响大坝安全。
坝体沉降的主要原因是碾压不密实造成的。
4溢洪道结构安全复核
4.1工程概况
某溢洪道位于大坝左端100m处,为开敞式宽顶堰,堰顶宽68.5m,堰顶高程259.70m,堰顶部铺设有0.3m厚的钢筋混凝土底板。
溢洪道为天然垭口,无闸门启闭设备和消能工。
4.2溢洪道稳定复核基本资料
某水库溢洪道为无闸控制的开敞式,无消能工。
具体布置图如下:
图4-1溢洪道平面示意图
图4-2溢洪道剖面示意图
本次复核按《防洪标准》(GB550201-94)、《溢洪道设计规范》(SL253-2000)和其它相关规范进行。
溢洪道属四级建筑物,防洪标准为30年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。
溢洪道由进口段、控制段和泄槽段等部分组成。
溢洪道堰顶高程259.70m,为宽顶堰。
根据专业规划调洪演算成果,水位及流量关系资料见表4-1。
表4-1溢洪道水位及泄流量关系
洪水标准
设计
校核
洪水重现期
P=3.33%
P=0.2%
最高库水位(m)
261.23
261.87
相应下泄流量(m3/s)
195
330
溢洪道结构安全复核内容包括:
①泄流能力复核;②水面线计算和流态分析;
4.3溢洪道水力、结构复核
4.3.1溢洪道安全泄流能力计算
(1)泄流能力复核
溢洪道为宽顶堰,泄流能力按《溢洪道设计规范》(SL253-2000)公式计算:
(式4-1)
式中:
——侧收缩系数,由规范得
=1.0;
m——流量系数,查表得m=0.339;
b——总净宽,b=68.5m;
H0——包括行进流速水头的堰前水头。
计算结果见表4-2。
表4-2溢洪道水位流量
序号
库水位(m)
泄流量Q(m3/s)
1
259.70
0
2
260.20
36.4
3
260.70
102.9
4
261.20
189.0
5
261.70
291.0
6
261.87
330.0
经计算:
当正常洪水位261.23m时,流量为195.0m3/s;当校核水位261.87m时,流量为330.0m3/s,满足泄洪要求。
4.3.2溢洪道水面线计算和流态分析
根据能量守衡原理对溢洪道泄槽段进行校核水位时的水面线进行计算。
(1)计算数据:
五百年一遇校核水位:
261.87m,相应下泄流量:
330m3/s;
溢洪道宽度:
68.5m;
堰顶高程:
259.7m;
糙率系数:
查表n=0.035;
(2)计算公式:
缓坡与陡槽交界处断面临界水深计算公式:
(式4-2)
式中:
hk——缓坡与陡槽交界断面临界水深;
Q——溢洪道过流量,Q=330m3/s;
B——该断面处净宽,B=68.5m;
能量方程:
(式4-3)
式中:
h1、v1——相应为1-1断面的水深及流速;
h2、v2——相应为2-2断面的水深及流速;
"
"——向上游方向推求水面线时取"+";
向下游方向推求水面线时取"—";
——流段的长度;
——流速分布不均匀系数,由规范得:
1.05
——泄槽底坡角度;
i——底坡坡度,i=0.333
——流段的平均水力坡度;
流段的平均水力坡度由下式计算:
(式4-4)
式中:
分段平均流速:
=(v1+v2)/2;
糙率系数:
n=0.035
分段平均水力半径:
=(R1+R2)/2。
根据泄槽不同的断面尺寸将其分成若干段(见图4-2),分别计算出各段的水深以及掺气水深(注:
当流速v>6~7m/s时才考虑计算掺气水深),计算成果见下表4-3:
表4-3溢洪道泄槽水面线计算表
序号
掺气前流速
(m3/s)
掺气前水深
(m)
掺气后水深
(m)
1
3.61
1.33
1.33
2
4.96
1.00
1.00
3
5.62
0.91
0.91
4
6.14
0.86
0.92
5
7.30
0.80
0.87
6
8.14
0.80
0.88
7
8.83
0.84
0.93
8
9.54
0.92
1.03
注:
序号具体位置见图4-2。
经计算知:
溢洪道通过校核洪水的下泄流量330m3/s时,临界水深hk=1.33m。
泄槽为陡坡,水深小于临界水深,水深在标点1-5之间为降水曲线,标点5后为雍水曲线。
泄槽中的流速一直在增大,水流呈急流状态。
流速最大值为9.54m/s,大于容许不冲流速[Vk]=7.00m/s。
4.4结论及建议
综合以上分析,可知:
1、溢洪道的泄流能力能满足各种洪水标准下所要求的泄量(在加坝高0.8m时)。
2、由水面线计算结果可知,溢洪道的最大流速为9.54m/s,大于容许不冲流速[Vk]=7.00m/s,对泄槽冲刷严重,建议对溢洪道整体进行混凝土护面。
3、现场检查发现,溢洪道下部陡坎已冲刷成坑,淤积问题严重,建议对溢洪道下部进行加固,保障泄槽稳定和泄洪安全。
5输水建筑物结构安全复核
5.1工程概况
某水库输水建筑物为布置在大坝两岸的两条隧洞。
左岸为低管,设计过水流量为1.0m3/s,底板高程239.30m,长111.0m,纵坡2.5‰,断面呈城门洞形,尺寸1.0m×1.8m,围岩为红砂岩,洞顶混凝土衬砌厚度0.15m,出口渠道为东干渠。
进口设置1扇铸铁平面闸门,尺寸0.5m×0.7m,采用5T手摇螺杆式启闭机控制,机台高程261.50m。
右岸为高管,设计过水流量为1.0m3/s,底板高程245.80m,长234.4m,断面呈方圆形,尺寸1.4m×2.0m,围岩为砾石,不需衬砌,出口渠道为东干渠。
进口设置1扇铸铁平面闸门,尺寸0.5m×0.7m,采用5T手摇螺杆式启闭机。
5.2隧洞结构安全复核
5.2.1基本资料
(1)工程等别与标准
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)的规定,某水库为小
(1)型水库,工程等别为Ⅳ等,隧洞级别为4级。
高管围岩为砾石,无衬砌,故本次复核主要是复核低管衬砌。
(2)低管尺寸
图5-1低管示意图
洞身净宽:
B=1.0m;洞身净高:
H=1.8m;
顶拱内半径:
r=0.5m;直墙高:
y=1.3m;
混凝土衬砌厚度为d=0.15m
5.2.2高管、低管输水能力复核
某高管、低管设计流量皆为1.0m3/s,闸门平面尺寸为0.5m×0.7m,闸门底部高程高管为239.30m,低管为245.80m,泄流能力公式按平底闸流公式计算:
(式5-1)
式中:
H0——自闸底板算起的计入行进流速水头的上游总水头,m;
μ——流量系数,查表取0.65;
D——孔口高度,m;
A——孔口面积,m2。
计算结果见表5-1、2。
表5-1低管隧洞流量计算表
水位
239.3
240.30
241.30
242.30
243.30
244.30
245.30
流量
0.00
1.01
1.43
1.75
2.02
2.25
2.47
表5-2高管隧洞流量计算表
水位
245.8
246.8
247.8
248.8
249.8
250.8
251.8
流量
0.00
1.01
1.43
1.75
2.02
2.25
2.47
由表5-1、2可知,高管、低管只需要1.0m水头就可达到设计流量。
5.2.3低管衬砌复核
(1)计算原理
根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002),对某低管衬砌计算采用结构力学法进行,主要荷载有:
围岩压力、衬砌自重。
计算原理:
将衬砌看作拱座弹性支撑在底部地层上的高脚拱,拱座视为弹性固端。
由于洞身衬砌断面及作用荷载均为对称,故在拱顶沿对称轴切开设刚臂,得到如下基本结构,多余未知力X1和X2作用于刚臂端点。
变位方程式为:
(式5-2)
(式5-3)
式中:
及
分别为拱座转角β引起的刚臂端点的角变位及水平变位;
及
分别为拱座水平位移△引起的刚臂端点的角变位及水平变位。
求得X1和X2后,即可按静定结构计算在外荷与多余未知力共同作用下,衬砌各截面的弯矩、轴力,按偏心受压公式计算相应的截面应力。
图5-2隧洞计算原理图
(2)荷载计算
a、围岩压力,依据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)按下式计算:
垂直方向:
(式5-4)
水平方向:
(式5-5)
式中:
qv——垂直均布围岩压力,kN/m2;
——岩体重度,计算取24kN/m2;
B——隧洞开挖宽度,1.0m。
H——隧洞开挖高度,1.8m。
计算得qv=7.2kN/m,qh=4.32kN/m。
b、衬砌自重按下式计算:
g=γch(式5-6)
式中:
g——衬砌自重强度,kN/m2;
h——衬砌厚度,0.15m;
——衬砌材料的重度,计算取24kN/m2。
计算得g=3.6kN/m
(3)计算结果
采用列表计算,可得到各截面的边缘应力,见表5-3。
表5-3各衬砌截面边缘应力计算表
截面编号
弯矩M
(kN·m)
轴力N
(kN)
外缘应力σ外
(kN/m2)
内缘应力σ内
(kN/m2)
0
0.19
4.03
77.27
-23.53
1
-0.21
0.34
-54.70
59.18
2
0.04
1.29
18.44
-1.26
3
-0.04
2.70
7.40
28.62
4
-0.21
4.36
-26.36
84.51
5
-0.22
6.00
-18.39
98.44
6
-0.08
7.71
25.91
51.22
7
-0.15
8.52
20.70
64.53
8
-0.43
9.33
-17.32
110.65
9
-0.93
10.14
-88.15
189.58
10
-1.64
10.95
-191.77
301.30
通过表5-3,可以看出低管衬砌压应力值均小于水泥砂浆砌条石M7.5的允许抗压应力值[σ]=1800kN/m2,而在侧墙底部出现的拉应力大于浆砌石M7.5的允许抗拉强度[σ]=30kN/m2,不满足规范要求。
5.3隧洞结构安全复核
5.3.1现场检查
通过现场检查,发现输水隧洞存在以下问题:
1、引水段岸坡岩石裸露,有少量植被生长,岩石风化破碎,有明显崩塌现象,输水洞漏水严重,进水口闸门锈蚀严重,止水效果不好。
2、进水塔内设施简陋,竖杆式启闭机锈损严重,进水塔内混凝土结构老化严重,有明显碳化现象。
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