北京密云水库第一溢洪道抗滑稳定分析（彭淑芳）

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摘要：监测发现第一溢洪道实测扬压力高于设计值, 为分析设计水位下第一溢洪道闸首的抗滑稳定性, 对1996 年至2005 年库水位153.6 m 至130.4 m 下的测压管水位进行了系统整理分析, 建立测压管水位与库水位的相关函数。采用2000 年颁布的《溢洪道设计规范》中抗剪断强度公式, 建立抗滑稳定模型, 进行分析。

关键词：密云水库建筑物运行分析

中图分类号TV698.2+32 文献标志码A 文章编号1673- 4637 ( 2007) 06- 0037- 04

密云水库是首都北京唯一的地表饮用水水源地,同时承担着下游京津冀地区防洪任务。确保密云水库防洪、供水工作安全意义重大。

第一溢洪道是密云水库主要的泄水建筑物, 其溢流堰底坎高程低、承担的水压力大、设计泄量大、底坎以上蓄水量大。3 座溢洪道中, 第一溢洪道距离潮河主坝最近, 调流坎距离潮河主坝约1 000m, 在水库的防洪调度中, 其泄洪次序在其他2 座溢洪道之后,是保证主坝保安全的重要建筑物。第一溢洪道安全与否, 能否正常发挥挡水、泄水作用, 直接关系着水库安全蓄水、正常泄洪。

2006 年密云水库汛限水位提高到152.0 m 运行,2007 年底南水北调工程将引河北省水进京, 作为首都的战略水资源地, 密云水库在较高水位运行的机会增大。对存在安全隐患的第一溢洪道进行计算分析,弄清工程的运行状况, 在低水位条件下采取措施很有必要。

1 第一溢洪道工程基本情况

1.1 工程概况

密云水库第一溢洪道位于潮河黄各庄南分水岭上,为水库宣泄洪水的主要建筑物之一。工程为Ⅱ级建筑物, 按100 a 一遇洪水设计、1 000 a 一遇洪水校核,设计水位157.5m 时泄流能力4 300m3 / s。溢洪道为河岸深孔式, 溢流堰堰型是宽顶堰, 堰顶高程140.0 m。分为5 孔, 每孔净宽10m, 闸墩厚2.2m。闸首段总宽58.8 m、总长度26 m。为满足稳定要求, 中墩采用了与底板连接的方式, 在底板中间分缝, 形成倒置的T形梁结构。设有5 扇10m×6 m ( 宽×高) 的深孔弧形闸门, 门上为13.2m 高的钢筋混凝土胸墙。闸首还设有操作弧形门的工作桥、公路桥及检修门用的检修桥。闸首下段为泄槽, 泄水经出口差动式挑水坎调流消能后沿天然山坳泄入潮河河道。

1.2 防渗排水及监测设施布设

为减小闸底扬压力, 在首部设置2 排灌浆帷幕,第1 排孔位桩号是0+010 上, 第2 排防渗帷幕在其后2m 处设置, 2 排孔交错排列。

在防渗帷幕下游, 设有2 排排水帷幕及排水沟,前排桩号0 + 004 上, 后排桩号0 + 003。排水沟断面40 cm×40 cm, 中间放!20 排水瓦管, 由2 条横沟及5条纵管相互连通排至下游, 纵沟布设在底板中间分缝处, 其间距为12.2m。

4 个中墩共埋设14 孔测压管, 用以监测灌浆帷幕和排水帷幕工作效果、闸底板渗流场变化情况, 为分析闸首的抗滑稳定提供数据。工程建设之初的1961年、1962 年在4 个中墩第2 排防渗帷幕后和闸墩尾部各布设1 孔测压管共8 个, Ⅰ#、Ⅳ# 中墩和2 个边墩第1 排排水孔后各布设1 孔共4 个。1974 年水库蓄水达到历史最高水位, 第一溢洪道实际挡水水头13m, 为分析扬压力高的原因, 在Ⅰ#、Ⅳ# 2 个中墩第1 排排水孔上游分别补充了1 个测压管。根据基础开挖情况,所有测压管管底高程在135.0m 至137.4m 之间, 均已深入基岩内部。

在4 个中墩尾部桩号0 + 8.3m 处均埋设有变形标点, 监测闸墩位移情况。

2 工程安全监测情况

1994 年密云水库水位达到历史最高值153.98 m,第一溢洪道实际监测闸底扬压力高于设计值。以该年11 月14 日I# 中墩的监测结果为例进行计算, 该时段库水位保持在153.7 m 附近, 以2 ~ 3 d 1 cm 的速度下降, 前期近30 d 内无降雨, 因此基本排除测压管水位滞后和降雨对测压管水位的影响。

计算1# 测压管渗压系数为α1 = 0.96, 渗压系数高于设计值。通过测压管水位与库水位回归方程推算设计水位时扬压力, 利用原设计抗滑稳定公式计算设计水位、基本荷载组合条件下抗滑稳定系数K= fΣW/ΣP = 0.77, 低于设计允许值1.30。

闸首存在设计水位下不稳定的问题。1994 年组织进行了密云水库安全鉴定工作。鉴定结果认为导致第一溢洪道扬压力偏高的主要原因是1#、3#、6# 等测压管水位偏高。上述各测压管水位偏高的原因各有各的特点, 但不影响工程整体稳定。6# 管主要是降雨影响和进水管被堵, 排水不畅。1# 孔水位偏高的原因是降雨和库水通过闸底板与基岩接触处的破碎, 库水补给所致。3#孔除降雨影响和排水不畅外, 怀疑在高程147 ～148m闸墩混凝土内部有蜂窝、狗洞及裂隙连通。

鉴于上述结论, 1996 年在原1#、3#新和6# 测压管附近各补充了1 孔测压管。分别命名17#、3#新和18#。

经与相同条件下1#、3#、6# 测压管水位比较证明, 3#新明显大幅度低于原3# 孔水位, 其余2 孔水位也有不同程度小幅度下降。说明原3# 测压管不真实反应所在部位的渗流情况并停止观测, 其余测压管正常监测。

3 闸首抗滑稳定分析

2000 年水利部修订了《溢洪道设计规范》, 根据国内外岩基水工建筑物设计理论和实践进展的实际情况, 规范规定闸首稳定计算采用抗剪断公式。将基岩和混凝土的粘着力加入计算。1996 以后密云水库水位逐渐降低, 从1996 年的152.8 m 降至2004 年的130.4 m。第一溢洪道实际工作水头经历了从12.8m 到不挡水的变化。选用此时段的监测值并用新修订的《溢洪道设计规范》进行稳定分析。

3.1 测压管灵敏度分析

1997 年11 月对第一溢洪道测压管进行了注水试验。根据《土石坝安全监测技术规程》关于测压管灵敏度检验的技术要求, 每孔测压管水位提高5m。监测水位恢复曲线。溢洪道处基岩以新鲜片麻岩为主, 构造裂隙发育, 基岩的渗透系数在2 ×10- 6 ～3 ×10 - 5 之间, 渗透性与黏壤土接近。根据规范要求, 注水水位在120 h 内恢复至原水位为灵敏度合格。

试验结果表明除13# 测压管外, 其余测压管水位在24 h 内均基本恢复原值。说明这些测压管灵敏度很高。从绘制的测压管水位过程线中, 也可以明显看出测压管水位受库水位影响而升降。表明测压管灵敏度高, 监测结果能正常反应闸底实际扬压力。

3.2 资料选择与整理分析

对4 个中墩上的测压管水位进行分析, 判断每个闸墩的稳定性。在测压管选用上, 弃用原存在问题的1#、3#、6# 管, 用新打孔代替。

每年1 月、2 月、3 月、11 月、12 月5 个月水库地区基本无降雨, 库水位也较稳定。测压管水位滞后库水位和降雨等对观测值影响较小, 测压管水位基本真实地反应该库水位下的实际渗流情况。因而选用该时段的监测值进行分析。

首先绘制的测压管水位与库水位关系线, 见图2、图3。从图中可以看出库水位138.5m 以下测压管水位不受库水位变化影响, 库水位138.5 m 以上时则明显随库水位升降而变化。采用库水位138.5 m 以上的监测数据进行分析。

3.3 测压管水位与库水位回归分析

选用库水位138.5 m 高程以上测压管水位进行回归分析。经回归计算得到各个测压管水位关于库水位回归系数如表1。

利用上述各测压管的回归方程计算不同库水位下测压管水位, 并与实际监测结果比较, 两者比较接近。利用统计检验的方法对回归方程进行显著性检验, 通过计算, 17#、13#、5#、3#、2# 测压管回归方程在a=0.05 上高度显著, 其余测压管回归方程在a=0.01上显著, 相关系数见表2。

表明建立的测压管水位回归方程是合理的, 可以用来推算设计水位时测压管水位。

3.4 闸首抗滑稳定分析

3.4.1 计算公式及参数取用说明

采用中华人民共和国水利部2000 年修订颁布的《溢洪道设计规范》( SL253—2000) 规定的抗剪断强度公式进行计算。

K= ( f""ΣW+c""A) / ΣP

式中: K 为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数; f为闸墩混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数; c"" 为闸墩混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力; A 为闸墩混凝土与基岩接触面的面积; ΣW为作用于闸体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量; ΣP 为作用于闸体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。

规范规定基本荷载组合时K=3.00, 遇地震的特殊荷载组合时为K=2.3。

进行抗滑稳定计算时, 闸墩混凝土与基岩接触面的面积, 采用A=12.2 ×26 = 317.2m2。

工程原设计时闸墩混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数采用f""=0.70, 1995 年北京勘测设计研究院所做第一溢洪道底板钻芯试验报告建议f"" = 0.75 ～0.79,本次计算取f"" = 0.70。

根据建库时地质勘探报告, 第一溢洪道闸基附近是完整坚硬的花岗片麻岩, 岩石完整无风化。但是工程施工时, 为抢在大汛期前完成开挖到140.0 m 高程的任务, 在最后5 m 采用了放大炮爆破施工的办法,闸墩混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力有所降低。

根据1995 年的试验报告, 第一溢洪道岩石质量为Ⅳ类。《水利水电工程地质勘查规范》( GB50287- 99)中关于Ⅳ类岩体的特征描述为“岩体呈碎裂结构, 结构面很发育, 且多张开, 夹碎屑和泥, 岩块间嵌合力弱”。Ⅴ类岩体“岩体呈散体状结构, 由岩块夹泥或泥包岩块组成, 具松散连续介质特征”。第一溢洪道基岩可以定义为Ⅳ类岩体。在新规范中Ⅴ类岩体c"" 的取值范围是0.30～0.05 MPa。Ⅳ 类岩体c"" 的取值范围是0.70～0.30MPa。本次计算c""=0.30MPa。

3.4.2 抗滑稳定计算

对设计库水位条件下基本荷载组合和设计水位遇8 度地震的特殊荷载组合条件进行抗滑稳定计算。将连底的中墩作为计算单元, 静水压力算至混凝土与基岩接触面高程138.0 m。

由测压管回归方程, 计算设计水位高程157.5 m时, Ⅰ 闸墩、Ⅱ 闸墩、Ⅲ 闸墩、Ⅳ 闸墩的扬压力分别为31 396 kN、19 421 kN、22 591 kN、20 264 kN。计算各闸墩抗滑稳定安全系数如表3。

从计算结果看, 各闸墩基本荷载组合和特殊组合时安全系数均大于设计值。根据以上计算, 在设计水位157.5m 时, 密云水库第一溢洪道是安全的。

3.4.3 变形监测结果分析

绘制1973—1995 年的库水位过程线和各闸墩累计位移量过程线, 见图4、图5。可以看出库水位从136.7m变化至153.9m。闸墩累计位移量在+2mm 与- 2mm 之间变化。位移变化趋势与库水位无关, 也说明闸首位移在高水位下无明显变化。

3.5 扬压力系数分析

根据新颁规范, 防渗帷幕和排水帷幕后的设计扬压力系数分别为a1= 0.50、a2= 0.25。按回归方程计算,设计水位157.5m 时各闸墩扬压力系数如表4。

计算表明除Ⅰ# 墩外, 其余闸墩扬压力系数低于设计值。说明这3 孔防渗帷幕和排水帷幕工作状况良好,渗流场正常。Ⅰ# 墩的扬压力系数a1 高于设计值, 但第2 排排水帷幕后闸墩尾部的8# 测压管渗压系数为0.16,低于设计值。第2 排排水体前基岩水位较高原因有二,一是混凝土闸底板与基岩接触处的破碎带与库水连通,库水补给Ⅰ# 孔; 二是第一排排水帷幕阻塞, 排水不畅; 这也是导致Ⅰ# 墩扬压力较高的原因。第2 排排水帷幕工作效果较好, 从其下游8# 测压孔扬压力系数大幅度降低这一点可以证明。

4 结论及建议

计算结果表明第一溢洪道闸墩整体稳定是安全的。I# 墩首部测压管实测水位高于设计值。是库水通过混凝土闸底板与基岩接触处的破碎带与补给Ⅰ# 孔测压管所致, 第1 排排水帷幕阻塞, 排水不畅也是一个重要原因。在日常管理中应加强监测、分析工作, 及时掌握工程运行状况, 同时应对闸前基础破碎带进行处理,并研究解决闸底板排水问题, 以确保工程安全运行。

参考文献

[1] 中华人民共和国水利部.溢洪道设计规范SL253—2000.4.3建筑物结构设计控制段; 附录C 荷载计算公式[S].17- 20,68- 89.

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[4] 赵文华.水工建筑物[M]. 水利水电出版社, 1986, 9- 19.

[5] 费勤贵, 温秋根.工程技术统计[M]. 中国水利水电出版社,1996, 87- 99 .

作者简介: 彭淑芳( 1972 — ) , 女, 高级工程师。

来源：《北京水务》2007.6

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