漿砌石框格填碴壩受力特性分析

傅長(zhǎng)鋒 任德記 李洋波 劉迪安

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250 2.三峽大學(xué)土木水電學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

一、前 言

框格填碴壩是在硬殼壩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種壩型。這種壩是沿壩長(zhǎng)修成若干漿砌石隔墩，沿壩高在隔墩上建成若干砌石拱圈，整個(gè)壩內(nèi)形成一些框格，格內(nèi)填石碴?？蚋裉畈陦纬哂杏矚蔚闹饕獌?yōu)點(diǎn)外，還有以下特點(diǎn)：

1.與硬殼壩相比，節(jié)省漿砌石方量，基本上消除揚(yáng)壓力。

2.當(dāng)壩體發(fā)生局部開裂時(shí)，具有調(diào)整應(yīng)力的特點(diǎn)，能使應(yīng)力重新分布。

3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是較薄構(gòu)件的高次超靜定體系，應(yīng)力和變形都難計(jì)算和控制，雖然進(jìn)行過許多科學(xué)試驗(yàn)研究，但尚未形成適合砌體特性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。

4.施工較復(fù)雜。

二、 小龍?zhí)端畮齑髩维F(xiàn)存問題與加固

河北省小龍?zhí)端畮焓冀ㄓ?972年，總庫容700萬m3，水庫攔河壩壩型為漿砌石框格填碴重力壩，最大壩高39.6m，壩長(zhǎng)217.5m。壩頂高程118.20m，防浪墻頂高程119.20m，最大壩高39.80m；開敞式溢洪道堰頂高程114.80m，凈寬36.00m，最大泄量310m3/s；正常蓄水位114.80m，相應(yīng)下游水位84.60m；設(shè)計(jì)洪水位117.20m，相應(yīng)下游水位85.50m；校核洪水位118.00m，相應(yīng)下游水位86.00m；汛限水位114.80m（平溢洪道堰頂高程）；死水位89.30m，淤沙高程85.00m。

壩體段由5層漿砌石拱格組成，沿壩軸線方向分成10m一格，兩側(cè)肋墩寬2m，伸縮縫處寬1.5m。壩體迎水面設(shè)3.25m厚的漿砌石護(hù)墻（坡度1:0.1），護(hù)墻后設(shè)0.70m厚的鋼筋混凝土隔水板，隔板后為0.60m厚的漿砌石模板墻；坡度背水面為2m厚的漿砌石斜墻（坡度1:0.9）。壩內(nèi)框格第一層高8m，第二、三層高7m，第四層高6m，第五層高5m，格內(nèi)凈寬8m，伸縮縫兩側(cè)部分格內(nèi)凈寬7.50m。格內(nèi)填筑砂卵石料，橫隔采用1m厚的漿砌石拱，矢跨比1:8。由5層漿砌石拱格組成，格內(nèi)填筑砂卵石料。斷面尺寸如圖1。

圖1 壩體橫斷面剖面圖

1.存在的主要問題

（1）壩體不穩(wěn)定?，F(xiàn)狀攔河壩在設(shè)計(jì)、校核洪水條件下，壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力，各種工況的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都小于規(guī)范值。

（2）攔河壩滲漏嚴(yán)重。雖經(jīng)多次灌漿加固，仍未得到解決，至今不能正常蓄水運(yùn)用。

2.壩體加固設(shè)計(jì)方案

（1）壩體穩(wěn)定加固設(shè)計(jì)

在攔河壩上游壩面貼C15混凝土平臺(tái)，分兩層，底層平臺(tái)底寬6m，高5m，上層平臺(tái)寬4m，高10m，上接壩面防滲面板，防滲面板從壩體加固平臺(tái)頂高程93.6m開始向上澆筑，直至壩頂高程118.2m。面板厚度沿壩體高度變化，底部加固平臺(tái)以上最大厚度為2.0m，頂部最小厚度為1.0m，每10m分一條豎縫，縫內(nèi)設(shè)置一道紫銅片止水，為防止面板混凝土開裂采用纖維混凝土。

為保證混凝土防滲面板與基礎(chǔ)的良好結(jié)合，防止結(jié)合面處滲漏，在結(jié)合面處進(jìn)行接觸灌漿，灌漿孔距混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)上游邊1.0m。

（2）壩體防滲漏設(shè)計(jì)

為了封堵壩基、兩岸壩肩和溢洪道巖體裂隙滲水，增強(qiáng)壩身的穩(wěn)定性，對(duì)河床壩基、兩岸壩肩及溢洪道基巖進(jìn)行帷幕灌漿。河床段的防滲帷幕軸線布置在壩前寬6m高5m的混凝土平臺(tái)上，帷幕軸線距加固平臺(tái)上游面1.0m。兩岸壩肩部位的帷幕灌漿軸線同樣布置在距壩體加固平臺(tái)上游面1m的位置，左岸順壩肩基巖面上升到壩端，并沿左岸山體114.8m高程延伸至F1斷層外5m。右岸順壩肩基巖面一直延伸至溢洪道右端外10m。壩基深層防滲主要是切斷巖體層間破碎帶，帷幕灌漿孔深根據(jù)破碎帶及壩高綜合考慮確定為0.6倍壩高，并進(jìn)行壩前貼平臺(tái)、壩面貼坡等加固措施。

圖2 加固前下游去護(hù)坡立視圖

圖3 加固后的壩體立視圖

三、三維有限元法壩體應(yīng)力計(jì)算

1.計(jì)算模型與假定

（1）計(jì)算模型

選取河床段壩體，由于壩體伸縮縫的影響，壩體每一段各自獨(dú)立，垂直方向上受到重力，順?biāo)鞣较蚴艿剿屏Γ瑝屋S線方向只存在應(yīng)變，應(yīng)力在伸縮縫處釋放。所以取40m壩段（4個(gè)整格）作為計(jì)算模型。圖2為加固前去掉下游護(hù)坡的三維模型。

所選壩體建基面深度根據(jù)規(guī)范取1.5倍壩高。上下游各取1.0倍的壩高，在壩基的上下游面上施加法向約束。壩軸線方向左、右側(cè)分別增加相鄰壩段的壩基寬（40m）進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)用左、右兩段壩基的自重來代替壩軸線方向的約束來模擬壩體約束。壩基在豎直方向只受到自重的作用，順?biāo)鞣较蚴艿接蓧误w傳遞的水平推力，壩軸線方向的壩基分別向左右兩側(cè)傳遞應(yīng)力。這樣可以比較真實(shí)的模擬壩段的受力狀況（如圖3）。

（2）計(jì)算假定

①漿砌石框格內(nèi)填充的砂卵石為非彈性材料，計(jì)算時(shí)將砂卵石的作用以荷載形式加于壩體。

②漿砌石及灰縫采用統(tǒng)一的彈性材料進(jìn)行模擬，塊石標(biāo)號(hào)300# ～ 400#，砌筑砂漿標(biāo)號(hào)75#，其物理參數(shù)參照《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。

③壩基礎(chǔ)為白云質(zhì)灰?guī)r用彈性體模擬。

④防滲墻為140#混凝土（老標(biāo)號(hào)），考慮混凝土的老化，計(jì)算時(shí)對(duì)其換算，采用C10混凝土強(qiáng)度模擬。

⑤考慮到壩段之間設(shè)有伸縮縫，所選邊界條件為壩段在橫截面無約束，豎向看作懸臂梁，巖基面上施加三向固定約束。

⑥X方向?yàn)閴屋S線方向，正視圖中向右為正。Y方向?yàn)閴误w鉛直方向，以向上為正。Z方向?yàn)樗鞣较?，以順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?/p>

2.單元?jiǎng)澐?/p>

模型采用實(shí)體單元進(jìn)行線彈性分析，材料定義為各向相同的彈性材料，采用SOLID45號(hào)單元，進(jìn)行映射網(wǎng)格剖分。單元信息見表1。

單元?jiǎng)澐终`差估計(jì)采用StruErrEnrg SERR檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)離散能量誤差較大的區(qū)域，單元?jiǎng)澐挚尚小?/p>

3.荷載與組合

根據(jù)小龍?zhí)端畮煸O(shè)計(jì)條件及水庫大壩運(yùn)行現(xiàn)狀，擬定計(jì)算工況及荷載組合，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定、壩體強(qiáng)度應(yīng)力驗(yàn)算。計(jì)算工況及荷載組合詳見表2。

4.計(jì)算成果列表（見表3、表4）

表1 單元信息

表2 壩體計(jì)算工況及荷載組合表

表3 壩體各工況剪應(yīng)力（τxz）統(tǒng)計(jì)表 單位（MPa）

表4 各工況重要部位正應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 單位（Mpa）

表5 各工況重要部位最大位移統(tǒng)計(jì)表 單位（mm）

四、材料力學(xué)法壩體應(yīng)力計(jì)算

框格填碴壩是從重力壩、支墩壩發(fā)展而來的，它的受力特點(diǎn)與支墩壩相近，可采用材料力學(xué)法作為分析框格填碴壩壩體應(yīng)力的基本方法。框格填碴壩除分層、分格計(jì)算局部穩(wěn)定外，還應(yīng)取兩伸縮縫間的壩段，計(jì)算整體抗滑及抗傾穩(wěn)定性。壩體建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪和抗剪斷兩種方法進(jìn)行。

1.計(jì)算模型與假定

選取壩體建基面及兩個(gè)薄弱斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，壩段選取40m，建基面斷面為矩形，薄弱斷面為“工字形”。壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.7。其它基本資料、荷載及其組合同前述，加固前、后計(jì)算方法相同。

2.計(jì)算成果列表（見表6）

表6 材料力學(xué)法計(jì)算成果表

五、小龍?zhí)端畮齑髩螇误w應(yīng)力分析

1.加固前

壩踵的豎直正應(yīng)力：空庫時(shí)為壓應(yīng)力2.397MPa，正常蓄水時(shí)壓應(yīng)力減小，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)出現(xiàn)了0.217MPa的拉應(yīng)力，校核洪水位時(shí)拉應(yīng)力最大為0.337 MPa；順?biāo)鞣较驊?yīng)力：在空庫時(shí)為0.529 MPa的壓應(yīng)力，隨著庫水位的上升壓應(yīng)力減小并逐漸發(fā)展為拉應(yīng)力，到校核洪水位時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到0.247 MPa。

壩趾的豎直正應(yīng)力都為壓應(yīng)力，隨著水位的上升壓應(yīng)力逐漸增大，在校核洪水位時(shí)壓應(yīng)力最大為3.764MPa；順?biāo)鞣较蚴请S著庫水位的上升壓應(yīng)力逐漸增大，在校核洪水位時(shí)應(yīng)力最大為0.816MPa。

防滲墻豎直正應(yīng)力各種工況下均為壓應(yīng)力，空庫時(shí)的應(yīng)力最大為1.381 MPa，隨庫水位的上升，應(yīng)力逐漸減??；順?biāo)鞣较颍嚎諑鞎r(shí)拉應(yīng)力為0.339 MPa，隨水位的上升出現(xiàn)壓應(yīng)力，校核洪水位時(shí)壓應(yīng)力為0.639MPa。

小龍?zhí)端畮齑髩螇熙?、防滲墻部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。有限元計(jì)算成果與材料力學(xué)法的計(jì)算成果比較略有差異，但壩體受力的變化趨勢(shì)基本相同。

2.加固后

原壩踵的豎直正應(yīng)力：空庫時(shí)為壓應(yīng)力0.540MPa，隨著水位的上升壓應(yīng)力逐漸增大，校核洪水位時(shí)壓應(yīng)力最大為0.689Mpa。與加固前比較壩踵的正應(yīng)力減小，設(shè)計(jì)洪水位，校核洪水位出現(xiàn)的拉應(yīng)力消失，加固平臺(tái)在各種工況下沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

壩趾的豎直正應(yīng)力都為壓應(yīng)力，隨著水位的上升壓應(yīng)力逐漸增大，在校核洪水位時(shí)壓應(yīng)力最大為2.77MPa；順?biāo)鞣较蚴请S著庫水位的上升壓應(yīng)力逐漸增大，在校核洪水位時(shí)應(yīng)力最大為0.735MPa。加固前、后應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，加固后各種工況下壩址的壓應(yīng)力均減小。

防滲墻豎直正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，空庫時(shí)的應(yīng)力為1.21MPa比加固前減小，順?biāo)鞣较颍嚎諑鞎r(shí)壓應(yīng)力為0.322MPa。

壩體加固后在設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位時(shí)壩踵部位出現(xiàn)的垂直向拉應(yīng)力消失，加固平臺(tái)在各種工況下也未出現(xiàn)垂直向拉應(yīng)力，壩體剪應(yīng)力較加固前減小，說明加固效果明顯，加固方案可行。

六、結(jié) 語

壩體為高次超靜定結(jié)構(gòu)，用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力，由于假定條件多，尤其是未能考慮基巖變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響，造成壩體的計(jì)算應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力值有較大差別[5]，而采用彈性力學(xué)有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力就比較好地解決了這一問題。

框格式漿砌石壩采用有限元法計(jì)算，考慮了壩基變形對(duì)壩體應(yīng)力影響，與材料力學(xué)法計(jì)算成果比較，受力的變化趨勢(shì)基本一致，但絕對(duì)值均明顯減小。

框格填碴壩由砌體框格和填料組成，是一種構(gòu)造復(fù)雜的壩型，它的應(yīng)力分析本質(zhì)上是三維問題，不宜用剛體平衡理論計(jì)算其穩(wěn)定安全性。

框格填碴壩既是一種很有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的壩型，又是受力條件較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步論證加固方案的實(shí)用性，要關(guān)注工程加固后的運(yùn)行狀態(tài)。

[1] 鄭旌輝 紀(jì)清巖 王文禧. 漿砌石框格填碴壩應(yīng)力分析[J]. 海河科技. 1991.

[2] 華東水利學(xué)院主編. 水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 第四卷:土石壩. 中國(guó)水利水電出版社. 1984.

[3] 河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 河北省小龍?zhí)端畮斐U(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 2004.

[4] SL25-2006. 砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中華人民共和國(guó)水利部. 2006.

[5] 王文禧 鄭旌輝等. 框格填碴壩的結(jié)構(gòu)計(jì)算和經(jīng)濟(jì)分析[J].海河科技. 1988.