混凝土面板堆石壩壩體設(shè)計(jì)及位移模擬

常陸軍

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

新地溝水庫位于新疆天山北坡中部，主要以保證灌區(qū)的灌溉、防洪及工業(yè)供水為主。該水庫壩址位于新地鄉(xiāng)新地溝河近出山口處，為一座攔河式山區(qū)水庫，屬Ⅳ等小(1)型水庫工程。工程由大壩、導(dǎo)流放水沖砂隧洞、溢洪道等組成，總庫容500萬m3，水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇。經(jīng)實(shí)地考察，該水庫大壩可采用三種基本壩型：黏土心墻壩、瀝青心墻壩、混凝土面板堆石壩[1]。從天然建筑材料儲(chǔ)量、地質(zhì)地形條件比較，三者均無制約因素，在此從大壩抗震及安全性、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行比較論證[2]，確定本工程采用混凝土面板堆石壩壩型，見表1。

表1 三種壩型對(duì)比

2 壩址區(qū)地質(zhì)條件

新地溝水庫位于新地溝近出山口處，河谷為不對(duì)稱“U”形，谷底寬度為60～150 m，兩岸海拔高程為1786～2000 m，相對(duì)高差約210 m，屬中山區(qū)，并隨河流方向呈南高北低，縱坡為6%。庫區(qū)出露的地層主要為石炭系(C3bgb-2)和第四系松散堆積物。

2.1 石炭系(C3bgb-2)結(jié)構(gòu)

石炭系主要分布在新地溝溝口以南地區(qū)，為一套淺海相碎屑巖和碳酸鹽巖，巖性為灰、灰黑、灰綠色薄-中厚層狀砂巖、灰?guī)r、生物灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖、砂礫巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖，總厚度約350 m。

2.2 第四系松散堆積物結(jié)構(gòu)

第四系松散堆積物包括洪積層、堆積層、沖積層。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，堆積層孔隙潛水埋深為0.5～1.5 m，局部產(chǎn)生地下水溢出形成泉水，其他巖層透水率均小于1 Lu，屬微透水，因此，水庫蓄水不會(huì)產(chǎn)生鄰谷滲漏問題。

3 混凝土面板堆石壩壩體設(shè)計(jì)

3.1 壩坡設(shè)計(jì)

(1)壩體上游壩坡設(shè)計(jì)為1∶1.60，鋼筋混凝土面板防滲，混凝土板底部設(shè)10 cm厚M10砂漿墊層；下游壩坡設(shè)計(jì)為1∶1.55，設(shè)計(jì)預(yù)制混凝土網(wǎng)格護(hù)坡，內(nèi)填干砌石，設(shè)兩級(jí)臺(tái)階。其中面板厚度d計(jì)算見式(1)[3]，經(jīng)計(jì)算得出d的范圍在0.35～0.45 m之間。

d=0.3+0.003H

(1)

式中：H為壩體最大水頭，m。

為提高混凝土面板堆石壩抗震性及安全性，本項(xiàng)目混凝土面板配置單層雙向鋼筋，起限裂、控制溫度裂縫作用，含鋼筋率為每向0.4%。為適應(yīng)壩體變化，對(duì)兩岸壩肩附近面板設(shè)張性垂直縫，間距6.0 m；壩體上壓性垂直縫間距為12.0 m，垂直縫和周邊接縫均設(shè)計(jì)兩道止水[4]。

(2)壩頂設(shè)1.2 m高鋼筋混凝土防浪墻，壩頂高程1751.80 m，最大壩高65.98 m，壩頂長470.0 m，壩頂寬6.0 m，設(shè)2%坡傾向下游，鋪設(shè)10 cm厚瀝青路面。

3.2 壩體分區(qū)

根據(jù)混凝土面板堆石壩分區(qū)原則，壩體分區(qū)自上游起依次為墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料、棄料堆石區(qū)。

(1)墊層料區(qū)：位于混凝土面板下部，起著支撐面板、均勻傳遞水壓力、防止面板和伸縮縫破壞的作用[5]。本項(xiàng)目要求墊層料自身滲透穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生滲透變形破壞，確定水平寬度均為3.0 m。墊層料沿兩岸基巖接觸面向下游適當(dāng)擴(kuò)大，延長長度為8 m，dmax=80 mm，小于5 mm含量為30%～50%，小于0.075 mm含量不大于8%，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s，設(shè)計(jì)相對(duì)緊密度dr≥0.85。

(2)過渡料區(qū)：位于墊層區(qū)下部，起著均勻傳遞水壓力、對(duì)墊層起反濾保護(hù)作用。并防止墊層區(qū)中的細(xì)料被沖蝕帶走而引起沉陷變形，水平寬度為4.0 m。要求dmax<150 mm，級(jí)配連續(xù)，設(shè)計(jì)相對(duì)緊密度dr≥0.85。

(3)主堆石料區(qū)：砂礫料區(qū)位于過渡料區(qū)下游，為壩體的主要承力區(qū)，壩體填筑控制指標(biāo)砂礫料相對(duì)密度為dr≥0.85。

3.3 壩基處理

河床段及左岸階地壩基設(shè)計(jì)采用混凝土防滲墻，深入基巖面1 m以上，設(shè)計(jì)墻厚60 cm；基巖面深度1 m以下采用帷幕灌漿防滲，布置一排灌漿孔，孔距2.0 m，控制灌漿深度至基巖面以下5 Lu 線位置[6]，本工程帷幕灌漿最大處理深度25 m(壩體斷面見圖1)。

圖1 壩體斷面結(jié)構(gòu)示意圖

4 位移模擬分析

壩體設(shè)計(jì)完成后，利用ANSYS有限元軟件對(duì)壩體各時(shí)期的位移進(jìn)行模擬，以保證壩體的安全性及穩(wěn)定性，也驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理。

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 模擬參數(shù)選取

為方便計(jì)算，將壩體化為平面應(yīng)變體系，順?biāo)较驗(yàn)閄軸，底部邊界為固定約束。靜力計(jì)算分兩個(gè)工況：竣工期、穩(wěn)定蓄水期。壩體各分區(qū)力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各分區(qū)力學(xué)參數(shù)選取

4.1.2 建立模型

模型遵循“庫倫-摩爾”準(zhǔn)則，面板采用線性本構(gòu)模型。模型構(gòu)建采用8節(jié)點(diǎn)四邊形單元，共有結(jié)點(diǎn)19 595個(gè)，塊體個(gè)數(shù)6420，具體模型見圖2。

圖2 有限元模擬模型

4.2 位移量模擬分析

4.2.1 竣工期壩體位移量分析

由圖3可知，大壩竣工后豎直方向沉降量最大約為65.91 mm；水平方向位移量最大為10.77 mm，均符合相關(guān)規(guī)范要求。壩體建成后通過實(shí)地觀測(cè)，其豎直沉降量最大為67.10 mm，水平位移量最大值11.21 mm，均和模擬值相差無幾，說明了模擬的準(zhǔn)確性。

圖3 竣工期豎直(左)和水平方向(右)位移量

4.2.2 正常蓄水期壩體位移量分析

在蓄水期(見圖4)，壩體豎直方向最大沉降量為80.48 mm，比竣工期增加了14.57 mm，位于大壩頂部；水平方向位移量最大為10.27 mm，相比于竣工期向上游方向移動(dòng)了0.94 mm，說明在靜水壓力作用下，對(duì)壩體上游水平位移影響較大，但位移量均符合相關(guān)要求。

圖4 蓄水期豎直(左)和水平方向(右)位移量

5 結(jié) 語

新地溝水庫壩體工程是重要項(xiàng)目，參照其他工程設(shè)計(jì)的混凝土面板堆石壩各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)模擬完全符合各項(xiàng)要求，并符合因地制宜原則。新地溝水庫工程建成使用后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行狀況良好，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，較好地解決了當(dāng)?shù)毓喔群头篮閱栴}。