縱向增強(qiáng)體土石壩在馬頭山水庫中的應(yīng)用

陳 昊，王 彤 彤，龍 藝

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，北京 100011；3.四川省水利干部管理學(xué)校，四川 成都 610072)

0 引 言

縱向增強(qiáng)體土石壩[1]是一種新壩型，即以常規(guī)土石壩為依托，在其內(nèi)部“插入”集防滲與受力為一體的剛性結(jié)構(gòu)體(縱向增強(qiáng)體)，使大壩成為“剛?cè)嵯酀?jì)”的壩工結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)體既起到防滲體系作用，又起到結(jié)構(gòu)體作用。

筆者結(jié)合馬頭山水庫，重點(diǎn)對(duì)大壩壩體及縱向增強(qiáng)體心墻應(yīng)力變形進(jìn)行分析，用有限元方法分析壩體和增強(qiáng)體心墻的應(yīng)力變形情況，探討和研究新壩型的適用性，以指導(dǎo)馬頭山水庫工程設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)為類似土石壩工程提供了參考。

1 工程概況

會(huì)東縣馬頭山水庫[2]位于鲹魚河右岸一級(jí)支流官村河支溝冷水溝上游，是一座小⑴型水利工程。工程屬Ⅳ等小(1)型工程。馬頭山水庫主要由水庫樞紐和灌區(qū)渠系工程兩部分組成。水庫總庫容227.4萬m3，正常蓄水位2 456.40 m，選定壩型為混凝土防滲墻心墻石渣壩，最大壩高34.1 m。

壩線位于原馬頭山水庫壩址上游30 m處，正常蓄水位2 456.4 m，壩軸線長(zhǎng)142.3 m。工程段河床自然坡降6%左右，河谷寬42 m，為狹窄的V型谷。右岸山體雄厚，左岸為一低矮山脊，山脊頂部高程為2 460.78 m。河床上主要為沖洪積含礫壤土層；右岸岸坡局部為殘坡積含礫壤土層覆蓋，厚1～3 m，局部有6～8 m厚的原馬頭山水庫大壩土體，亦為含礫壤土層，緊鄰上游面為壩前崩積滑坡體，最大崩積體深度14.5 m。左岸岸坡大多裸露基巖，僅在坡腳局部有1～3 m的殘坡積含礫壤土層，壩址區(qū)下伏及裸露白堊系中統(tǒng)小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖。巖層產(chǎn)狀355 <20°。基巖強(qiáng)風(fēng)化厚度8～19 m。

縱向增強(qiáng)體土石壩持力層選擇的白堊系中統(tǒng)小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖，大壩基礎(chǔ)應(yīng)置于強(qiáng)風(fēng)化砂、泥巖上。防滲墻穿過填筑壩體石渣區(qū)，深入白堊系中統(tǒng)小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖基巖，其基礎(chǔ)應(yīng)置于強(qiáng)風(fēng)化砂、泥巖下限或弱風(fēng)化基巖上，地基承載力0.8～1.5 MPa。

2 大壩壩體和縱向增強(qiáng)體應(yīng)力變形分析

縱向增強(qiáng)體土石壩系沿壩軸線“插入”混凝土剛性防滲墻[3]( 與地下連續(xù)墻類似) ，墻體底部與基礎(chǔ)通過灌漿呈固端連接，從而形成整體防滲結(jié)構(gòu)?？v向增強(qiáng)體具有防滲、受力和抵抗變形 3 種作用。以最大壩高 (H= 34.1 m) 剖面進(jìn)行計(jì)算。

由于大壩穩(wěn)定分析計(jì)算和滲流穩(wěn)定計(jì)算與常規(guī)土石壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法相同，筆者重點(diǎn)介紹壩體和增強(qiáng)體心墻應(yīng)變應(yīng)力計(jì)算成果。

2.1 數(shù)值分析方法

對(duì)壩體、反濾過渡層、增強(qiáng)體心墻、基巖等，本研究壩體采用鄧肯-張非線彈性本構(gòu)模型[10-13]。

采用非線性有限元分析，即將壩體、地基與增強(qiáng)體防滲墻三者一體作增量法的非線性有限元計(jì)算，計(jì)算中考慮了土石料的非均勻性、應(yīng)力變形的非線性并模擬了施工與蓄水過程等。施工荷載工況以分級(jí)模擬填筑，蓄水過程，每級(jí)施工荷載工況又分多個(gè)荷載步。每個(gè)荷載步求解非線性方程組均采用中點(diǎn)增量法。離散有限元網(wǎng)格采用四邊形單元[21]。

2.2 應(yīng)力變形分析模型和施工過程模擬

2.2.1 計(jì)算模型

馬頭山水庫大壩應(yīng)力變形計(jì)算模型以典型設(shè)計(jì)斷面為基礎(chǔ)，建基面為實(shí)際施工開挖面，增強(qiáng)體心墻上下游河床段的清基線以下，增強(qiáng)體心墻底部深入強(qiáng)風(fēng)化基巖中下限。計(jì)算模型斷面和相應(yīng)的有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖1，剖分單元數(shù)為1 670個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 694個(gè)。

圖1 水庫大壩計(jì)算模型斷面

2.2.2 施工過程模擬

土石料和增強(qiáng)體心墻采用Duncan-Chang E-B或Duncan-Chang E-u模型，在墻體兩側(cè)設(shè)置接觸單元，模擬該部位材料性質(zhì)突變。將典型斷面按三維應(yīng)力問題考慮。計(jì)算分析軟件采用ABAQUS[5-8]。

計(jì)算模擬施工全過程，荷載分級(jí)按壩體填筑次序進(jìn)行，由于防滲墻是建在已運(yùn)行的壩體上，擬定施工期庫內(nèi)無水，施工過程采用一個(gè)加載級(jí)次模擬防滲墻澆筑，3個(gè)加載級(jí)模擬蓄水至正常蓄水位，高程為2 456.40 m。

表1 鄧肯模型(E-B)材料參數(shù)

2.2.3 參數(shù)選取

體填筑材料應(yīng)力變形模擬參數(shù)可見表2。

2.2.4 計(jì)算工況

計(jì)算方案主要針對(duì)不同工況下增強(qiáng)體心墻的應(yīng)力與變形分析。擬定2個(gè)分析方案，分別為完建期與正常蓄水期。

3 應(yīng)力變形計(jì)算成果

3.1 壩 體

根據(jù)以上給定的計(jì)算條件，各工況壩體應(yīng)力變形特征值見表2。圖2及圖3分別為典型設(shè)計(jì)斷面不同工況下壩體變形、應(yīng)力、應(yīng)力水平云圖。

表2 各方案下壩體應(yīng)力變形最大值統(tǒng)計(jì)

由表2及圖2、3可看出：

(1)壩體澆筑完成后，壩體在其自重的作用下，發(fā)生豎向與水平位移，豎向最大位移為32.99 cm，最大水平位移為19.24 cm，最大主應(yīng)力為0.629 MPa，最小主應(yīng)力為6.513 MPa。增強(qiáng)體心墻的澆筑完成時(shí)，壩體無明顯變形，隨后期水位的提升，在水壓力作用下，壩體應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，同時(shí)水平位移向下游增長(zhǎng)，其中，最大水平位移為20.32 cm。豎向位移同樣增長(zhǎng)，最大豎向位移為33.23 cm。最大水平位移出現(xiàn)在高程2 449 m處(接近2/3壩高)處，增強(qiáng)體心墻上游側(cè)。最大主應(yīng)力出現(xiàn)于增強(qiáng)體心墻下游墊層料內(nèi)。

(2)隨著增強(qiáng)體心墻變形模量的增加，壩體位移變化不大，可見壩體的變形主要受壩殼料的變形特性影響。

(3)從壩體的應(yīng)力水平看，完建期與蓄水期壩體應(yīng)力水平大部分均小于1 MPa，只在增強(qiáng)體心墻底部附近過渡材料內(nèi)局部單元應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa。

3.2 縱向增強(qiáng)體心墻

各種工況增強(qiáng)體心墻應(yīng)力變形特征值見表3。

由表3可看出：

(1)增強(qiáng)體心墻施工期基本無變形。蓄水期由于墻體受水壓力作用向下游發(fā)生水平位移，壩體填料與墻體相互制約，二者變形協(xié)調(diào)發(fā)展，由于墻體材料的剛度相對(duì)較大，抗變形性能好，能在一定程度上制約壩體變形。在水位達(dá)到正常蓄水位時(shí)，防滲墻向下游水平平均位移為5.82 cm，出現(xiàn)于墻體中部，豎向位移為5.26 cm。

圖2 完建期壩體應(yīng)力變形云圖

表3 各工況下增強(qiáng)體心墻應(yīng)力變形最大值統(tǒng)計(jì)

(2)完建期增強(qiáng)體心墻最大主應(yīng)力為0.625 MPa，最小主應(yīng)力為5.974 MPa；蓄水期最大主應(yīng)力隨水位上升而增加，正常水位時(shí)，最大主應(yīng)力為0.721 MPa，最小主應(yīng)力為5.956 MPa，均出現(xiàn)在墻體底部。

圖3 蓄水期壩體應(yīng)力變形云圖

圖4和圖5分別為蓄水期與完建期增強(qiáng)體心墻水平位移和豎向位移沿高程分布圖。圖6和圖7分別為增強(qiáng)體心墻大、小主應(yīng)力沿高程分布圖。圖8為墻體應(yīng)力水平沿高程分布圖，墻體下游側(cè)局部應(yīng)力較集中，應(yīng)力水平最大達(dá)1.7Mpa，應(yīng)力狀態(tài)良好。

總體而言，墻體應(yīng)力狀態(tài)良好，只是蓄水期墻底局部應(yīng)力較為集中，但不影響增強(qiáng)體心墻正常工作。

4 縱向增強(qiáng)體土石壩的特點(diǎn)

圖4 增強(qiáng)體心墻水平位移沿高程分布圖

圖5 增強(qiáng)體心墻豎向位移沿高程分布圖

圖6 增強(qiáng)體心墻最大主應(yīng)力沿高程分布圖

圖7 增強(qiáng)體心墻最小主應(yīng)力沿高程分布圖

圖8 增強(qiáng)體心墻應(yīng)力水平沿高程分布圖

由以上分析可看出縱向增強(qiáng)體土石壩的特點(diǎn)較常規(guī)土石壩優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)較為突出。

4.1 縱向增強(qiáng)體土石壩地基適應(yīng)性較廣

對(duì)地基要求較低，一般清理基礎(chǔ)表面腐殖土或清理至基巖面(強(qiáng)風(fēng)化上層)即可；甚至古滑坡堆積體可利用，大大的減少了大壩基礎(chǔ)開挖量和填筑量，節(jié)省了投資。

4.2 縱向增強(qiáng)體土石壩填筑工期短

首先由于對(duì)地基要求低，減少了大壩基礎(chǔ)的開挖和回填量，基礎(chǔ)處理工期大為縮短。接著是直接填筑大壩后再施工混凝土心墻，大壩填筑速度加快。而常規(guī)心墻壩，如：粘土、瀝青混凝土、泥巖石渣料等心墻填筑厚度較之壩殼料填筑厚度要薄得多，心墻填筑高度上升較慢，而兩者絕對(duì)高差不宜過大，一定程度影響了大壩填筑進(jìn)度，延緩了總體工期?？v向增強(qiáng)體土石壩加快了工程發(fā)揮效益的進(jìn)程。

4.3 向增強(qiáng)體土石壩提高了土石壩安全性能[4]

土石壩在超標(biāo)洪水發(fā)生時(shí)，漫頂迅速潰壩是致命性的。混凝土增強(qiáng)體心墻具有一定的剛性強(qiáng)度，大壩漫頂后，增強(qiáng)體心墻不會(huì)迅速遭到破壞從而使土石壩不會(huì)瞬間潰壩，可以有效延長(zhǎng)潰壩時(shí)間，為緊急搶險(xiǎn)和應(yīng)急避險(xiǎn)贏得時(shí)間，提高了土石壩的安全性能。

4.4 增強(qiáng)體心墻可以杜絕白蟻破壞

四川為盆地地形，氣候環(huán)境濕潤(rùn)，加之水庫土石壩心墻附近土壤濕潤(rùn)，適宜白蟻生存，我省土石壩白蟻危害較為嚴(yán)重。采用混凝土心墻土石壩結(jié)構(gòu)后，有效降低土石壩浸潤(rùn)線，白蟻喜好的濕潤(rùn)筑巢環(huán)境減少，杜絕了白蟻繁衍蔓延，減少了白蟻對(duì)大壩造成的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 縱向增強(qiáng)體土石壩施工工藝成熟，質(zhì)量易于控制[20-23]

縱向增強(qiáng)體土石壩的壩體填筑施工受天氣影響小，石渣體可作整體碾壓，施工工藝簡(jiǎn)單，較易控制；混凝土防滲墻已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水利水電建筑中的防滲處理，施工技術(shù)成熟，防滲處理較徹底，可靠性高，耐久性好。

但是，由于縱向增強(qiáng)體土石壩的心墻施工，專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)難度高，施工工序復(fù)雜，施工隊(duì)伍選擇須嚴(yán)格控制，大壩防滲的關(guān)鍵是心墻的質(zhì)量，施工隊(duì)伍不但需要專業(yè)的施工機(jī)械，還需有豐富增強(qiáng)體心墻施工經(jīng)驗(yàn)的施工人員。混凝土增強(qiáng)體心墻屬于剛性材料，變形協(xié)調(diào)能力較差，應(yīng)力較為容易集中，不適合應(yīng)用于中高壩。

5 混凝土增強(qiáng)體應(yīng)注意的問題

經(jīng)過工程實(shí)例研究分析，總結(jié)出設(shè)計(jì)此類壩型應(yīng)該注意的其它問題如下：

(1)混凝土增強(qiáng)體心墻下游主堆區(qū)石渣料盡量選用新鮮且強(qiáng)度較高(濕抗壓強(qiáng)度30 MPa以上)的石渣料填筑；

(2)為保證增強(qiáng)體心墻造孔成槽的順利進(jìn)行[14-19]，防滲墻軸線上、下游各2 m和4 m范圍填筑過渡石渣料，石渣料根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧锨闆r優(yōu)先選用泥巖石渣料，最大粒徑200 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量控制在30%～55%；

(3)為了達(dá)到良好的防滲效果，布置槽孔混凝土施工平臺(tái)的高程在正常水位以上0.1～0.3 m，二期現(xiàn)澆的混凝土心墻接頭部位在正常水位以上有利于形成整體防滲。

(4)必須在增強(qiáng)體心墻內(nèi)預(yù)埋灌漿管，接頭部位做好焊接處理。即可以減少二次鉆孔對(duì)心墻的損壞，又可以一定程度上提高混凝土心墻的剛性強(qiáng)度，從而形成縱向增強(qiáng)體。

6 結(jié) 語

作為一種新壩型，增強(qiáng)體土石壩按“剛?cè)嵯酀?jì)”的思路創(chuàng)新性地將常規(guī)土石壩和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，既是防滲體，又是結(jié)構(gòu)體，不僅有利于提高土石壩的防滲及安全穩(wěn)定性能，同時(shí)能夠發(fā)揮增強(qiáng)體受力及變形性能。馬頭山水庫是縱向增強(qiáng)體的又一成功工程應(yīng)用。該類壩型混凝土增強(qiáng)體心墻技術(shù)不僅適用于新建水庫大壩，同時(shí)也可以用于對(duì)中小型病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固、堰塞湖壩體的防滲加固處理后等，應(yīng)用前景廣闊。