新型混凝土-堆石混合壩的基本力學(xué)特性

劉漢龍，劉彥辰，楊 貴，陳育民

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)安全與防災(zāi)工程研究所，江蘇南京 210098)

在水庫壩型發(fā)展的過程中，堆石壩和混凝土壩一直沿著兩條不同的路線發(fā)展［1-3］。堆石壩的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用當(dāng)?shù)靥烊徊牧?，避免運(yùn)輸大量的建筑材料，施工簡單，抗震性能好，對不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等。但是心墻堆石壩容易產(chǎn)生拱效應(yīng)，從而產(chǎn)生心墻裂縫及水力劈裂［4-5］等問題，導(dǎo)致壩體滲透破壞，并且心墻堆石壩體積很大，因而土石方開挖量和筑壩方量都很大。面板堆石壩抵抗不均勻沉降的能力差，對壩體變形要求較高，因此對筑壩材料的要求也比較高。

混凝土壩的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量安全可靠，但是混凝土重力壩對地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性差，一般要建在完整的基巖上，而混凝土拱壩需要有堅固的壩肩作為支撐?；炷翂斡捎邶嫶蟮捏w積，澆筑時需要有嚴(yán)格的溫度控制措施，并消耗大量的水泥、鋼筋等建筑材料，會對自然環(huán)境造成較大破壞，而且混凝土壩一般修建在偏僻的山區(qū)，大量的水泥、砂石材料運(yùn)輸會比較困難。

堆石壩和混凝土壩的結(jié)合始于碾壓混凝土這種材料的出現(xiàn)。碾壓混凝土壩具有節(jié)約水泥、施工簡便、工期短和造價低等優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上具有顯著的優(yōu)勢。然而，在碾壓混凝土壩得到迅猛發(fā)展的同時，它在滲流控制［6］、層面穩(wěn)定性［7］及溫控措施［8］等方面的問題仍然引起了工程技術(shù)人員的擔(dān)憂。既然在施工方法上堆石壩可以和混凝土壩結(jié)合，那么在剖面選擇與設(shè)計思想上是否也可以同時吸收堆石壩和混凝土壩的優(yōu)點(diǎn)?以前曾有類似的想法，但用于大壩加固，比如美國加利福尼亞州的直布羅陀拱壩曾考慮采用下游接堆石的方法來加固?；谶@種想法，筆者開發(fā)了混凝土-堆石混合壩這一新壩型，并提出相應(yīng)的施工方法(專利號:ZL200910185327.X)［9］，使其達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、施工方便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等目的。

本文以某大壩為參考對象，從力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面對混合壩進(jìn)行初步探討。

1 混凝土-堆石混合壩技術(shù)

混凝土-堆石混合壩(以下簡稱混合壩)技術(shù)的典型斷面見圖1。

圖1 典型混合壩示意圖Fig.1 Sketch map of typical combination dam

混合壩的技術(shù)特征如下:

a.混合壩是由混凝土墻和堆石體組合形成的一種新型壩體結(jié)構(gòu)形式，其壩體包括混凝土墻、堆石體、支墩連接段、墊層和過渡層。支墩連接段設(shè)置在堆石體中，與混凝土墻整體澆筑，并深入堆石體一定深度，用于兩種不同材料之間的交接，以增加壩體整體性;墊層和過渡層設(shè)置在混凝土墻和堆石體之間，墊層主要起平整上游混凝土墻、保證墻體有穩(wěn)定受力狀態(tài)的作用，過渡層起保護(hù)墊層和協(xié)調(diào)變形的作用;在壩體的上游壩腳和下游壩腳處分別設(shè)置上游堆石和下游堆石，起到壓重和增強(qiáng)壩體整體穩(wěn)定性的作用。

b.混合壩上游為混凝土墻，下游為堆石體?；炷翂κ且粋€較薄的擋水體，因此與普通的堆石壩相比體積大幅度減小，減少了原普通堆石壩上游壩體的堆石體開挖量，節(jié)省了堆石料用量，從而降低了成本。下游壩體采用堆石體壩身，可充分利用當(dāng)?shù)氐奶烊徊牧?，與普通的混凝土重力壩相比，減少了下游壩體混凝土的用量，節(jié)省了大量混凝土，且壩體適應(yīng)覆蓋層地基變形的能力強(qiáng)。同時該壩型是堆石壩和混凝土壩兩種壩型的結(jié)合，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，沒有增加施工的技術(shù)難度。

c.支墩連接段為一組呈梳齒狀排列的三角形混凝土支墩，與混凝土墻整體澆筑，自混凝土墻向堆石體內(nèi)延伸并深入堆石體中。根據(jù)混合壩的壩體長度，支墩之間的距離為20～50 m，深入堆石體壩身的長度(支墩底部長度)為壩高的1/3～1/2。

d.墊層緊貼混凝土墻，厚度為2～6 m，采用連續(xù)級配細(xì)石料，比如石料最大粒徑一般小于80 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為35% ～55%，小于0.1 mm的顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4% ～8%，有較高的變形模量和良好的壓實性能，壓實達(dá)到設(shè)計要求。墊層的主要作用是為混凝土壩身提供良好的支撐，使作用在混凝土墻上的荷載經(jīng)過墊層均勻地傳遞到整個堆石體和壩基上，同時緩和下游堆石體變形對墻體的影響，改善墻體應(yīng)力狀態(tài)。

e.墊層和堆石體之間為過渡層，厚度為2～6 m，通常所用石料最大粒徑為300 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量少于17%，粒徑小于0.1 mm的顆粒含量少于7%。

f.壩體防滲由上游混凝土墻承擔(dān)，壩基防滲可根據(jù)情況采用帷幕灌漿或混凝土防滲墻，壩體和壩基之間可通過連接板和趾板連接。這樣，墻體-連接板-趾板-防滲墻(帷幕灌漿)形成完整的防滲系統(tǒng)。與普通心墻堆石壩以心墻作為防滲體相比，混合壩壩身具有更高的強(qiáng)度和防滲性能，壩體安全性能更高;與普通面板堆石壩以面板作為防滲體相比，混合壩適應(yīng)壩體變形的能力提高，且不會產(chǎn)生因為面板裂縫導(dǎo)致滲流破壞現(xiàn)象。

g.混合壩的施工步驟如下:(a)整體澆筑混凝墻和支墩連接段到第一級高程;(b)第一級高程混凝土墻和支墩連接段混凝土養(yǎng)護(hù)后，填筑墊層和過渡層到第一級高程;(c)填筑堆石體到第一級高程;(d)如果施工高程未達(dá)到壩頂高度則重復(fù)步驟(a)～(c)，達(dá)到的話就進(jìn)行下一級高程壩體澆筑，直到完成整個壩體的施工;(e)填筑堆石壓重。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

本文以某工程為原型，壩頂高程為960.00 m，最大壩高為60 m。混合壩計算以其為參考對象，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計算，進(jìn)一步與該壩的計算結(jié)果進(jìn)行比較。擬定混合壩的截面尺寸如下:壩高H=60 m，墻頂寬度t1=1 m，坡比m=0.2，支墩寬度w=2 m，支墩間距s=20 m，支墩長度l=40 m，支墩高度h=30 m。

圖2 混凝土墻三維有限元網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional finite element mesh of concrete wall

根據(jù)壩體的材料分區(qū)并考慮到大壩的施工順序，對選定的計算斷面進(jìn)行單元剖分。混凝土墻是整個大壩的核心，也是研究的重點(diǎn)，因而此部分的單元劃分較密，沿厚度方向共劃分了5層單元，如圖2所示。壩體共計7338個單元、9361個節(jié)點(diǎn)，單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體線性完全積分單元，即C3D8。該心墻壩網(wǎng)格圖略。本文將對建在基巖上的相同壩高的兩個壩型進(jìn)行比較。

2.2 計算參數(shù)

堆石、墊層和過渡層采用鄧肯-張E-ν非線性彈性模型，計算模型參數(shù)與該心墻堆石壩計算參數(shù)一致，見表1?；炷翂Σ捎镁€彈性模型，彈性模量E=25.5 GPa，泊松比ν=0.17，密度ρ=2.4 g/cm3。壩基也采用線彈性模型，彈性模量E=30 GPa，泊松比 ν=0.2，密度 ρ=2.4 g/cm3。

計算中按照大壩實際的填筑及運(yùn)行過程進(jìn)行模擬，即首先連續(xù)填筑壩體至壩頂，然后蓄水，總共14個加載級。第1～10步模擬大壩連續(xù)填筑過程，其中，混凝土先于堆石填筑，從壩基面逐步上升至壩頂;第11～14步模擬水庫水位逐漸上升至正常蓄水位的過程。

3 計算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

3.1.1 混凝土墻

混凝土墻在混合壩體系中起著壩身防滲等主要作用，它的受力特性極為重要。在竣工期混凝土墻主要受重力和墻后土壓力的作用，蓄水后受到重力、上游水壓力、壩底揚(yáng)壓力和墻后土壓力的共同作用?；炷翂Φ目够€(wěn)定和應(yīng)力穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)暫時按重力壩設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，暫不考慮溫度荷載的影響。

混凝土墻受到的土壓力分布如圖3所示，可以看出，由于模型的底部邊界及側(cè)邊邊界的約束作用，在混凝土墻的底部，土壓力計算值與庫倫土壓力計算值之間存在一定的偏差。這種位移模式也就是通常所說的擋墻繞墻底端轉(zhuǎn)動，即RB模式［10］。在這種位移模式下，水平土壓力分布呈明顯的非線性，大致為底部壓力不為零的拋物線分布，與王仕傳等［11］計算結(jié)果的剛性擋土墻背后主動土壓力趨勢類似，數(shù)值略小。蓄水后，由于支墩存在，承擔(dān)了大部分的水壓力，對土壓力分布沒有太大的影響。進(jìn)一步計算可以得到，合力作用點(diǎn)位于墻底以上0.34H處，按庫倫主動土壓力理論，合力作用點(diǎn)應(yīng)位于墻底以上0.33H處，有限元計算結(jié)果之所以大于庫倫土壓力的理論值，主要是因為邊界條件造成混凝土墻底部土壓力小于直線分布土壓力值。該結(jié)果與陳頁開［10］的研究結(jié)果相符。

表1 鄧肯-張E-ν模型參數(shù)Table 1 Parameters of Duncan-Chang E-v model

混凝土墻受到的彎矩如圖4所示(以上游面受拉為正)。在竣工時，墻體的彎矩從上到下逐漸增大，頂部增長較緩慢。墻體以受壓彎為主，墻后土壓力產(chǎn)生的彎矩使墻體上游面受壓、下游面受拉，自身重力使墻體受壓。計算結(jié)果顯示，墻體受重力作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于由土壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以竣工期墻體不會出現(xiàn)拉應(yīng)力。相應(yīng)地，在蓄水期水壓力起主要作用，使混凝土墻上游面受拉，最大拉應(yīng)力為2 MPa，出現(xiàn)在墻踵位置，略高于混凝土的抗拉強(qiáng)度，與重力壩類似。但有限元計算結(jié)果通常在墻踵處最大拉應(yīng)力會略高于實測值［12］，主要是由于墻踵角緣區(qū)的奇異性使有限元解答在此部位失真，但此范圍很小。楊清平等［13］用主拉應(yīng)力相對寬度brl=b/B×100%來表示壩踵處主拉應(yīng)力的分布(其中b為混凝土墻底主壓應(yīng)力寬度;B為混凝土墻底寬度)，利用此公式算得brl=12.5%，該結(jié)果與重力壩結(jié)果相近，說明混凝土墻的應(yīng)力是在可接受范圍之內(nèi)的。同時，為了提高安全性，可以在混凝土墻內(nèi)部布置適當(dāng)?shù)氖芾摻?，限制裂縫的發(fā)展。

對于混合壩沿壩底地基面的抗滑穩(wěn)定，可參考重力壩相關(guān)規(guī)范［14］，本文采用抗剪強(qiáng)度公式K=f∑W∑P，得到竣工期Kc=1.7，蓄水期Kw=1.2，2個結(jié)果都大于容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)［K］(［K］取1.1)，所以混凝土墻滿足抗滑穩(wěn)定要求。

圖3 土壓力分布Fig.3 Distribution of earth pressure

圖4 典型彎矩分布Fig.4 Distribution of typical bending moment

3.1.2 支墩

支墩受到的豎向應(yīng)力等值線見圖5。在竣工期，支墩受到墻背后主動土壓力水平分力(即承受兩相鄰支墩的跨中至跨中長度與支墩高度h范圍內(nèi)及上部的土壓力)、支墩和墻體自重以及土壓力豎向分力的作用，支墩最大的豎向壓力為2.3 MPa。蓄水后增加的水壓力也主要由支墩承擔(dān)，豎向壓力增加至5.4 MPa。支墩可視為錨固在壩基上的“T”形變截面懸臂梁［15］，墻面作為該“T”形梁的翼緣板，以受彎剪為主。

土壓力除了對支墩產(chǎn)生彎矩外，還會產(chǎn)生剪力。支墩受到的最大主拉應(yīng)力(約3 MPa)出現(xiàn)在蓄水期支墩與混凝土墻連接處很小的范圍內(nèi)，可以通過布置適當(dāng)?shù)氖芾?、剪鋼筋解決。由于拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游部分，對滲流無較大影響。

3.1.3 堆石體

計算得到堆石在蓄水期的應(yīng)力水平等值線如圖6所示，堆石體大部分區(qū)域的應(yīng)力水平為0.3～0.5，最大值出現(xiàn)在堆石中上部，約為0.8。該心墻堆石壩應(yīng)力水平計算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?壩體內(nèi)除心墻的部分區(qū)域應(yīng)力水平達(dá)到0.8，大部分區(qū)域為0.4～0.6。對比可以看出，混合壩堆石體的應(yīng)力水平略低于心墻壩。主要原因如下:(a)混凝土墻的影響，對于混合壩，墻體承擔(dān)了部分的土壓力，使最大主應(yīng)力向下游移動，最大值位于堆石下游38 m左右，而心墻堆石壩則位于壩軸線處。(b)下游坡比不同，混合壩下游坡比和面板壩相似(為1∶1.5左右)，而心墻堆石壩的坡比往往取值較小，為1∶2左右。壩坡越緩，會導(dǎo)致壩體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力越大。所以混合壩的應(yīng)力水平更低，穩(wěn)定性更好。(c)心墻堆石壩由于壩體上游堆石、過渡層浸水減載作用，主應(yīng)力減小，該區(qū)域應(yīng)力水平較高;混合壩類似現(xiàn)象不明顯。

圖5 支墩豎向應(yīng)力等值線(單位:MPa)Fig.5 Vertical stress isoline of counterfort(units:MPa)

圖6 蓄水期堆石壩應(yīng)力水平等值線Fig.6 Stress level isoline of rockfill dam during water storage period

3.2 變形分析

3.2.1 混凝土墻

根據(jù)受力狀態(tài)分析，表明混凝土墻在竣工和蓄水

工況所受彎矩不同，導(dǎo)致墻體水平位移存在差異。計算得到的水平位移分布見圖8?？⒐r，混凝土墻承受背后主動土壓力，使混凝土壩段有向上游傾斜的趨勢;蓄水后，水壓力使混凝土壩段有向下游傾斜的趨勢。水平位移的最大值出現(xiàn)在蓄水期兩支墩中間的壩頂，大約為37 mm，占壩高的0.06%。另外，在壩高30 m以下部分，由于支墩對混凝土墻的作用，使水平位移變化不大;在壩高30 m以上部分，水平位移明顯增加。

由于混凝土墻的剛度很大，加之支墩的限制，所以水平位移沿著墻軸線幾乎沒有變化。

圖7 蓄水期心墻堆石壩應(yīng)力水平等值線Fig.7 Stress level isoline of core rockfill dam during water storage period

圖8 混凝土墻水平位移(順河向為正)Fig.8 Horizontal displacement of concrete wall

3.2.2 支墩

計算得到支墩在竣工期和蓄水期的水平位移分布見圖9。

分析支墩在不同工況下的位移分布可以看出:不同工況下位移比較接近，隨著壩體高程增加，位移非線性增大，增大的速率也越來越大。由于支墩在連接處的位移與混凝土墻協(xié)調(diào)，所以支墩整體在竣工期有向上游位移、蓄水期向下游位移的狀況，最大位移不超過1 cm。

圖9 支墩水平位移等值線(單位:mm)Fig.9 Horizontal displacement isoline of counterfort(units:mm)

3.2.3 堆石體

計算得到混合壩堆石體在竣工期的水平位移分布見圖10。該心墻堆石壩竣工期的水平位移分布見圖11?？⒐て冢咽饕艿阶陨碇亓ψ饔?，因為混凝土墻的水平位移很小，可將堆石體近似看作是心墻堆石壩的下游堆石，其水平位移分布與心墻堆石壩很接近。水平位移最大值出現(xiàn)在下游中部壩坡處，為11 cm。同樣地，混合壩中堆石和心墻堆石壩最大豎向位移皆出現(xiàn)在堆石中間位置，最大值為21 cm左右。

由應(yīng)力分析可知，蓄水對混凝土墻后土壓力的分布影響不大，水壓力主要由支墩承擔(dān)，所以蓄水后混合壩下游的堆石水平位移分布與圖9基本一致。同樣，蓄水對混合壩的沉降變化影響不明顯，僅增加了3 cm左右。而蓄水對心墻堆石壩影響很大，因為心墻堆石壩的上游堆石必須考慮到水的浮力、濕化等影響。

此外，對于心墻堆石壩，由于心墻和周圍堆石的模量相差較大，因此容易產(chǎn)生拱效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致心墻劈裂，破壞防滲體系，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。混合壩則不存在類似的情況。

圖10 竣工期堆石體水平位移等值線(單位:cm)Fig.10 Horizontal displacement isoline of rockfill at completion time(units:cm)

圖11 竣工期心墻堆石壩水平位移等值線(單位:cm)Fig.11 Horizontal displacement isoline of core rockfill dam at completion time(units:cm)

4 經(jīng)濟(jì)環(huán)保分析

靜力分析表明，混合壩在靜力計算方面能取得比堆石壩好的結(jié)果，是安全可靠的。經(jīng)濟(jì)性方面，心墻堆石壩和混合壩比較的前提條件是基本相同的，即壩址、壩基開挖工程量、施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、安全檢測設(shè)備采購及安裝工程量等。圖12顯示的是心墻堆石壩和混合壩的復(fù)合斷面(地平面以上部分)。虛線表示混合壩比心墻堆石壩減少的部分。易看出，混合壩使用薄型混凝土墻體來代替心墻堆石壩的上游堆石，從而大幅度縮小了壩體的斷面。進(jìn)一步計算表明，與心墻堆石壩相比，對于單位長度的壩體，新型混凝土-堆石混合壩的混凝土用量增加了420 m3，但是土方量卻減少了56%。如果考慮到其他因素，比如施工速度、對環(huán)境的影響，混合壩的經(jīng)濟(jì)前景將更加顯著。與心墻堆石壩相比，雖然單位體積混凝土的單價高于填土或堆石的單價，但采用混合壩可以大幅度縮小壩的橫剖面，從而減少壩體總的土方量。

環(huán)保性方面，由圖12可知，混合壩的堆石用量僅占堆石壩的44%左右，這就意味著可以減少開山采石，能夠降低危害的發(fā)生。

此外，如果單純采用混凝土壩型，將消耗大量的混凝土材料，不但增加運(yùn)輸成本，而且使用大量的水泥增加碳排放。

5 結(jié) 語

提出了一種混凝土墻-堆石混合壩技術(shù)。以某心墻堆石壩為參考對象，建立混合壩模型并開展了數(shù)值模擬分析，與該心墻堆石壩計算結(jié)果比較，得出如下結(jié)論:(a)混合壩受力結(jié)構(gòu)形式合理，混凝土墻和支墩所受最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都在合理范圍內(nèi)。(b)與心墻堆石壩相比，混合壩堆石的應(yīng)力水平和位移明顯減小，并且蓄水后其下游堆石應(yīng)力水平和位移影響顯著小于心墻堆石壩。(c)混合壩的單位長度經(jīng)濟(jì)性好于心墻堆石壩，經(jīng)濟(jì)性很明顯?；旌蠅味咽昧績H占心墻堆石壩的44%左右，可以減少開山采石對自然環(huán)境的破壞。

總之，該新壩型吸取了混凝土壩和心墻壩兩種壩型的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，降低了造價，是一種較為經(jīng)濟(jì)實用的壩型。但混合壩作為一種新型壩體，其溫度應(yīng)力、滲流穩(wěn)定性和壩基適用條件等還需進(jìn)一步開展研究。

圖12 混合壩和心墻堆石壩的復(fù)合斷面Fig.12 Compound section of combination dam and core rockfill dam

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