銅灌口水庫(kù)面板堆石壩筑壩材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 貴州 遵義 563002)

銅灌口水庫(kù)面板堆石壩筑壩材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳清松，張文勝

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 貴州 遵義 563002)

筑壩材料特性的研究是面板堆石壩設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵工作之一。為了減少對(duì)工程區(qū)周邊環(huán)境的影響，加快施工進(jìn)度，充分利用當(dāng)?shù)厣皫r料和建筑物開(kāi)挖料，本文以銅灌口水庫(kù)混凝土面板準(zhǔn)石壩為例，對(duì)筑壩材料進(jìn)行了大型靜動(dòng)力三軸和大型流變?cè)囼?yàn)等室內(nèi)外試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了大壩靜力應(yīng)力變形特性的三維有限元分析、三維流變分析和壩坡穩(wěn)定分析，合理優(yōu)化壩體填筑材料，確定大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

銅灌口水庫(kù)； 面板堆石壩； 筑壩材料； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

銅灌口水庫(kù)工程位于貴州省習(xí)水縣的同民河中游，工程地處自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。壩址以上流域面積109.1km2，水庫(kù)正常蓄水位749m，總庫(kù)容1140萬(wàn)m3，為中型水庫(kù)Ⅲ等工程。工程建設(shè)主要任務(wù)為農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水。水庫(kù)樞紐工程主要建筑物有攔河大壩、洞室溢洪道、取水兼放空隧洞，攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86m，壩頂高程756m，壩體填筑量約142萬(wàn)m3。

壩址區(qū)地層巖性主要為白堊系夾關(guān)組下段砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖及泥巖。根據(jù)壩址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)條件，初步設(shè)計(jì)審批的壩體墊層料和過(guò)渡料采用距壩址約43.2km的土城集鎮(zhèn)附近的灰?guī)r料，主次堆石料主要取自位于壩址下游1km左岸坡料場(chǎng)開(kāi)采料，砂巖層間夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖含量為10%～15%左右。由于工程地處自然保護(hù)區(qū)，且進(jìn)場(chǎng)公路的通行能力不能滿足墊層料和過(guò)渡料壩體填筑的運(yùn)輸強(qiáng)度要求，不能達(dá)到大壩填筑度汛要求。另外，水庫(kù)樞紐區(qū)開(kāi)挖棄渣量大，對(duì)工程區(qū)周邊自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

為研究筑壩材料的工程特性，大壩墊層區(qū)和過(guò)渡區(qū)采用當(dāng)?shù)厣皫r填筑，優(yōu)化主次堆石區(qū)分區(qū)范圍，充分利用當(dāng)?shù)厣皫r料和建筑物開(kāi)挖棄渣料，減少工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，加快施工進(jìn)度，確保大壩填筑及度汛要求。在實(shí)施階段對(duì)筑壩材料進(jìn)行了大型靜動(dòng)力三軸、大型流變?cè)囼?yàn)等大量的室內(nèi)外試驗(yàn)研究，為壩體設(shè)計(jì)、壩坡穩(wěn)定分析、應(yīng)力應(yīng)變分析等提供必要的計(jì)算參數(shù)。結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了大壩靜力應(yīng)力變形特性的三維有限元分析、三維流變分析和壩坡穩(wěn)定分析，合理優(yōu)化壩體填筑材料，確定大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 筑壩材料的基本特性

筑壩材料特性分析是面板堆石壩設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵工作之一，更是壩體設(shè)計(jì)、壩坡穩(wěn)定分析、應(yīng)力應(yīng)變分析的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)筑壩材料進(jìn)行大型靜動(dòng)力三軸和大型流變?cè)囼?yàn)等室內(nèi)外試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

a.三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：堆石料應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈一定的應(yīng)變軟化，在剪切過(guò)程中堆石料不同程度出現(xiàn)剪脹，各種筑壩材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本符合“鄧肯—張”模型曲線。堆石料的強(qiáng)度特性呈非線性，其強(qiáng)度變形指標(biāo)總體上隨堆石料母巖性質(zhì)及密度的變化呈規(guī)律性變化。

b.滲流試驗(yàn)結(jié)果表明：主堆石區(qū)料的滲透系數(shù)為2.05×10-2cm/s。次堆石區(qū)料的滲透系數(shù)為9.78×10-3cm/s。與類似工程相比，主、次堆石區(qū)的滲透系數(shù)偏低，結(jié)合強(qiáng)風(fēng)化料隨著壩體運(yùn)行會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生劣化、崩解，大壩主、次堆石區(qū)的排水區(qū)應(yīng)采用弱風(fēng)化料填筑。

c.流變?cè)囼?yàn)結(jié)果顯示：圍壓和剪應(yīng)力均對(duì)堆石體流變有顯著影響，軸向流變隨圍壓和應(yīng)力水平的增加而增加，體積流變隨圍壓和應(yīng)力水平的增加而增加；剪應(yīng)變隨著應(yīng)力水平的增加而增加。

3 大壩靜力應(yīng)力變形特性分析

3.1 靜力計(jì)算分析

3.1.1 竣工期

上游側(cè)堆石順河向位移指向上游，最大值10.9cm；下游側(cè)堆石順河向位移指向下游，最大值14.9cm。大壩最大沉降部位位于1/2壩高處，最大沉降量為55.9cm，約占?jí)胃叩?.65%。

竣工期最大剖面的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力與上覆堆石厚度成正比，最大值位于壩軸線底部。主、次堆石分界面附近壩料的應(yīng)力水平較壩內(nèi)其他部位高，但最大值僅在0.65～0.74MPa之間，小于1.0，不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。

3.1.2 蓄水期

在水壓力作用下，壩軸線上游側(cè)堆石體指向上游的水平位移大幅減小，最大值2.8cm；壩軸線下游側(cè)堆石體指向下游的水平位移則進(jìn)一步增加，最大值18.0cm，可見(jiàn)上游側(cè)壩體受水壓力的影響較大。蓄水后壩體上游壩坡附近堆石體沉降增加顯著(最大值14.0cm)，但壩內(nèi)最大沉降量?jī)H由55.9cm增加至57.6cm。水壓力的作用范圍主要集中在壩軸線上游側(cè)堆石體內(nèi)。

靜水壓力的施加使大主應(yīng)力極值由1.47MPa增加至1.57MPa，但沒(méi)有改變大主應(yīng)力分布的規(guī)律。對(duì)于小主應(yīng)力，除壩軸線底部最大值由0.49MPa增加至0.53MPa以外，上游側(cè)壩體內(nèi)的分布規(guī)律有所改變，蓄水后上游側(cè)壩體內(nèi)特別是上游壩坡表面附近小主應(yīng)力增加較大，而下游側(cè)堆石體內(nèi)的小主應(yīng)力幾乎未受到蓄水的影響。由于水壓力方向與小主應(yīng)力方向接近，其作用使壩體(特別是上游側(cè)壩體)內(nèi)應(yīng)力水平有所降低，普遍低于0.6MPa，蓄水后壩料不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。

面板軸向位移以河谷中央為界，兩側(cè)基本呈對(duì)稱分布。兩側(cè)面板均向河谷中央位移，且面板位移峰值區(qū)均位于左右兩岸的陡坡處，最大值分別為2.4cm(指向右岸)和-2.4cm(指向左岸)。從壩底至壩頂，面板撓度先增大后減小，在河谷中央1/3壩高附近達(dá)到最大值，約為18.6cm，此處面板長(zhǎng)度約為145m，撓曲率約為1.28‰，在同類工程的常見(jiàn)范圍之內(nèi)。

蓄水期面板的應(yīng)力狀態(tài)良好，大部分區(qū)域內(nèi)面板處于三向受壓狀態(tài)。面板軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力均以壓為主，壓應(yīng)力極值為3.79MPa(壩軸向)和4.41MPa(順坡向)，均小于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度，故蓄水期面板不會(huì)出現(xiàn)壓碎破壞。面板僅在很有限的范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力僅為0.23MPa和0.50MPa，低于面板混凝土材料的抗拉強(qiáng)度，故蓄水期面板也不會(huì)出現(xiàn)拉裂破壞。

河床中央的周邊縫剪切位移較小，左、右兩岸坡附近周邊縫的剪切位移相對(duì)較大，左岸周邊縫剪切方向指向河谷中央，最大值約6.9mm；右岸周邊縫剪切方向亦指向河谷中央，最大值約8.0mm，均在周邊縫止水的可承受范圍之內(nèi)。周邊縫的沉陷均指向壩內(nèi)，最大沉陷亦位于兩岸陡坡處(分別為8.6mm和16.8mm)。相反，河床部位的面板所受水壓力較大，但其下堆石料處于三向受壓的良好應(yīng)力狀態(tài)下，變形模量高，位移反而小。蓄水后周邊縫全部處于拉開(kāi)狀態(tài)，左岸岸坡處最大張拉值為23.6mm；河床中央最大張拉值為23.5mm；右岸岸坡處最大張拉值為21.5mm?？傊?，周邊縫的沉陷和張拉亦在止水的可承受范圍之內(nèi)，蓄水后周邊縫是安全的。

蓄水后除左岸壩肩和右岸壩肩部位的垂直縫以及高陡岸坡附近的垂直縫處于拉開(kāi)狀態(tài)外，絕大多數(shù)垂直縫處于壓緊狀態(tài)。左岸壩肩部位的垂直縫最大張拉量為2.4mm；右岸壩肩部位的垂直縫最大張拉量為2.7mm，均遠(yuǎn)低于止水的極限抗拉范圍，故面板垂直縫不會(huì)出現(xiàn)張拉失效。

3.1.3 主、次堆石區(qū)范圍影響分析

為了更多利用開(kāi)挖棄渣料，該次優(yōu)化擬對(duì)主、次堆石區(qū)分界線進(jìn)行調(diào)整，以增加次堆石區(qū)用量。除原設(shè)計(jì)主、次堆石分界面坡比1∶0.5(向下游)外，另考慮了1∶0.3和1∶0.1兩種坡比情況進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表1)，以研究坡比改變后對(duì)壩體和防滲體系應(yīng)力變形特性的影響。經(jīng)計(jì)算，主、次堆石區(qū)分界面坡度變陡后，竣工期和蓄水期大壩的應(yīng)力變形特性、蓄水期面板和接縫系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性均未產(chǎn)生足以影響到大壩安全的變化。因此，可根據(jù)料源情況，通過(guò)改變主、次堆石分界面的坡比，更充分地利用開(kāi)挖棄渣料。

表1 主、次堆石分區(qū)方案對(duì)大壩應(yīng)力變形特性

3.1.4 堆石料性質(zhì)的影響分析

3.1.4.1 主、次堆石強(qiáng)風(fēng)化料含量的影響

主、次堆石強(qiáng)風(fēng)化料的含量過(guò)大壩應(yīng)力變形的影響見(jiàn)表2。

主、次堆石區(qū)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料含量分別增加至20%和30%時(shí)，壩體、面板和接縫的變形均有所增加，但防滲面板的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均低于混凝土的強(qiáng)度；周邊縫的三向變位同樣低于止水允許范圍，大壩仍是安全的。

表2 大壩應(yīng)力變形特性表

注為了試驗(yàn)樣品與料場(chǎng)開(kāi)采料更加吻合，真實(shí)模擬施工過(guò)程中的筑壩材料特性，試驗(yàn)用料按砂巖料場(chǎng)原始巖層層間夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖含量為10%～15%左右的比例人為摻加進(jìn)行試驗(yàn)，甚至考慮施工過(guò)程中機(jī)械挖裝和運(yùn)輸有更為集中的可能，把軟巖料的比例增加數(shù)倍(最大比例30%)進(jìn)行論證和復(fù)核。

3.1.4.2 墊層和過(guò)渡料性質(zhì)的影響

灰?guī)r料和砂巖料作為墊層和過(guò)渡料時(shí)大壩的應(yīng)力變形指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 灰?guī)r料和砂巖料作為墊層和過(guò)渡料時(shí)大壩的應(yīng)力變形指標(biāo)

從壩體和防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形的角度來(lái)看，墊層和過(guò)渡層采用砂巖料填筑滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 流變計(jì)算分析

大壩第2年流變位移增量相較于第1年變化很小，壩料流變主要在蓄水運(yùn)行后第1年內(nèi)，至第2年可基本穩(wěn)定。流變2年后，壩體最大沉降達(dá)到66.9cm，約占?jí)胃叩?.78%左右；面板撓度達(dá)到23.6cm，增量不大；面板的軸向應(yīng)力、順坡向應(yīng)力以及周邊縫和垂直縫的三向變形均未超出安全可控范圍，運(yùn)行期大壩仍是安全的。流變計(jì)算詳細(xì)成果見(jiàn)表4。

表4 三維流變計(jì)算的主要成果

3.3 壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)，土石壩施工、建成、蓄水和庫(kù)水位降落的各個(gè)時(shí)期不同荷載下，應(yīng)分別計(jì)算穩(wěn)定性?？刂品€(wěn)定的有施工期(包括竣工時(shí))、穩(wěn)定滲流期、水庫(kù)水位降落期和正常運(yùn)用遇地震四種工況，應(yīng)計(jì)算的內(nèi)容有：?施工期的上下游壩坡；?穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡；?水庫(kù)水位降落期的上游壩坡；?正常運(yùn)用遇地震的上下游壩坡。

計(jì)算中考慮了壩料強(qiáng)度的非線性特性。經(jīng)計(jì)算，主堆石為弱風(fēng)化砂巖料+10%泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料，次堆石為弱風(fēng)化砂巖料+20%泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料情況下的上、下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧及安全系數(shù)分別為1.773、1.711，均高于允許值1.25；主堆石為弱風(fēng)化砂巖料+20%泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料，次堆石為弱風(fēng)化砂巖料+30%泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料情況下的上、下游壩坡安全系數(shù)分別為1.716、1.664，亦高于允許值1.25。兩種條件下，壩坡的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4 筑壩材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)銅灌口水庫(kù)大壩筑壩材料試驗(yàn)和三維應(yīng)力變形分析成果，由于墊層料和過(guò)渡料所占?jí)误w體積較少，竣工期和蓄水期壩軸向水平位移、順河向水平位移、沉降以及壩體的大、小主應(yīng)力、面板的軸向位移等均未發(fā)生明顯變化；面板的拉、壓應(yīng)力仍低于面板混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度；周邊縫的剪切、沉陷和張拉，垂直縫的最大張拉，均在止水結(jié)構(gòu)可承受范圍之內(nèi)。故采用砂巖料場(chǎng)的微新砂巖(剔除原始巖層中軟巖料夾層)替代灰?guī)r料作為大壩墊層料和過(guò)渡料填筑。主、次堆石區(qū)中分別含10%(或20%)和20%(或30%)的泥質(zhì)粉砂巖、泥巖料時(shí)，無(wú)論是竣工期還是蓄水期，壩內(nèi)應(yīng)力水平均小于1，壩體不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞；面板的拉、壓應(yīng)力仍低于其強(qiáng)度要求，不會(huì)出現(xiàn)拉裂和壓碎破壞；面板周邊縫的剪切、沉陷和張拉，垂直縫的最大張拉量均低于止水結(jié)構(gòu)的允許變形量，面板接縫系統(tǒng)是安全的。同時(shí)，主、次堆石區(qū)分界面坡度變?yōu)?∶0.2后，壩體和面板的應(yīng)力變形特性及接縫系統(tǒng)的三向變位均不影響大壩的安全?？紤]到室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工的差異性，工程實(shí)際施工人為摻加的施工工藝復(fù)雜，可操作性和可控性差，極不利于工程施工質(zhì)量的保證。為確保大壩安全，保護(hù)工程區(qū)周邊環(huán)境，采用砂巖料場(chǎng)的開(kāi)采料(料場(chǎng)原始巖層層間夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖含量為10%～15%)或洞渣料(選用較新鮮砂巖料)作為主、次堆石區(qū)的筑壩材料是安全可靠的，且未被其他泥土污染，巖性和級(jí)配等性質(zhì)經(jīng)檢測(cè)合格，滿足堆石體質(zhì)量要求的開(kāi)挖棄渣料可填筑在壩體下游次堆石區(qū)或堆至上游石渣蓋重區(qū)，須嚴(yán)格控制上壩堆石料中軟巖料的比例在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)。下頁(yè)圖為優(yōu)化設(shè)計(jì)后大壩的剖面圖。

通過(guò)筑壩材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，墊層、過(guò)渡料充分利用當(dāng)?shù)夭牧?微新砂巖料，剔除原始巖層中軟巖料夾層)，主、次堆石區(qū)均可采用砂巖料場(chǎng)的開(kāi)采料(料場(chǎng)原始巖層層間夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖含量為10%～15%)填筑，合理利用經(jīng)檢測(cè)合格、滿足堆石體質(zhì)量要求的開(kāi)挖棄渣填筑在壩體下游次堆石區(qū)或堆至上游石渣蓋重區(qū)。在確保工程安全、質(zhì)量的前提下，墊層、過(guò)渡料填筑優(yōu)化減少了外購(gòu)料的運(yùn)輸，緩解了對(duì)外交通公路的壓力；棄渣料的利用，減少棄渣量約35萬(wàn)m3，減少棄渣場(chǎng)征地約10畝，同時(shí)節(jié)省工程投資約2000余萬(wàn)元，減輕了對(duì)環(huán)境的影響，更重要的是保護(hù)了工程所在自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境。

優(yōu)化設(shè)計(jì)大壩剖面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

銅灌口水庫(kù)工程開(kāi)展了大壩筑壩材料的室內(nèi)試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了大壩靜力應(yīng)力變形特性的三維有限元分析、三維流變分析和壩坡穩(wěn)定分析，合理優(yōu)化主次堆石區(qū)分區(qū)范圍，充分利用當(dāng)?shù)厣皫r料和建筑物開(kāi)挖棄渣料作為筑壩材料。在保證工程安全的同時(shí)，合理優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)，節(jié)省工程投資效果顯著，更重要的是保護(hù)了工程區(qū)周邊環(huán)境，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)有較好的借鑒作用。

[1] 南京水利科學(xué)研究院.銅灌口水庫(kù)工程大壩筑壩材料試驗(yàn)及三維應(yīng)力變形分析研究報(bào)告[R].2013.

[2] 遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.銅灌口水庫(kù)工程大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2013.

[3] SL 228—2013混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Optimal Design on Dam Construction Materials for Concrete Faced Rockfill Dam of the Tongguankou Reservoir

Chen Qing-song, Zhang Wen-sheng

(ZunyiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Zunyi,Guizhou563002)

The study on characteristics of dam construction materials is the one of key tasks in the design of concrete faced rockfill dam. In order to reduce the influence on surroundings of the project area, speed up schedule of construction and make the best of the local sandstone and building excavated materials, this paper studies the interior and outdoor tests such as the large-.scale static dynamic tri-.axial and rheological tests for the dam construction materials taking an example of concrete face rockfill dam of the Tongguankou Reservoir. On the basis of the test results, the 3-.dimensional finite element, 3-.dimensional rheological and dam slope stability analyses are carried out on the characteristics of the dam static stress deformation. The dam body filling materials are optimized rationally, and the dam design scheme is determined.

Tongguankou Reservoir; concrete faced rockfill dam; dam construction material; optimal design

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03