大西溝水庫粘土心墻壩結(jié)構(gòu)布置分析

【摘要】以新疆大西溝水庫碾壓式粘土心墻建設(shè)為例，分析了心墻設(shè)計(jì)中軸線、厚度、過渡層的確定及其與周邊結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，并通過有限元計(jì)算對壩體結(jié)構(gòu)三維靜力進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】水庫；粘土心墻；結(jié)構(gòu)布置

大西溝水庫是烏魯木齊河上的龍頭水庫，水庫位于烏魯木齊縣。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模是大（1）型，主要建筑物包括樞紐由粘土心墻壩、溢洪道、泄洪兼導(dǎo)流洞及放水灌溉洞等建筑物組成。壩頂高程為1989.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高98.0m，壩長427.00m。工程選擇下壩址作為壩體軸線，下壩址呈不對稱“U”型谷，河床寬130m～140m，河床高程1922～1924m，左岸坡角40°～50°，右岸由沖積階地構(gòu)成臺(tái)階狀地形。

1、壩體結(jié)構(gòu)布置

1.1 心墻防滲體結(jié)構(gòu)布置

壩頂上游側(cè)設(shè)置L形C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程1990.40m，防浪墻高3.0m，墻頂高出壩頂1.2m。壩體上游壩坡為1：2.5，上游圍堰與壩體結(jié)合，堰頂高程1947.0m。在1966.0 m高程另設(shè)一條2.0 m寬的馬道，上游設(shè)0.25m厚砼護(hù)坡，護(hù)坡底高程為1933m，低于死水位2m。下游壩坡為1：2.25，在1960.0 m高程設(shè)一條2.0 m寬的馬道，下游坡腳處設(shè)頂寬3m的排水棱體，棱體頂高程1925m，下游設(shè)0.3m厚的干砌石護(hù)坡。為改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接，墻體軸線偏向上游側(cè)布置，防滲體軸線距壩軸線3.75m。

1.2壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)與過渡層的確定

壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、反濾料區(qū)、粘土區(qū)、反濾料區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫料區(qū)及排水料區(qū)。壩殼填筑砂礫料采用C2、C3料場的砂礫料，砂礫料的含泥量小于5%，相對密度不低于0.85。過渡層位于心墻的兩側(cè)，水平寬度上下游均為3m。過渡層厚度一般應(yīng)超過瀝青混凝心墻墻厚的2倍，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及過渡料的制備成本。理論計(jì)算過渡層厚度為1m，而實(shí)際確定厚度為3m。對于粘土心墻結(jié)構(gòu)而言，過渡層厚度越大，心墻施工控制難度越小。

2、壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析

應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果見表1。分析可知，壩體結(jié)構(gòu)最大沉降變形量為32.0cm，僅為大壩高度的0.56%。水庫蓄水運(yùn)行后，心墻水平位移量最大值為13.8，撓跨比不超過5%。心墻在竣工期第一和第三主應(yīng)力分別為1.35MPa、0.49MPa，運(yùn)行期為1.28MPa、0.52MPa。心墻與混凝土基座在不同時(shí)期的錯(cuò)動(dòng)量不同，蓄水運(yùn)行期錯(cuò)動(dòng)量沿水流方向和河床方向的最大值分別為6.2mm、9.8mm。綜合分析得到，粘土心墻具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，應(yīng)力分布較為合理，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形破壞，壩體結(jié)構(gòu)布局基本合理。

3、參數(shù)敏感性分析

同時(shí)，為了解不同填筑參數(shù)與材料對壩體位移變形造成的影響，對選取參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。敏感性分析參數(shù)為心墻模型參數(shù)Kb，按照數(shù)值的不同設(shè)計(jì)了四種模擬方案，各方案參數(shù)Kb從小到大依次為500、800、1000和1584。計(jì)算得到粘土心墻應(yīng)力、變形情況如表1和表2所示。分析可知，隨著Kb的增加，粘土心墻在水平和豎直方面的位移基本保持不變，而心墻結(jié)構(gòu)受力確出現(xiàn)明顯的變化。心墻第一主應(yīng)力與Kb成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)Kb超出或低于一定數(shù)值時(shí)，心墻第一主應(yīng)力均不再允許范圍之內(nèi)。

4、結(jié)語

相較于其他壩型心墻結(jié)構(gòu)，粘土心墻大壩在設(shè)計(jì)中也應(yīng)對過渡層厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制，過渡層厚度宜較厚，心墻厚度要綜合考慮大壩高度與大壩壩殼料可能的變形情況。有限元三維靜力計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)壩體結(jié)構(gòu)具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，壩體受力情況良好，不會(huì)出現(xiàn)不良變形破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)布局合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧銘江，夏新利，李湘權(quán)，等. 新疆粘土心墻砂礫石壩關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水利水電技術(shù)，2011，（11）：30-37.

[2]陸彥強(qiáng). 寒冷地區(qū)碾壓式粘土心墻壩設(shè)計(jì)[J]. 中國水運(yùn)（下半月），2016，03：320-321.

[3]鄧銘江，于海鳴，李湘權(quán). 新疆壩工技術(shù)進(jìn)展[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，（11）：1678-1687.

作者簡介：張文，男，（1979.07—），新疆哈密人，畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，工程師，研究方向：水利工程管理。