大型土壩壩體擋水建筑物工程設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性分析

李 影

(營口市河務(wù)管理處,遼寧 營口 115000)

錦州市市區(qū)供水水源大部分來源于地下水,但是隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,水資源超采、污染現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)國家、省、市相關(guān)要求,目前錦州市的地下水資源已不適合繼續(xù)開采,因此,建設(shè)地表水資源工程迫在眉睫。但是,小凌河干流上缺少大型控制性水利工程。通過對(duì)小凌河進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),該地區(qū)地形、水文、地質(zhì)等條件滿足修建大型水利樞紐工程[1]。此外,錦凌水庫建成后,對(duì)于解決錦州市市區(qū)缺水問題具有較大的作用。因此,興建錦凌水庫樞紐工程,深入開發(fā)小凌河水資源,對(duì)于解決錦州市市區(qū)嚴(yán)重缺水問題至關(guān)重要。

大型土石壩設(shè)計(jì)歷史悠久,研究方法較多,在本構(gòu)模型構(gòu)建方面：Duncan.J.M[2]通過運(yùn)用有限元方法確定了能夠適當(dāng)選取材料的本構(gòu)模型；顧淦臣,郭軍,朱亞林等[3]利用動(dòng)力彈塑性分析方法,揭示了地震對(duì)壩體切應(yīng)變、變形的影響規(guī)律,包承綱[4]等引進(jìn)了土動(dòng)力學(xué)理論,研究了長江三峽區(qū)域厚細(xì)砂沉積層的穩(wěn)定性和整體受力問題；陳群等[5]通過引進(jìn)并應(yīng)用飽和——非飽和滲流理論,分析了青海溝后大壩蓄水后庫水滲透問題,解決了非飽和滲流時(shí)土壩的穩(wěn)定問題；劉先珊,劉少煒,余永康[6]研究了包含防滲墻的土石壩體滲流情況,確定汛期壩體滲流場(chǎng),得到滲透坡降與材料滲透系數(shù)的關(guān)系。在壩體結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度方面：李星[7]通過分析水泥土攪拌樁擋墻強(qiáng)度和剛度變化,確定了其對(duì)基坑變形的單一影響因素。在壩體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方面：劉奉銀,劉國棟等[8]采用數(shù)值分析方法,研究了防滲墻深度與壩體滲流特性的關(guān)系；劉建軍等[9]在巖土飽和——非飽和滲流理論基礎(chǔ)上,對(duì)徑流水滲流進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,揭示了地下水水頭、壓力、水流流速等的變化規(guī)律；彭華[10]在這一研究方法和思路上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,揭示了迭代步間容水度變化曲線關(guān)系。

綜上可知,目前對(duì)于水利工程土石壩等的研究較多,對(duì)于考慮滲流穩(wěn)定性作用下土石壩體、土石混凝土混合壩體的理論、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等的研究理論也較為成熟[13]。但是,對(duì)于小凌河復(fù)雜地質(zhì)條件下土石壩施工及其穩(wěn)定性的研究目前尚存在不足和值得商榷之處,特別是壩體整體的應(yīng)力位移變化數(shù)值分析研究較少。

本文基于錦凌水庫小凌河土壩設(shè)計(jì)和施工技術(shù)、防滲防護(hù)技術(shù)和穩(wěn)定性分析研究以及目前尚存在的不足之處,對(duì)錦凌水庫擋水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了研究,并通過有限元模擬計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、變形等進(jìn)行了分析計(jì)算,通過定性和定量相結(jié)合的方法分析驗(yàn)證了該土壩壩體的穩(wěn)定性。本文的研究結(jié)論可為土壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全施工,保證壩體穩(wěn)定性和正常運(yùn)行等提供工程指導(dǎo)和借鑒。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1 水庫概況及其防汛標(biāo)準(zhǔn)

錦凌水庫位于小凌河要道,水庫容水量8.08×108m3,攔河壩頂最高為48.29m,具有用水、防洪、蓄水、保證用水安全等作用,水庫下游方向9.5km處為錦州市。根據(jù)水庫等級(jí)劃分：工程為大(2)型II等,永不撤除類關(guān)鍵構(gòu)筑物為2級(jí)；普通構(gòu)筑物(如下游右岸防沖導(dǎo)墻)為3級(jí)；可撤除類構(gòu)筑物則為4級(jí)。防汛標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 主要建筑物的防訊標(biāo)準(zhǔn)

2 土壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土壩分左、右岸兩部分,左岸土壩樁號(hào)為0+059.00m～0+558.00m,長度499.0m；右岸土壩樁號(hào)為0+855.50m～1+207.00m,長度351.5m。左、右岸土壩總長850.5m。具體壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。

2.2 土壩穩(wěn)定性計(jì)算

2.2.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范選擇粘土心墻結(jié)構(gòu)作為土壩的防滲體結(jié)構(gòu),壩體下游選擇表層排水。按水庫洪水調(diào)節(jié)運(yùn)行方式,滲流計(jì)算水位組合見表3。

表3 滲流計(jì)算水位組合表 單位:m

根據(jù)拉普拉斯方程：

(1)

式中，H—滲流平面域內(nèi)水頭；Kx、Ky—土體X、Y向滲透系數(shù)。通過計(jì)算,土壩滲流穩(wěn)定分析計(jì)算成果見表4。計(jì)算成果如圖1～3所示。

由表3可以得出：壩體滲透量小,心墻滲透坡降小于允許滲透坡降,符合規(guī)范要求。但是,壩腳滲透坡降大于允許值,不符合要求,需要加設(shè)排水體。排水體采用表面式貼坡排水,排水體尺寸高×寬為39.00m×2.0m。

圖4 典型剖面計(jì)算簡圖及滑弧位置

圖1 正常蓄水位滲流

圖2 設(shè)計(jì)水位滲流

圖3 校核水位滲流

2.2.2 壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算

壩體邊坡的穩(wěn)定應(yīng)根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算,正常運(yùn)用條件：K=1.35；非正常運(yùn)用條件I∶K=1.25。水庫水位降落期的安全系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，R—圓弧半徑;u—孔隙水壓力(土條底面)；γw—水的容量；W—條塊重量；α—通過條塊底面中心點(diǎn)的直線與此條塊的重力線之間的夾角;b—條塊寬度；Z—條塊底面中心與水庫存的距離(水庫位于條塊底面上方)；Q—水平地震慣性力(上負(fù)，下正)；c′、φ′—有效強(qiáng)度指標(biāo)；Mc—力矩(水平向地震慣性力對(duì)圓心)；V—垂直地震慣性力(上負(fù)，下正)。

壩體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表5。

表5 壩體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

壩坡抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見表6,典型剖面計(jì)算簡圖及滑弧位置如圖4所示。

由表5土壩壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果可知：在各組合荷載作用時(shí),土壩穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3 應(yīng)力及變形計(jì)算

3.1 沉降計(jì)算

粘土心墻竣工及最終的沉降量計(jì)算：

(3)

表6 土壩壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果

壩基最終沉降量計(jì)算：

(4)

式中，S∞—最終沉降量(壩基),m；hi—第i層土層厚度,m;n—土層分層數(shù)；Ei—第i計(jì)算土層變形模量,kN；ei0—第i層的起始孔隙比；Si—沉降量,m;Pi—第i計(jì)算土層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力,kN；eit—孔隙比(第i層相應(yīng)于竣工時(shí)或最終豎向的的有效應(yīng)力作用下)。

對(duì)壩體部分的沉降量計(jì)算時(shí),將壩體沿高度分成幾個(gè)土層,每一土層厚度以不大于1/5～1/10壩高為宜。本設(shè)計(jì)心墻高度為34.9m,每層厚度均為5.0m。在計(jì)算壩基部分的沉降量時(shí),對(duì)于均質(zhì)壩基,壩底寬度的1/4作為每一層厚度的最大值,本設(shè)計(jì)壩底寬度約190m,每一層厚度約47.5m,但實(shí)際壩基最大覆蓋層厚度為13.5m,采用實(shí)際厚度13.5m為分層厚度。經(jīng)計(jì)算,壩體總沉降量為904.1mm,施工期沉降量為673.5mm,壩基沉降量為165.5mm,則壩體最終沉降量為904.1-673.5+165.5=396.1mm。

3.2 應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求,壩體豎向應(yīng)力為計(jì)算點(diǎn)以上土柱重量。通過計(jì)算,蓄水期壩體豎向應(yīng)力最大值為0.334MPa,竣工期應(yīng)力最大值為0.571MPa,蓄水期壩體豎向應(yīng)力最大值為2.3MPa,竣工期最大值為0.833MPa。

4 有限元計(jì)算及其結(jié)果分析

選取剖面0+400.00為典型剖面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算采用總應(yīng)力法,將心墻、壩殼、防滲墻和砂礫地基視為整體結(jié)構(gòu),分別對(duì)壩基、壩體進(jìn)行應(yīng)變及應(yīng)力計(jì)算。

單元體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力均由三個(gè)分量來確定：

(5)

式中，εx—沿x坐標(biāo)方向的應(yīng)變；εy—沿x坐標(biāo)方向的應(yīng)變；μ—泊松比;γxy—沿y坐標(biāo)方向的應(yīng)變;E—彈性模量,MPa。

4.1 計(jì)算條件

材料的計(jì)算參數(shù)見表7。

表7 計(jì)算參數(shù)表

4.2 位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于受到壩體自重的影響,壩體沿著心墻及防滲墻為分界線,向上、下游產(chǎn)生較大變形,圖5和圖6分別為壩體竣工期間的豎向、水平位移云圖,圖7、圖8分別為壩體蓄水期間的豎向、水平位移云圖。

圖5 土壩豎向位移云圖

圖6 土壩水平位移云圖

圖7 土壩豎向位移云圖

圖8 土壩水平位移云圖

4.2.1 壩體位移和應(yīng)力

從以上圖中可看出上、下游水平位移最大值為14.0mm、13.0mm。心墻部位產(chǎn)生豎向最大位移,為214.0mm,壩高的0.65%為垂直沉降量。研究壩體應(yīng)力分布規(guī)律,可以得出其應(yīng)力分布從壩基向壩坡逐漸減小,從心墻向兩側(cè)逐漸減小,其等值線與壩坡平行。

竣工期,壩體水平方向大應(yīng)力為0.875MPa、小應(yīng)力別0.93MPa。壩體豎直方向應(yīng)力為0.597MPa。蓄水期,壩體水平方向大、小應(yīng)力分別為0.633MPa和0.082MPa,豎直方向應(yīng)力較竣工期小,為0.356MPa。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：壩體竣工期大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力基本相等,同時(shí)也適用于蓄水期壩體盈利變化,并與壩體的上覆自重較為接近。此外,小主應(yīng)力逐漸成水平方向,這主要是因?yàn)閴误w結(jié)構(gòu)受力均衡的結(jié)果。

4.2.2 粘土心墻位移

粘土心墻竣工期的水平位移較小,最大值為13.0mm。蓄水期,粘土心墻水平位移最大值增至30.0mm,位于心墻頂部,其值在通常范圍內(nèi)是允許的?？⒐て谛膲Υ怪蔽灰谱畲笾禐?12.0mm,蓄水期為218.0mm,均發(fā)生在心墻的中上部。粘土心墻水平位移與基礎(chǔ)防滲墻水平位移在沿高度方向上能夠表現(xiàn)光滑連續(xù),通過這一點(diǎn)可以得出接頭部位不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞和錯(cuò)動(dòng)。

4.2.3 混凝土防滲墻應(yīng)力

竣工期和蓄水期混凝土防滲墻豎直方向應(yīng)力最大值、水平方向應(yīng)力最大值為0.8MPa、0.6MPa。通過對(duì)兩種狀態(tài)下的應(yīng)力最大值比較分析,蓄水期的心墻各點(diǎn)靜水壓力小于該處的垂直應(yīng)力,該位置將不會(huì)產(chǎn)生水力劈裂、破壞現(xiàn)象。

壩體工程施工期間,必須對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、較大變形及其位移變化、原型觀測(cè)及數(shù)據(jù)等深入分析并及時(shí)修正,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和參數(shù)調(diào)整不斷進(jìn)行校核,以確保成果的準(zhǔn)確性和合理性。同時(shí),可以作為工程修正設(shè)計(jì)和制定工程措施的重要依據(jù),保障工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的順利進(jìn)行。

5 結(jié)語

(1)通過對(duì)土壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,確定了主要建筑物12項(xiàng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究內(nèi)容及其防汛標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了土壩擋水建筑物的設(shè)計(jì)參數(shù),通過構(gòu)建正常蓄水位滲流、設(shè)計(jì)水位滲流和校核水位滲流計(jì)算模型,對(duì)水位降落期的安全系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了研究,確定并計(jì)算了壩體的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)及其施工條件下的安全系數(shù)公式,通過各組合荷載相互作用,土壩穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)通過有限元分析,采用總應(yīng)力法分別對(duì)壩基、壩體進(jìn)行應(yīng)變及應(yīng)力計(jì)算。壩體的應(yīng)力分布從壩基開始逐漸向壩坡減小,切等值線與壩坡基本呈平行狀態(tài)。壩體在竣工期和蓄水期條件下,粘土心墻與混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力基本保持一致,垂直應(yīng)力與水平方向應(yīng)力基本一致,但是位移出現(xiàn)較大變化,通過位移變化可以反饋確定接頭部位的破壞情況。

(3)通過理論計(jì)算和有限元計(jì)算對(duì)土壩壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算,兩計(jì)算結(jié)果總體趨勢(shì)基本保持一致,且計(jì)算結(jié)果之間的差異較小,可以作為進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)依據(jù),并且可以作為工程修正設(shè)計(jì)和制定工程措施的重要依據(jù),保障工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的順利進(jìn)行。

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