幫東河水庫(kù)大壩工程技術(shù)方案比選

梁 堅(jiān)

(云南省昆明市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650231)

1 概述

1.1 工程概況

擬建幫東河水庫(kù)位于云南省臨滄市鎮(zhèn)康縣忙丙鄉(xiāng)麥地河上，建設(shè)目的是解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水及集鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水。水庫(kù)總庫(kù)容1396×104m3，為Ⅲ等中型水庫(kù)，其中擋水大壩壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高超過(guò)70m，按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。壩頂高程1631.60m，壩頂寬10m，壩頂長(zhǎng)279m，最大壩高87.2m。上游壩坡坡比為1∶1.4，防滲面板為C25鋼筋混凝土，厚度為0.35～0.63m，面板垂直分縫寬度為9m，趾板厚度70cm，寬度8m；下游壩坡分3級(jí)，坡比均為1∶1.4。

壩體筑料自上游至下游分為四區(qū)：墊層區(qū)(2A區(qū))水平寬度3.0m；趾板與面板交接部設(shè)置特殊墊層區(qū)即2B區(qū)；過(guò)渡層區(qū)(3A區(qū))水平寬度4.0m；主堆石區(qū)(3B區(qū))；下游堆石區(qū)(3C區(qū))位于壩體下游側(cè)，其中3C區(qū)是否設(shè)置取決于右岸壩基坍滑堆積體開(kāi)挖料能否利用。

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，工程按Ⅷ度設(shè)防。

1.2 壩基地質(zhì)條件及大壩建基面

壩址區(qū)分布地層地表主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層和殘坡積層、坍滑堆積體，下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)王家村組和沙壩腳組。河床第四系全新統(tǒng)沖洪積層砂卵礫石夾漂石，厚度3.0～9.70m，粒徑0.2～60mm，夾粒徑100～200cm的漂石。岸坡第四系全新統(tǒng)殘坡積層巖性主要為粉質(zhì)土礫，主要分布于左岸坡，厚度2.0～7.0m。坍滑堆積體分布于右岸，巖性主要為含礫粉質(zhì)粘土，夾粉質(zhì)土礫、塊石、滾石，巖性成分較雜亂，最大厚度約25.0m，總方量約25×104m3。經(jīng)分析計(jì)算，坍滑堆積體現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，之所以未發(fā)生滑動(dòng)，是因坡腳分布的巖體形成阻滑體，阻止了上部松散堆積體滑動(dòng)。壩基基巖為灰黑、灰白色粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，呈互層狀分布，以粉砂質(zhì)泥巖為主。左岸強(qiáng)風(fēng)化帶埋深為3.0～7.0m，厚度5.0～30.7m，弱風(fēng)化帶埋深12.0～33.70m，最大揭露厚度為78.15m，未揭穿；河床段強(qiáng)風(fēng)化帶埋深為3.0～9.70m，厚度0～8.6m，弱風(fēng)化帶埋深4.6～11.8m，最大揭露厚度為49.4m，未揭穿；右岸強(qiáng)風(fēng)化帶埋深為0.0～30.0m，厚度10.0～20.0m，弱風(fēng)化帶埋深14.0～40.0m，最大揭露厚度為112.7m，未揭穿。趾板及下游0.4倍壩高范圍建基面為強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體，為提高巖體的完整性，對(duì)趾板基礎(chǔ)強(qiáng)風(fēng)化巖體采取固結(jié)灌漿處理。其他部位壩基為強(qiáng)風(fēng)化上部巖體。

1.3 筑壩材料

表1 南水模型參數(shù)

表2 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

1.4 大壩填筑與施工

大壩分四期填筑，第一期為度汛壩體，上游抬頭壩頂高程1592.00m，下游高程1557.00，填筑時(shí)間為第三年1月至4月，歷時(shí)4個(gè)月；第二期上游高程1592.00，下游高程1580.00m，填筑時(shí)間為第三年5月至10月，歷時(shí)6個(gè)月；第三期填筑至高程1615.00m，填筑時(shí)間為第三年11月至第四年4月，歷時(shí)6個(gè)月；第四期填筑至壩頂高程，填筑時(shí)間為第四年5月至10月，歷時(shí)6個(gè)月?？偺钪r(shí)間22個(gè)月。

面板澆筑時(shí)間3個(gè)月，蓄水至正常蓄水位1628.05m時(shí)間3個(gè)月。

2 大壩有限元靜動(dòng)力分析

計(jì)算采用的軟件為三維有限元靜動(dòng)力通用程序TOSSD3。為尋求最優(yōu)的大壩設(shè)計(jì)方案，對(duì)如下三種方案進(jìn)行比較分析：

方案1：右岸坍滑堆積體全部清除，開(kāi)挖渣料不作為壩料利用。

方案2：坍滑堆積體全部清除，開(kāi)挖渣料部分利用作為壩體3C區(qū)的填筑料。

方案3：對(duì)右岸坍滑堆積體只清除表層約2m。

通過(guò)對(duì)上述三種方案進(jìn)行比較，分析其對(duì)壩體應(yīng)力變形尤其是面板應(yīng)力變形特性以及周邊縫和垂直縫變形的影響。

2.1 計(jì)算參數(shù)

2.1.1 混凝土面板

防滲面板為C25混凝土，按線彈性模型考慮。根據(jù)SL5057- 2009《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其彈性模量、泊松比和密度分別為E=28.0GPa，μ=0.167，ρ=2.45g/cm3。軸心抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為11.9MPa、-1.27MPa。

2.1.2 筑壩壩料和坍滑堆積體

靜力本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)均通過(guò)靜力三軸CD試驗(yàn)確定。對(duì)動(dòng)力本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)，主堆石料3B和右岸坍滑堆積體通過(guò)動(dòng)力三軸試驗(yàn)確定，其它材料的參數(shù)則通過(guò)類比確定。計(jì)算采用的參數(shù)見(jiàn)表1～2。

2.2 靜動(dòng)力及壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)大壩靜動(dòng)力及壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析如下：

(1)方案1竣工期、蓄水期及蓄水期遇8°地震，壩體及面板應(yīng)力應(yīng)變不大，周邊縫和垂直縫的變形較小，壩坡抗滑穩(wěn)定滿足要求，為最佳方案。

(2)方案2存在的問(wèn)題：①蓄水期發(fā)生地震的情況下下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范要求，存在失穩(wěn)破壞的可能性；②3C區(qū)料滲透系數(shù)在10-6cm/s數(shù)量級(jí)，施工期產(chǎn)生的超靜孔壓較小，在運(yùn)行期產(chǎn)生的主固結(jié)變形也較小，但在運(yùn)行期會(huì)產(chǎn)生一定的次固結(jié)變形(流變變形)，從而影響防滲體系的安全；③在3B主堆石料與3C次堆石料的接觸部位出現(xiàn)了明顯的拱效應(yīng)，在運(yùn)行過(guò)程中，隨拱效應(yīng)的逐漸釋放，將會(huì)產(chǎn)生較大的流變變形。

(3)方案3存在的問(wèn)題：①竣工期和蓄水期壩體最大沉降分別為119.7cm和121.82cm，為大壩高度+覆蓋層的1.41%，變形過(guò)大；②坍滑堆積體滲透系數(shù)在10-4～10-5cm/s數(shù)量級(jí)，雖然在施工期其主固結(jié)變形已基本完成，但在運(yùn)行期同樣會(huì)產(chǎn)生一定的次固結(jié)變形(流變變形)，從而也影響防滲體系的安全；③震后面板局部部位拉應(yīng)力大于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度，存在拉裂破壞的可能性。

經(jīng)綜合分析，為確保大壩安全，推薦采用方案1，即將右岸坍滑堆積體全部開(kāi)挖清除，且開(kāi)挖料不作為壩料利用。

3 結(jié)語(yǔ)

幫東河水庫(kù)大壩為高烈度地震區(qū)的高壩，地質(zhì)條件復(fù)雜，為確定大壩基礎(chǔ)處理方案和大壩分區(qū)設(shè)計(jì)，采用三維有限元方法分析了竣工期、蓄水期和地震荷載作用下壩體和面板的應(yīng)力變形特性，獲得了與實(shí)際情況較為切近的結(jié)論，值得類似工程借鑒。