基于材料特性的膠凝砂礫石壩地基條件適應(yīng)性研究

王 超，胥淑美

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450008； 2.濟南黃河河務(wù)局 歷城黃河河務(wù)局，濟南 250108)

0 引 言

CSG壩是近幾十年發(fā)展起來的一種新壩型，其筑壩思想[1]為“設(shè)計一種介于重力壩與土石壩之間的壩型，使用一種特性介于混凝土和堆石體之間的筑壩材料，將這種新的筑壩材料與壩體設(shè)計相結(jié)合，形成一種材料、壩體設(shè)計以及施工方法最優(yōu)組合的新壩型”。它采用新的筑壩材料--CSG材料是將少量的膠凝材料和水添加到河床砂礫石和開挖廢棄料等容易在壩址附近獲得的巖石基材中，然后用簡易的設(shè)備進行拌和而得到的一種筑壩材料。該壩型采用梯形剖面，上下游壩坡根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件、壩高及筑壩材料的性能等因素來確定。這種壩型具有經(jīng)濟、安全、環(huán)保、施工快速方便等特點。

根據(jù)多年建壩經(jīng)驗，大壩對地基條件要求與筑壩材料和壩體結(jié)構(gòu)形式緊密相關(guān)。重力壩設(shè)計規(guī)范和土石壩設(shè)計規(guī)范分別對重力壩和土石壩的地基條件適應(yīng)性提出了要求，膠凝砂礫石壩從材料性能上介于混凝土壩與土石壩之間，其對地基要求如何，是本文研究的重點內(nèi)容。

本文通過擬定CSG壩體剖面，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析膠凝材料含量70 kg/m3(C70)CSG壩的壩體壩基應(yīng)力狀況，確定CSG壩適應(yīng)地基的要求，為工程提供參考依據(jù)。

1 CSG壩體壩基力學(xué)特性

1.1 CSG材料力學(xué)特性

根據(jù)已見諸文獻的CSG材料試驗成果，CSG材料的應(yīng)力～應(yīng)變曲線證明了該種材料和混凝土一樣是非彈性材料，日本[2]CSG材料單軸壓縮試驗所得應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。由于CSG壩采用梯形剖面，相比于重力壩斷面增大了近70%[3]，大大降低了壩體的應(yīng)力，而且一般不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，強度低的CSG材料即可滿足建壩要求。在CSG壩體設(shè)計中，僅采用CSG材料彈性范圍內(nèi)的強度和彈性模量，使得CSG壩具有足夠的安全裕度，安全性更高。根據(jù)CSG材料力學(xué)特性試驗[4]結(jié)果，本文計算所采用的CSG材料力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 CSG材料的單軸應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線

1.2 壩基力學(xué)參數(shù)

重力壩設(shè)計規(guī)范[5]給出了壩基力學(xué)參數(shù)參考值，本次研究選取地基參數(shù)見表2。

表1 膠凝砂礫石材料力學(xué)參數(shù)

注：表1中*泊松比通過線性內(nèi)插得到；**參照混凝土材料抗壓安全系數(shù)取法標準，安全系數(shù)取3.5。

表2 擬定不同地基類型的力學(xué)參數(shù)

壩基巖體容許壓應(yīng)力[6]由巖體極限抗壓強度除以安全系數(shù)得到，其安全系數(shù)的選取受到巖體完整性、風(fēng)化程度等因素的影響。本次研究選取中等強度的基巖作為壩基巖體，規(guī)范要求容許壓應(yīng)力安全系數(shù)為10～20，取中值15，考慮到風(fēng)化程度的影響對容許強度值在進行折減，折減系數(shù)取0.5。根據(jù)上述指標，計算選取強風(fēng)化層地基容許承載力為0.82 MPa，弱風(fēng)化層地基容許承載力為1.96 MPa。

2 CSG壩體計算剖面的擬定

根據(jù)國內(nèi)外已開展的膠凝砂礫石材料試驗來看，典型的膠凝砂礫石材料是一種彈塑性材料，但由于該壩采用梯形剖面，壩體材料應(yīng)力水平較低，處于材料的彈性范圍內(nèi)，所以目前膠凝砂礫石壩一般是按彈性體設(shè)計的。故CSG壩的壩體穩(wěn)定及應(yīng)力分析采用重力壩的計算方法和控制標準。

CSG壩的壩體抗滑穩(wěn)定性分析是核算壩體沿壩基面或壩基內(nèi)緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。目前在傳統(tǒng)的穩(wěn)定計算分析中，極限平衡法最為常用，也是當(dāng)前設(shè)計過程中解決實際穩(wěn)定問題最為有效方法之一?？紤]到抗剪斷公式比較符合壩的實際工作情況，已日益為各國所采用。本次計算分析采用抗剪斷公式[7]，對膠凝砂礫石壩壩體剖面穩(wěn)定分析校核。公式如下：

(1)

式中：∑W為接觸面以上的總鉛直力，kN；∑P為接觸面以上的總水平力，kN；U為作用在接觸面上的揚壓力，kN；f′為接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為接觸面間的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩基接觸面截面積，m2。

劉志明[8]認為大壩建基面選擇的關(guān)鍵在于對弱風(fēng)化帶巖體的利用問題，重力壩設(shè)計規(guī)范也給出了不同壩高的重力壩地基適應(yīng)性的參考要求。CSG壩相比重力壩有更好的地基適應(yīng)能力。本次研究重點選取弱風(fēng)化地基和強風(fēng)化地基進行CSG壩剖面擬定。在膠凝砂礫石壩穩(wěn)定和強度分析中，所考慮的荷載有自重、與壩頂齊平的水壓力、揚壓力，以抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks>3.0作為膠凝砂礫石壩抗滑穩(wěn)定分析的控制標準。

膠凝材料含量為70 kg/m3時，不同地基條件下滿足穩(wěn)定要求的CSG壩壩體剖面，計算結(jié)果見表3～表4。其中，最大壩高是根據(jù)CSG材料力學(xué)性能所得到的最大壩高。

表3強風(fēng)化地基條件下C70膠凝砂礫石壩最大壩高及上下游壩坡

壩高 /m上下游壩坡300.75370.77500.82550.83620.84

表4弱風(fēng)化地基條件下C70膠凝砂礫石壩最大壩高及上下游壩坡

壩高 /m上下游壩坡300.55500.63680.66

3 CSG壩的壩體壩基強度分析

本文采用ANSYS通用程序建立CSG壩壩體壩基整體有限元模型進行計算分析，符號規(guī)定為：以順河向為X軸(指向下游為正),豎直向為Y軸(向上為正)。應(yīng)力以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負。

3.1 有限元模型計算模型的確定

進行網(wǎng)格剖分時，壩體內(nèi)部和地基均采用四節(jié)點四邊形等參單元，壩體坡面處采用的是三節(jié)點三角形單元，單元形狀變化對局部應(yīng)力有影響，但不會嚴重影響結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力應(yīng)變場的規(guī)律性。

在建立模型時，進行如下簡化：

1) 上下游采用對稱壩坡且壩頂寬度保持不變，取定值7 m。

2) 計算荷載組合：自重+上游靜水壓力+揚壓力，上游水位取與壩頂齊平，下游無水。假定壩體為不透水材料，揚壓力只考慮滲透壓力并將其作為外力作用在壩底；計算時考慮將水壓力直接作用在上游壩面上。

3) 建立壩體、壩基整體模型，地基向壩體上下游延伸兩倍壩高及兩倍壩高深度的范圍，地基上下游側(cè)面取水平方向約束，底部取豎直方向約束。

4) 計算取單寬壩體進行平面應(yīng)變分析，按線彈性考慮。

3.2 有限單元法地基強度控制標準

有限元法計算地基條件適應(yīng)性以壩基面鉛直應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)寬度小于壩底寬度的0.07倍[9]為控制標準。

根據(jù)上述確定的有限元計算模型及荷載組合，通過地基彈模試算，進行地基適應(yīng)性計算，得到滿足控制標準的最小地基彈模，再與壩基巖體力學(xué)參數(shù)做對比，得到計算壩體所適應(yīng)的地基條件。圖2給出有限元法計算得到的壩基最大鉛直應(yīng)力～壩高曲線，圖3給出C70不同壩高CSG壩地基條件適應(yīng)性計算所得最小彈?！珘胃咔€。

圖2 C70地基彈?！珘胃咦兓€圖

圖3 C70壩基鉛直應(yīng)力σy～壩高變化曲線圖

分析上述圖表可知，C70 CSG壩壩基鉛直應(yīng)力σy隨著壩高的增加而增大。另外，隨著壩高的增加，試算所得到的最小地基彈模變化不大。

4 CSG壩地基條件適應(yīng)性結(jié)果

根據(jù)以上計算分析結(jié)果，對比不同地基條件的力學(xué)參數(shù)可知，C70CSG壩隨著壩高的增加，CSG壩對地基的要求也在增加。壩高62 m以下，其適應(yīng)的地基條件為強風(fēng)化地基；壩高超過62 m，其適應(yīng)的地基條件應(yīng)該提高到弱風(fēng)化層及以上地基。

大壩壩基對大壩安全有著十分重要的影響，同時大壩建基面巖石類型的選擇也決定著整個工程的造價。膠凝砂礫石(CSG)壩作為一種經(jīng)濟、安全、環(huán)保、施工方便的新壩型，研究其適應(yīng)的地基條件對于該壩型的推廣應(yīng)用具有重要的工程指導(dǎo)意義。