混凝土面板堆石壩高趾墻計(jì)算分析

余錦地，虞 鴻

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

某水庫(kù)工程大壩左岸岸坡段趾板基礎(chǔ)開挖后遇較大斷層帶，地質(zhì)條件較差，需進(jìn)行局部挖除處理，對(duì)開挖后的邊坡進(jìn)行回填處理，設(shè)C20混凝土高趾墻，趾墻最高處達(dá)15 m。根據(jù)SL 228 — 2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，趾板厚度超過2.00 m或采用趾墻時(shí)，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算和應(yīng)力分析。高趾墻的穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算參照SL 319 —2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求執(zhí)行。穩(wěn)定計(jì)算可采用剛體極限平衡法，應(yīng)力分析可采用材料力學(xué)法，必要時(shí)應(yīng)采用有限元法進(jìn)行應(yīng)力變形分析[1]。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖 單位：m

2 工程概況

工程為新建水庫(kù)，總庫(kù)容983萬(wàn)m3，攔河壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程365.50 m，防浪墻頂高程366.60 m，最大壩高61.50 m，壩頂長(zhǎng)度140.00 m，壩頂寬度6.00 m，上下游壩坡均為1:1.3。下游壩坡分別在高程346.00 m和326.00 m處設(shè)置馬道，馬道寬2.00 m。壩體堆石分區(qū)填筑、分層碾壓。下游壩腳采用開挖料回填至310.00 m高程。面板采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為40 cm；趾板采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其寬度為5.00 ~ 4.00 m，厚度0.50 m，壩體接縫處均設(shè)置止水系統(tǒng)。趾板基礎(chǔ)以及兩岸壩頭均進(jìn)行固結(jié)和帷幕灌漿處理。大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

壩址基礎(chǔ)巖性為侏羅系上統(tǒng)大爽組（J3d）流紋質(zhì)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，變余凝灰結(jié)構(gòu)，流紋構(gòu)造，角巖化，新鮮巖石致密、堅(jiān)硬。河床段覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層，含有漂石。兩岸還分布第四系全新統(tǒng)殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土和塊石層。趾板沿線主要斷層共2處，斷層破碎帶寬1.50 ~ 2.00 m，由壓碎巖及斷層泥組成。節(jié)理發(fā)育共18組，走向以北西向?yàn)橹?，大部分?jié)理面平直光滑無(wú)填充，少數(shù)節(jié)理裂隙面扭曲方解石薄膜填充或黃色泥質(zhì)填充，巖石破碎。

3 材料力學(xué)法計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況及荷載

計(jì)算工況選用運(yùn)行期設(shè)計(jì)洪水位和完建期2種工況，墻前設(shè)計(jì)洪水位363.09 m，墻后341.56 m。荷載主要包括擋墻自重、擋墻上部水重、土壓力、水壓力、揚(yáng)壓力，其中土壓力采用庫(kù)倫主動(dòng)土壓力公式進(jìn)行計(jì)算。

3.2 地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）墻后回填土指標(biāo)：天然容重22 kN/m3，c = 0 kPa，φ = 50°。

（2）地基土指標(biāo)：底板與弱風(fēng)化基巖抗剪斷摩擦系數(shù)f ′ = 0.9，粘結(jié)力 c′ = 800 kPa。

3.3 穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL 319 — 2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（按抗剪斷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算）正常運(yùn)用條件時(shí)應(yīng)不小于3.00。

擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式：

3.4 抗傾穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL 319 — 2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)正常運(yùn)用條件時(shí)應(yīng)不小于1.50。

抗傾穩(wěn)定計(jì)算公式：

3.5 基底應(yīng)力計(jì)算

擋墻基礎(chǔ)為弱風(fēng)化基巖，允許承載力為1 500 kPa。根據(jù)SL 319 — 2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，在各種計(jì)算情況下，擋墻最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力。

擋墻基底應(yīng)力計(jì)算公式：

3.6 計(jì)算結(jié)果分析

典型斷面在運(yùn)行期、完建期時(shí)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見表1。

表1 趾墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

表1計(jì)算結(jié)果顯示，趾墻抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，趾墻最大地基應(yīng)力不大于地基允許承載力，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范的要求。

4 有限元法應(yīng)力復(fù)核

采用荷蘭Plaxis公司開發(fā)的大型巖土工程有限元設(shè)計(jì)計(jì)算軟件Plaxis v8.2對(duì)趾墻基底應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核。建模范圍上游取1倍壩高，基礎(chǔ)2倍壩高。按平面應(yīng)變問題建立模型，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元?jiǎng)澐只鶐r，混凝土趾墻和堆石體，采用梁?jiǎn)卧M面板，趾墻和基巖間、面板與堆石間分別建立接觸面[2]，共計(jì)5 669個(gè)節(jié)點(diǎn)，678個(gè)單元。網(wǎng)格劃分見圖2。計(jì)算采用的參數(shù)見表2 。

圖2 模型網(wǎng)格圖

表2 計(jì)算材料參數(shù)表

計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)后，按以下施工過程進(jìn)行模擬：①過程1：30 d澆筑混凝土趾墻；②過程2：270 d填筑壩體，并激活堆石與混凝土趾墻界面；③過程3：安裝面板，并激活面板與堆石間界面；④過程4：水位上升至設(shè)計(jì)洪水位，進(jìn)行流固耦合計(jì)算[3]。

各階段的主要計(jì)算結(jié)果見圖3 ~圖8。典型斷面在完建期、運(yùn)行期時(shí)應(yīng)力計(jì)算成果見表3。

圖3 趾墻澆筑完成有效應(yīng)力等值線圖

圖4 基底有效正應(yīng)力分布圖（最大正應(yīng)力81 kPa）

圖5 壩體填筑完成后有效應(yīng)力等值線圖

圖6 壩體填筑完成后基底有效正應(yīng)力圖（最大壓應(yīng)力948 kPa）

圖7 達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位后基底變形圖（最大位移2.45 mm）

表3 趾墻應(yīng)力計(jì)算成果表

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，趾墻基底在整個(gè)模擬階段均處于彈性區(qū)，未發(fā)現(xiàn)塑性點(diǎn)；基底變形小，蓄水前后各點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）趾墻抗傾覆穩(wěn)定性受庫(kù)水位升降影響較為明顯，在庫(kù)水位上升過程中，抗傾覆穩(wěn)定逐漸降低，至設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)最低；

圖8 達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位后基底有效正應(yīng)力圖（最大壓應(yīng)力750 kPa）

（2）趾墻基底應(yīng)力受庫(kù)水位升降影響較小，蓄水前后趾墻最大地基應(yīng)力不大于地基允許承載力，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力；

（3）計(jì)算分析結(jié)果表明，在庫(kù)水位升降作用條件下，高趾墻仍可保持穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生傾覆、滑移現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)壩體穩(wěn)定性無(wú)影響；

（4）鑒于蓄水后趾墻基底壓應(yīng)力有所減小，為防止可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力，可采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧ㄈ珏^桿、灌漿等），保證安全余度。