青川縣東陽水庫膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

(四川沃土項目投資管理有限公司，成都，611732)

膠凝砂礫石壩(CSGR壩)是賈金生等[1]于2009年提出的一種介于面板堆石壩和混凝土重力壩之間的新壩型。其主要特點是利用工程現(xiàn)場的砂礫石或開挖石渣料作為筑壩材料，使用少量的膠凝材料，通過簡易拌合，經(jīng)攤鋪、振動碾壓或澆筑振搗后形成的具備一定強度和抗剪性能的膠凝砂礫石[2]。膠凝砂礫石壩具有漫頂不潰、抗震性能好、安全經(jīng)濟、適應(yīng)性強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，特別適宜在圍堰、堤防和中小型水庫大壩工程中推廣應(yīng)用[3]。目前國內(nèi)已建成有街面、洪口等膠凝砂礫石圍堰工程和順江堰、貓貓河山塘等永久性工程；在建工程主要有山西守口堡水庫、四川岷江犍為防護堤等工程[4]。

1 工程概況

東陽水庫位于四川省青川縣三鍋鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫壩址位于嘉陵江流域清江河一級支流東陽溝上，壩址以上集水面積65.5km2。水庫正常蓄水位932m，總庫容717萬m3，大壩采用膠凝砂礫石壩，最大壩高66.5m。工程屬Ⅳ等小(1)型工程，因大壩采用新型結(jié)構(gòu)，且工程地質(zhì)條件復(fù)雜，其主要建筑物提高一級為3級。大壩設(shè)計洪水標準采用50年一遇，相應(yīng)洪峰流量564m3/s；校核洪水標準采用500年一遇，相應(yīng)洪峰流量910m3/s。

2 工程地質(zhì)

2.1基本地質(zhì)條件

工程區(qū)位于揚子準地臺龍門大巴山臺緣坳陷之龍門山陷斷束北段，屬龍門山強烈活動斷裂構(gòu)造區(qū)。工區(qū)場地地震基本烈度為Ⅷ度，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.2g，且工區(qū)附近有平武～青川主斷裂及其羽列分支斷裂F2、F3通過。其中平武～青川主斷裂距工區(qū)最近距離約600m，F(xiàn)2、F3羽列分支斷裂距離壩址區(qū)最近距離分別為440m、215m。據(jù)《東陽水庫鏵廠壩壩址區(qū)斷層活動性鑒定與水庫誘發(fā)地震評價報告》，平武～青川斷裂帶2008年5·12地震中有過活動，其羽列分支F2、F3為全新世活動斷裂。因此，該水庫樞紐區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。

2.2 膠凝砂礫石材料

壩址附近河道內(nèi)砂礫石料較豐富，以山區(qū)河流沖洪積漂卵石夾中粗砂為主，成分有閃長石、花崗巖、變質(zhì)石英砂巖等堅硬卵石，分選性較差，小于5mm含量在20%左右，大漂石含量30%～40%。質(zhì)量基本滿足膠凝砂礫石骨料要求。開挖石渣料主要為變質(zhì)石英砂巖，強度可滿足膠凝砂礫石筑壩要求。

膠凝砂礫石材料采用河道內(nèi)開采的砂礫石料和樞紐開挖石渣料，控制最大粒徑為150mm，超徑部分采用機械破碎后使用。根據(jù)膠凝砂礫石配合比試驗成果[5]，推薦膠凝材料用量140kg/m3，其中水泥和粉煤灰各70kg/m3，滿足C1808膠凝砂礫石的要求。

3 壩型選擇

根據(jù)壩址區(qū)的地形地質(zhì)、建筑材料等條件，擬定了碾壓混凝土重力壩和膠凝砂礫石壩兩種壩型進行樞紐布置和經(jīng)濟技術(shù)比較。

從地形、地質(zhì)條件，兩岸岸坡陡峻，基巖裸露，壩基巖體堅硬完整，兩種壩型均較適宜。工區(qū)地震基本烈度較高，且壩址距平武～青川斷裂較近，由于膠凝砂礫石壩的抗震性能好，能較好地適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，故膠凝砂礫石壩較優(yōu)。

從建材條件，碾壓混凝土重力壩利用壩址附近較豐富的天然砂礫石材料作為骨料，而膠凝砂礫石壩除了可利用壩址附近較豐富的天然砂礫石外，還可利用樞紐開挖石渣料筑壩，這樣可減少棄渣，對環(huán)境影響較小，因此，膠凝砂礫石壩較優(yōu)。

從工程布置條件，兩種壩型樞紐布置基本相同，工程布置條件相差不大。

從施工條件，碾壓混凝土壩需布置大型成套砂石骨料加工系統(tǒng)和大型混凝土拌合系統(tǒng)，并且施工過程需采取較多的溫控措施，施工干擾大，施工總工期36個月；膠凝砂礫石壩砂石加工系統(tǒng)布置簡單，水泥用量少，溫控措施簡單，可全壩通倉澆筑碾壓，施工方便，施工總工期34個月。因此，膠凝砂礫石壩較優(yōu)。

從工程投資分析，膠凝砂礫石壩方案工程總投資27236.02萬元，較碾壓混凝土壩方案省2425.45萬元，經(jīng)濟指標較優(yōu)。

綜合分析，推薦壩型采用膠凝砂礫石壩。

4 大壩設(shè)計

4.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

大壩采用膠凝砂礫石壩，壩頂高程939.50m，壩頂長度135.50m，壩頂寬度6.00m，最大壩高66.50m。大壩上游壩坡為1∶0.4，下游壩坡為1∶0.7。溢流壩段采用開敞式無閘控制表孔溢流，共計2孔，單孔凈寬14.00m，末端采用底流消能。取水(放空)管及生態(tài)放水管均埋設(shè)于左岸壩體內(nèi)。

大壩內(nèi)部采用C1808膠凝砂礫石。上游防滲層采用C25混凝土，厚1.5m，下游防滲層采用C20混凝土，厚1.0m。大壩基礎(chǔ)設(shè)置C20混凝土墊層，厚1.0m。

大壩共分為3個壩段，包括左岸擋水壩段、溢流壩段、右岸擋水壩段，長度分別為53.75m、34.00m、47.75m。擋水壩段與溢流壩段之間設(shè)置橫縫，橫縫采用人工造縫，采用“先碾后切”方式，縫內(nèi)填塞無紡布。壩面防滲層和保護層分縫間距按常態(tài)混凝土分縫原則確定，橫縫間距14.75m～18.75m，縫內(nèi)設(shè)置兩道銅止水。上游防滲層下設(shè)置一排豎向φ150mm排水孔，間距2m。壩內(nèi)布置兩層廊道，高程分別為881.00m、914.00m，廊道尺寸采用2.0m×2.5m(寬×高)。

4.2 基礎(chǔ)處理設(shè)計

河床壩段基礎(chǔ)開挖至弱風化上部，左、右壩肩壩段基礎(chǔ)開挖至弱風化中～下部。帷幕灌漿共設(shè)置1排，孔距2.00m，帷幕深度按伸入巖體透水率q≤5Lu界線以下5.0m控制。壩基采用全斷面固結(jié)灌漿，灌漿孔間、排距3m，其中河床壩段上游7排孔深6m，中間10排孔深3m，下游6排孔深6m；壩肩孔深6m。

圖1 膠凝砂礫石壩壩體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)《膠結(jié)顆粒料壩筑壩技術(shù)導(dǎo)則》(SL 678-2014)[6]，壩體斷面以材料力學(xué)法和剛體極限平衡法計算的成果作依據(jù)，復(fù)雜地基條件下宜采用有限元等效應(yīng)力法進行計算分析?？紤]到本工程位于高地震烈度區(qū)，距地震斷裂帶較近，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，采用材料力學(xué)法和有限元法綜合分析，并進行抗震動力分析。

根據(jù)試驗資料[6]，膠凝砂礫石容重取2.4t/m3，壩基抗剪強度f=0.55，抗剪斷強度f′=0.67，C′=1.0MPa，層間抗剪斷強度f′=0.62，C′=0.64MPa，壩基彈性模量為10GPa，膠凝砂礫石彈性模量取11.5GPa。

5.1 材料力學(xué)法

采用材料力學(xué)法和剛體極限平衡法進行計算，結(jié)果表明各種工況下壩體及層面抗滑穩(wěn)定滿足要求，壩基應(yīng)力滿足要求。

表1非溢流壩段壩體抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計算結(jié)果

表2溢流壩段壩體抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計算結(jié)果

5.2 有限元靜力分析

建立擋水壩段有限元分析模型，模型采用四邊形單元，模型共有單元15227個，其中壩體部分9287個，模型詳見圖2。

圖2 有限元計算分析模型

經(jīng)計算，設(shè)計洪水和校核洪水工況下，壩體應(yīng)力分布詳見圖3-圖6。靜力作用下，壩體水平向最大位移為5.90mm，豎向最大位移為7.98mm，均發(fā)生在壩頂。壩體豎向正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值為4.50MPa，發(fā)生在壩趾處的保護混凝土層內(nèi)，膠凝砂礫石最大豎向正應(yīng)力為1.65MPa。壩體最小主應(yīng)力為6.80MPa的壓應(yīng)力，發(fā)生在壩趾處的保護混凝土層內(nèi)，膠凝砂礫石最小主應(yīng)力為2.52MPa的壓應(yīng)力。壩體最大主應(yīng)力為除廊道孔口和壩踵處應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)0.05MPa的拉應(yīng)力外，均為受壓狀態(tài)，膠凝砂礫石均處于受壓狀態(tài)。表明分析所得的應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，強度設(shè)計滿足要求。

表3壩體應(yīng)力計算結(jié)果 單位：mm、MPa

圖3 設(shè)計洪水工況下壩體最小主應(yīng)力分布

圖4 設(shè)計洪水工況下壩體最大主應(yīng)力分布

圖5 校核洪水工況下壩體最小主應(yīng)力分布

圖6 校核洪水工況下壩體最大主應(yīng)力分布

5.3 地震動力分析

利用有限元時程法，計算了壩體的地震動響應(yīng)，計算結(jié)果如圖7-圖8所示。壩頂最大水平向動位移為9.14mm，最大豎向動位移為-9.18mm，最大水平向加速度為4.12m/s2，最大豎向加速度為-2.62m/s2。壩踵處最大主應(yīng)力為1.35MPa的拉應(yīng)力，小于C25混凝土拉應(yīng)力標準值，膠凝砂礫石最大主應(yīng)力為0.1MPa的壓應(yīng)力，壩趾處最小主應(yīng)力為7.1MPa，小于下游面板C20混凝土的抗壓強度，壩體膠凝砂礫石最小主應(yīng)力為3.1MPa的壓應(yīng)力，小于膠凝砂礫石抗壓強度。壩踵處沿建基面深入壩體約1.5m范圍內(nèi)，即上游面防滲面板底部將出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小由壩踵處的1.35MPa衰減至0.2MPa；上游面壩體頂部折坡處及上部面板表層，地震過程中會出現(xiàn)0.3MPa左右的拉應(yīng)力；廊道拱頂和直立面中部出現(xiàn)輕微拉應(yīng)力，幅值約0.3MPa。

圖7 壩體最大主應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 壩體最小主應(yīng)力包絡(luò)圖

6 結(jié)語

膠凝砂礫石壩采用“宜材適構(gòu)、宜構(gòu)適材”的筑壩理念，能夠充分利用當?shù)亟ㄖ牧?、減少棄渣，利于環(huán)境保護；強調(diào)功能分區(qū)，可以充分發(fā)揮材料性能，避免材料超強；水泥用量少，溫控簡單，施工方便；具有漫頂不潰，抗震性能優(yōu)良等特點；極端情況下能避免發(fā)生重大次生災(zāi)害，在中小型水利工程中具有普遍的適用性和良好的應(yīng)用前景。

結(jié)合東陽水庫的實際情況，采用膠凝砂礫石壩，能夠解決工程地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高、洪水流量大、環(huán)保要求嚴等問題，經(jīng)濟效益顯著。大壩穩(wěn)定和應(yīng)力分析成果表明，膠凝砂礫石壩設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，能滿足抗震設(shè)防要求，可為其他類似工程提供一定的借鑒。

東陽水庫膠凝砂礫石壩是我國首次在高地震烈度區(qū)(Ⅷ度)復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用膠凝砂礫石材料筑壩，并且壩高是目前在建(審批)工程之首。相關(guān)單位做了大量的試驗研究工作。通過東陽水庫的工程實踐和經(jīng)驗總結(jié)，有利于推動國內(nèi)筑壩技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促進膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的推廣應(yīng)用。