老木孔航電工程膠凝砂礫石堤結(jié)構(gòu)分析

裴 廣 超, 周 正 軍

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石堤是在碾壓混凝土筑堤技術(shù)和面板堆石筑壩技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新堤型,其特點(diǎn)是采用膠凝材料與砂礫石材料拌合筑堤, 使用高效率的土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械施工[1]。膠結(jié)砂礫石壩具有縮小壩體斷面、背水面抗沖刷能力強(qiáng)、超標(biāo)洪水翻壩后不易潰壩等優(yōu)點(diǎn),并且可就地取材、減少棄料, 具有安全、經(jīng)濟(jì)和保障等特點(diǎn)[2-3]。膠凝砂礫石防護(hù)堤可以在滿足概算投資的基礎(chǔ)上大幅提升防護(hù)堤的抗超標(biāo)洪水風(fēng)險(xiǎn)的能力[4]。國(guó)外已建最大堤高107.0 m膠凝砂礫石壩,國(guó)內(nèi)已相繼在福建、云南、貴州等地建成多座圍堰,經(jīng)歷了過(guò)水考驗(yàn),水利部已將膠凝砂礫石筑堤壩術(shù)列為中小型水利工程的推廣應(yīng)用項(xiàng)目。

1 工程概況

老木孔航電工程壩址位于樂(lè)山市牛華鎮(zhèn)下游約0.7 km的楊花渡口附近,上游距樂(lè)山大佛約11.7 km。老木孔航電工程以航運(yùn)為主,結(jié)合發(fā)電,工程為二等大(2)型工程,航電工程庫(kù)區(qū)河谷開(kāi)闊,心灘、邊灘發(fā)育,要使該段航道達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn),依靠河道整治難度太大。因此,只有依靠修建攔河閘壩、庫(kù)區(qū)防洪堤以形成水庫(kù)攔蓄洪水,再通過(guò)航道疏浚達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。左右兩岸防洪堤總長(zhǎng)約17.76 km,防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),堤防工程等別為4級(jí),代表堤型為膠凝砂礫石堤,最大堤高16.3 m。

2 膠凝砂礫石堤結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算斷面

防洪堤設(shè)計(jì)典型斷面見(jiàn)圖1。標(biāo)準(zhǔn)斷面膠凝砂礫石堤堤頂寬4.5 m,迎水面坡度1∶0.5,背水面坡度1∶0.7。迎水面從外到內(nèi)為70 cm厚C15加漿振搗防滲層,C4膠凝砂礫石堤體,C4加漿保護(hù)背坡,基礎(chǔ)采用1.5 m厚C15富膠凝砂礫石。迎水坡防滲層底部為3.00 m長(zhǎng),1.0 m厚C25趾板,向上游接2.25 m長(zhǎng),1.0 m厚C25連接板,然后接防滲墻。計(jì)算中選取堤高較大斷面進(jìn)行平面應(yīng)力變形計(jì)算。

圖1 防洪堤設(shè)計(jì)典型斷面

2.2 計(jì)算模型及方案

根據(jù)防護(hù)堤剖面和工程地質(zhì)剖面對(duì)膠凝砂礫石的防護(hù)堤及地基進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。計(jì)算分析網(wǎng)格采用對(duì)覆蓋層地基、防滲墻、連接板防護(hù)堤分區(qū)都進(jìn)行了精細(xì)網(wǎng)格劃分。計(jì)算防護(hù)堤及堤基應(yīng)力變形分析網(wǎng)格見(jiàn)圖2,共包含7 156個(gè)節(jié)點(diǎn),3 442個(gè)單元。

圖2 防護(hù)堤及堤基應(yīng)力變形分析網(wǎng)格

防護(hù)堤施工填筑采用水平填筑的方式進(jìn)行模擬,對(duì)于防滲連接板的施工考慮兩種方案:方案一是先施工防滲墻和防護(hù)堤,待防護(hù)堤填筑施工完后施工防滲墻與趾板之間的連接板;方案二是先施工防滲墻,防滲連接板與防護(hù)堤同步施工。

2.3 計(jì)算理論及材料參數(shù)

計(jì)算分析中,覆蓋層地基選用非線性鄧肯E-B模型,防護(hù)堤、防滲墻及連接板都選用彈性理論。

計(jì)算分析采用的膠凝砂礫石材料參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定,覆蓋層材料的參數(shù)采用類似工程參數(shù),混凝土材料的參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和類似工程資料確定。具體采用參數(shù),膠凝砂礫石及混凝土材料參數(shù)見(jiàn)表1和覆蓋層材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 膠凝砂礫石及混凝土材料參數(shù)

表2 覆蓋層材料參數(shù)

抗壓強(qiáng)度:壩體膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度最小值為6.00 MPa,富漿膠凝砂礫石為19.00 MPa;正常工況下,按4倍抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)考慮,壩體膠凝砂礫石允許壓應(yīng)力為1.50 MPa,富漿膠凝砂礫石允許壓應(yīng)力為4.75 MPa。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 方案一計(jì)算成果

(1)完建期計(jì)算成果。完建期防護(hù)堤及堤基的水平位移(順河向)整體都很小,都處于厘米量級(jí)。最大的水平位移出現(xiàn)于防護(hù)堤的地基上游堤腳位置,主要產(chǎn)生原因是防護(hù)堤的沉降引起的側(cè)向擠出作用。完建期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖見(jiàn)圖3。

圖3 完建期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

最大沉降區(qū)域出現(xiàn)在靠近上游的壩腳位置,以防護(hù)堤軸線為界,上游的防護(hù)堤堤基的沉降略大于下游的沉降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因如下:①受防洪堤上游坡要稍陡于下游坡這一幾何形態(tài)的影響,靠近上游壩腳的壓應(yīng)力高于靠下游壩腳的位置;②計(jì)算斷面中下游填土較高,下游填筑對(duì)堤與地基的側(cè)向約束要強(qiáng)于上游側(cè)。綜合這兩方面原因,上游堤基的沉降大于下游。最大沉降約為 4.2 cm。完建期防護(hù)堤沉降分布見(jiàn)圖4。

圖4 完建期防護(hù)堤沉降分布圖(單位:m)

完建期,防護(hù)堤及堤基的大主應(yīng)力量值總體不大,最大值為 0.84 MPa。大主應(yīng)力的極大值區(qū)出現(xiàn)在防護(hù)堤的壩踵和壩趾附近。建期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖5。

圖5 完建期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應(yīng)力最大值為0.84 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 按照 4 倍抗壓安全系數(shù)考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強(qiáng)度為4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區(qū)域的最大應(yīng)力小于允許抗壓強(qiáng)度。防護(hù)堤其他區(qū)域大主應(yīng)力值較低,一般小于1 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應(yīng)力1.5 MPa。在完建期,防護(hù)堤的大主應(yīng)力值滿足規(guī)范[5]中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力”的規(guī)定。

防滲墻及連接板的大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在連接板區(qū)域。 大主應(yīng)力最大值為0.5 MPa。防滲墻大主應(yīng)力小于 C25 混凝土的允許壓應(yīng)力。完建期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖6。

完建期, 防護(hù)堤及堤基的小主應(yīng)力的拉應(yīng)力量值總體不大, 最大拉應(yīng)力值為0.4 MPa,出現(xiàn)在堤底防滲層區(qū)。防滲墻、防滲墻與連接板連接區(qū)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,但量值很小,基本小于0.05 MPa。完建期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖7,完建期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖8。

圖7 完建期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

圖8 完建期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

(2)滿蓄期計(jì)算成果。滿蓄期防護(hù)堤及堤基的水平位移(順河向)基本向下游,量值不大,處于厘米量級(jí)。最大的水平位移出現(xiàn)堤頂附近,約為2.4 cm。滿蓄期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖見(jiàn)圖9。

圖9 滿蓄期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

滿蓄期,沉降分布趨勢(shì)與完建期基本一致。在水庫(kù)水推力及壓力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.6 cm。出現(xiàn)的位置依舊在壩踵處。滿蓄期防護(hù)堤沉降分布圖見(jiàn)圖10。

圖10 滿蓄期防護(hù)堤沉降分布圖(單位:m)

滿蓄期,防護(hù)堤及堤基的大主應(yīng)力量值總體不大,最大值為 1.28 MPa。大主應(yīng)力的極大值區(qū)出現(xiàn)在防護(hù)堤的壩踵附近。滿蓄期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖11。

圖11 滿蓄期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應(yīng)力最大值為 1.28 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,按照 4 倍抗壓安全系數(shù)考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強(qiáng)度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區(qū)域的最大應(yīng)力小于允許抗壓強(qiáng)度。防護(hù)堤其他區(qū)域大主應(yīng)力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應(yīng)力 1.50 MPa。在滿蓄期,防護(hù)堤的大主應(yīng)力值滿足規(guī)范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力”的規(guī)定。

防滲墻及連接板的大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在連接板區(qū)域。 大主應(yīng)力最大值為0.75 MPa。防滲墻大主應(yīng)力小于 C25 混凝土的允許壓應(yīng)力。滿蓄期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖12。

圖12 滿蓄期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期, 防護(hù)堤及堤基的小主應(yīng)力的拉應(yīng)力量值總體不大, 最大拉應(yīng)力值為0.32 MPa,出現(xiàn)在堤踵附近。防滲墻、防滲墻與連接板連接區(qū)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,在0.24 MPa以內(nèi)。滿蓄期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖13,滿蓄期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖14。

圖13 滿蓄期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

圖14 滿蓄期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

2.4.2 方案二計(jì)算成果

(1)完建期計(jì)算成果。完建期防護(hù)堤及堤基的水平位移(順河向)整體都很小,都處于毫米量級(jí)。最大的水平位移出現(xiàn)于防護(hù)堤的地基下游堤腳位置,主要產(chǎn)生原因是防護(hù)堤的沉降引起的側(cè)向擠出作用。完建期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖見(jiàn)圖15。

圖15 完建期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

最大沉降區(qū)域出現(xiàn)在靠近下游的壩腳位置,以防護(hù)堤軸線為界,上游的防護(hù)堤及堤基的沉降小于下游的沉降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在由于上游堤基內(nèi)修筑有防滲墻限制,防滲墻相對(duì)于覆蓋層地基具有較高的變形模量。一方面,防滲墻的存在增強(qiáng)了上游堤基的復(fù)合變形模量,使得上游堤基的變形模量高于下游堤基。另一方面,防滲墻的存在也限制了堤基向上游發(fā)生變形,起到了一定的約束作用。綜合這兩方面原因,上游堤基的沉降小于下游。最大沉降約為 4.2 cm。完建期防護(hù)堤沉降分布圖見(jiàn)圖16。

圖16 完建期防護(hù)堤沉降分布圖(單位:m)

完建期,防護(hù)堤及堤基的大主應(yīng)力量值總體不大,最大值為 2.87 MPa。大主應(yīng)力的極大值區(qū)出現(xiàn)在防護(hù)堤的壩踵附近。完建期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖17。

圖17 完建期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應(yīng)力最大值為 2.87 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 按照 4 倍抗壓安全系數(shù)考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強(qiáng)度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區(qū)域的最大應(yīng)力小于允許抗壓強(qiáng)度。防護(hù)堤其他區(qū)域大主應(yīng)力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應(yīng)力 1.50 MPa。在完建期,防護(hù)堤的大主應(yīng)力值滿足規(guī)范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力”的規(guī)定。

防滲墻及連接板的大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在連接板區(qū)域。 大主應(yīng)力最大值為1.00 MPa。防滲墻大主應(yīng)力小于 C25 混凝土的允許壓應(yīng)力。完建期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖18。

圖18 完建期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

完建期, 防護(hù)堤及堤基的小主應(yīng)力的拉應(yīng)力量值總體不大, 最大拉應(yīng)力值為0.74 MPa,出現(xiàn)在堤趾板和底防滲層區(qū)。防滲墻、防滲墻與連接板連接區(qū)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,最大值出現(xiàn)在防滲連接板上部,最大拉應(yīng)力值為0.56 MPa。完建期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖19,完建期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖20。

圖19 完建期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

圖20 完建期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

(2)滿蓄期計(jì)算成果。滿蓄期防護(hù)堤及堤基的水平位移(順河向)基本向下游,量值不大,處于厘米量級(jí)。最大的水平位移出現(xiàn)堤頂附近,約為3.3 cm。滿蓄期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖見(jiàn)圖21。

圖21 滿蓄期防護(hù)堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

滿蓄期,沉降分布趨勢(shì)與完建期基本一致。在水庫(kù)水推力及壓力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.9 cm。出現(xiàn)的位置依舊在下游的壩腳位置。滿蓄期防護(hù)堤沉降分布圖見(jiàn)圖22。

圖22 滿蓄期防護(hù)堤沉降分布圖(單位:m)

滿蓄期,防護(hù)堤及堤基的大主應(yīng)力量值總體不大,最大值為 3.34 MPa。大主應(yīng)力的極大值區(qū)出現(xiàn)在防護(hù)堤的壩踵附近。滿蓄期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖23。

圖23 滿蓄期防護(hù)堤及堤基大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應(yīng)力最大值為 3.34 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 按照 4 倍抗壓安全系數(shù)考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強(qiáng)度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區(qū)域的最大應(yīng)力小于允許抗壓強(qiáng)度。防護(hù)堤其他區(qū)域大主應(yīng)力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應(yīng)力 1.50 MPa。在滿蓄期,防護(hù)堤的大主應(yīng)力值滿足規(guī)范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力”的規(guī)定。

防滲墻及連接板的大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在連接板區(qū)域。 大主應(yīng)力最大值為1.15 MPa。防滲墻大主應(yīng)力小于 C25 混凝土的允許壓應(yīng)力。滿蓄期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖24。

圖24 滿蓄期防滲墻及連接板大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期, 防護(hù)堤及堤基的小主應(yīng)力的拉應(yīng)力量值總體不大, 最大拉應(yīng)力值為0.97 MPa,出現(xiàn)在堤踵附近。防滲墻、防滲墻與連接板連接區(qū)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,在0.56 MPa以內(nèi)。滿蓄期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖25,滿蓄期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖26。

圖25 滿蓄期防護(hù)堤及堤基小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

圖26 滿蓄期防滲墻及連接板小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

3 結(jié) 論

各工況下防護(hù)堤及堤基的水平、豎直變形量值均不大,處于厘米量級(jí);護(hù)堤及堤基的大主應(yīng)力量值總體不大,滿足規(guī)范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力”的規(guī)定;不同施工方案下防護(hù)堤及堤基拉應(yīng)力有一定差異,先施工防滲墻和防護(hù)堤方案優(yōu)于先施工防滲墻方案,但總體量值均不大,均能滿足設(shè)計(jì)要求。綜上,老木孔航電工程膠凝砂礫石防洪堤結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)是合理的。