傅長鋒 任德記 李洋波 劉迪安

（1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250 2.三峽大學土木水電學院，湖北 宜昌 443002）

一、前 言

框格填碴壩是在硬殼壩的基礎上發(fā)展起來的一種壩型。這種壩是沿壩長修成若干漿砌石隔墩，沿壩高在隔墩上建成若干砌石拱圈，整個壩內(nèi)形成一些框格，格內(nèi)填石碴?？蚋裉畈陦纬哂杏矚蔚闹饕獌?yōu)點外，還有以下特點：

1.與硬殼壩相比，節(jié)省漿砌石方量，基本上消除揚壓力。

2.當壩體發(fā)生局部開裂時，具有調(diào)整應力的特點，能使應力重新分布。

3.結構復雜，是較薄構件的高次超靜定體系，應力和變形都難計算和控制，雖然進行過許多科學試驗研究，但尚未形成適合砌體特性的系統(tǒng)設計理論。

4.施工較復雜。

二、 小龍?zhí)端畮齑髩维F(xiàn)存問題與加固

河北省小龍?zhí)端畮焓冀ㄓ?972年，總庫容700萬m3，水庫攔河壩壩型為漿砌石框格填碴重力壩，最大壩高39.6m，壩長217.5m。壩頂高程118.20m，防浪墻頂高程119.20m，最大壩高39.80m；開敞式溢洪道堰頂高程114.80m，凈寬36.00m，最大泄量310m3/s；正常蓄水位114.80m，相應下游水位84.60m；設計洪水位117.20m，相應下游水位85.50m；校核洪水位118.00m，相應下游水位86.00m；汛限水位114.80m（平溢洪道堰頂高程）；死水位89.30m，淤沙高程85.00m。

壩體段由5層漿砌石拱格組成，沿壩軸線方向分成10m一格，兩側肋墩寬2m，伸縮縫處寬1.5m。壩體迎水面設3.25m厚的漿砌石護墻（坡度1:0.1），護墻后設0.70m厚的鋼筋混凝土隔水板，隔板后為0.60m厚的漿砌石模板墻；坡度背水面為2m厚的漿砌石斜墻（坡度1:0.9）。壩內(nèi)框格第一層高8m，第二、三層高7m，第四層高6m，第五層高5m，格內(nèi)凈寬8m，伸縮縫兩側部分格內(nèi)凈寬7.50m。格內(nèi)填筑砂卵石料，橫隔采用1m厚的漿砌石拱，矢跨比1:8。由5層漿砌石拱格組成，格內(nèi)填筑砂卵石料。斷面尺寸如圖1。

圖1 壩體橫斷面剖面圖

1.存在的主要問題

（1）壩體不穩(wěn)定?，F(xiàn)狀攔河壩在設計、校核洪水條件下，壩踵出現(xiàn)拉應力，各種工況的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都小于規(guī)范值。

（2）攔河壩滲漏嚴重。雖經(jīng)多次灌漿加固，仍未得到解決，至今不能正常蓄水運用。

2.壩體加固設計方案

（1）壩體穩(wěn)定加固設計

在攔河壩上游壩面貼C15混凝土平臺，分兩層，底層平臺底寬6m，高5m，上層平臺寬4m，高10m，上接壩面防滲面板，防滲面板從壩體加固平臺頂高程93.6m開始向上澆筑，直至壩頂高程118.2m。面板厚度沿壩體高度變化，底部加固平臺以上最大厚度為2.0m，頂部最小厚度為1.0m，每10m分一條豎縫，縫內(nèi)設置一道紫銅片止水，為防止面板混凝土開裂采用纖維混凝土。

為保證混凝土防滲面板與基礎的良好結合，防止結合面處滲漏，在結合面處進行接觸灌漿，灌漿孔距混凝土基礎平臺上游邊1.0m。

（2）壩體防滲漏設計

為了封堵壩基、兩岸壩肩和溢洪道巖體裂隙滲水，增強壩身的穩(wěn)定性，對河床壩基、兩岸壩肩及溢洪道基巖進行帷幕灌漿。河床段的防滲帷幕軸線布置在壩前寬6m高5m的混凝土平臺上，帷幕軸線距加固平臺上游面1.0m。兩岸壩肩部位的帷幕灌漿軸線同樣布置在距壩體加固平臺上游面1m的位置，左岸順壩肩基巖面上升到壩端，并沿左岸山體114.8m高程延伸至F1斷層外5m。右岸順壩肩基巖面一直延伸至溢洪道右端外10m。壩基深層防滲主要是切斷巖體層間破碎帶，帷幕灌漿孔深根據(jù)破碎帶及壩高綜合考慮確定為0.6倍壩高，并進行壩前貼平臺、壩面貼坡等加固措施。

圖2 加固前下游去護坡立視圖

圖3 加固后的壩體立視圖

三、三維有限元法壩體應力計算

1.計算模型與假定

（1）計算模型

選取河床段壩體，由于壩體伸縮縫的影響，壩體每一段各自獨立，垂直方向上受到重力，順水流方向受到水推力，壩軸線方向只存在應變，應力在伸縮縫處釋放。所以取40m壩段（4個整格）作為計算模型。圖2為加固前去掉下游護坡的三維模型。

所選壩體建基面深度根據(jù)規(guī)范取1.5倍壩高。上下游各取1.0倍的壩高，在壩基的上下游面上施加法向約束。壩軸線方向左、右側分別增加相鄰壩段的壩基寬（40m）進行應力計算，應用左、右兩段壩基的自重來代替壩軸線方向的約束來模擬壩體約束。壩基在豎直方向只受到自重的作用，順水流方向受到由壩體傳遞的水平推力，壩軸線方向的壩基分別向左右兩側傳遞應力。這樣可以比較真實的模擬壩段的受力狀況（如圖3）。

（2）計算假定

①漿砌石框格內(nèi)填充的砂卵石為非彈性材料，計算時將砂卵石的作用以荷載形式加于壩體。

②漿砌石及灰縫采用統(tǒng)一的彈性材料進行模擬，塊石標號300# ～ 400#，砌筑砂漿標號75#，其物理參數(shù)參照《漿砌石壩設計規(guī)范》取值。

③壩基礎為白云質(zhì)灰?guī)r用彈性體模擬。

④防滲墻為140#混凝土（老標號），考慮混凝土的老化，計算時對其換算，采用C10混凝土強度模擬。

⑤考慮到壩段之間設有伸縮縫，所選邊界條件為壩段在橫截面無約束，豎向看作懸臂梁，巖基面上施加三向固定約束。

⑥X方向為壩軸線方向，正視圖中向右為正。Y方向為壩體鉛直方向，以向上為正。Z方向為水流方向，以順水流方向為正。

2.單元劃分

模型采用實體單元進行線彈性分析，材料定義為各向相同的彈性材料，采用SOLID45號單元，進行映射網(wǎng)格剖分。單元信息見表1。

單元劃分誤差估計采用StruErrEnrg SERR檢驗，經(jīng)檢驗未出現(xiàn)結構離散能量誤差較大的區(qū)域，單元劃分可行。

3.荷載與組合

根據(jù)小龍?zhí)端畮煸O計條件及水庫大壩運行現(xiàn)狀，擬定計算工況及荷載組合，對壩體結構進行抗滑穩(wěn)定、壩體強度應力驗算。計算工況及荷載組合詳見表2。

4.計算成果列表（見表3、表4）

表1 單元信息

表2 壩體計算工況及荷載組合表

表3 壩體各工況剪應力（τxz）統(tǒng)計表 單位（MPa）

表4 各工況重要部位正應力統(tǒng)計表 單位（Mpa）

表5 各工況重要部位最大位移統(tǒng)計表 單位（mm）

四、材料力學法壩體應力計算

框格填碴壩是從重力壩、支墩壩發(fā)展而來的，它的受力特點與支墩壩相近，可采用材料力學法作為分析框格填碴壩壩體應力的基本方法?？蚋裉畈陦纬謱印⒎指裼嬎憔植糠€(wěn)定外，還應取兩伸縮縫間的壩段，計算整體抗滑及抗傾穩(wěn)定性。壩體建基面抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪和抗剪斷兩種方法進行。

1.計算模型與假定

選取壩體建基面及兩個薄弱斷面進行穩(wěn)定計算，壩段選取40m，建基面斷面為矩形，薄弱斷面為“工字形”。壩基揚壓力折減系數(shù)取0.7。其它基本資料、荷載及其組合同前述，加固前、后計算方法相同。

2.計算成果列表（見表6）

表6 材料力學法計算成果表

五、小龍?zhí)端畮齑髩螇误w應力分析

1.加固前

壩踵的豎直正應力：空庫時為壓應力2.397MPa，正常蓄水時壓應力減小，設計洪水位時出現(xiàn)了0.217MPa的拉應力，校核洪水位時拉應力最大為0.337 MPa；順水流方向應力：在空庫時為0.529 MPa的壓應力，隨著庫水位的上升壓應力減小并逐漸發(fā)展為拉應力，到校核洪水位時拉應力達到0.247 MPa。

壩趾的豎直正應力都為壓應力，隨著水位的上升壓應力逐漸增大，在校核洪水位時壓應力最大為3.764MPa；順水流方向是隨著庫水位的上升壓應力逐漸增大，在校核洪水位時應力最大為0.816MPa。

防滲墻豎直正應力各種工況下均為壓應力，空庫時的應力最大為1.381 MPa，隨庫水位的上升，應力逐漸減??；順水流方向：空庫時拉應力為0.339 MPa，隨水位的上升出現(xiàn)壓應力，校核洪水位時壓應力為0.639MPa。

小龍?zhí)端畮齑髩螇熙?、防滲墻部位出現(xiàn)了拉應力，不滿足設計規(guī)范要求。有限元計算成果與材料力學法的計算成果比較略有差異，但壩體受力的變化趨勢基本相同。

2.加固后

原壩踵的豎直正應力：空庫時為壓應力0.540MPa，隨著水位的上升壓應力逐漸增大，校核洪水位時壓應力最大為0.689Mpa。與加固前比較壩踵的正應力減小，設計洪水位，校核洪水位出現(xiàn)的拉應力消失，加固平臺在各種工況下沒有出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求。

壩趾的豎直正應力都為壓應力，隨著水位的上升壓應力逐漸增大，在校核洪水位時壓應力最大為2.77MPa；順水流方向是隨著庫水位的上升壓應力逐漸增大，在校核洪水位時應力最大為0.735MPa。加固前、后應力變化趨勢相同，加固后各種工況下壩址的壓應力均減小。

防滲墻豎直正應力均為壓應力，空庫時的應力為1.21MPa比加固前減小，順水流方向：空庫時壓應力為0.322MPa。

壩體加固后在設計洪水位、校核洪水位時壩踵部位出現(xiàn)的垂直向拉應力消失，加固平臺在各種工況下也未出現(xiàn)垂直向拉應力，壩體剪應力較加固前減小，說明加固效果明顯，加固方案可行。

六、結 語

壩體為高次超靜定結構，用材料力學法計算壩體應力，由于假定條件多，尤其是未能考慮基巖變形對壩體應力的影響，造成壩體的計算應力與實際應力值有較大差別[5]，而采用彈性力學有限元法計算壩體應力就比較好地解決了這一問題。

框格式漿砌石壩采用有限元法計算，考慮了壩基變形對壩體應力影響，與材料力學法計算成果比較，受力的變化趨勢基本一致，但絕對值均明顯減小。

框格填碴壩由砌體框格和填料組成，是一種構造復雜的壩型，它的應力分析本質(zhì)上是三維問題，不宜用剛體平衡理論計算其穩(wěn)定安全性。

框格填碴壩既是一種很有經(jīng)濟價值的壩型，又是受力條件較復雜的結構，為了進一步論證加固方案的實用性，要關注工程加固后的運行狀態(tài)。

[1] 鄭旌輝 紀清巖 王文禧. 漿砌石框格填碴壩應力分析[J]. 海河科技. 1991.

[2] 華東水利學院主編. 水工設計手冊[M]. 第四卷:土石壩. 中國水利水電出版社. 1984.

[3] 河北省水利水電勘測設計研究院. 河北省小龍?zhí)端畮斐U加固工程初步設計報告[R]. 2004.

[4] SL25-2006. 砌石壩設計規(guī)范[S]. 中華人民共和國水利部. 2006.

[5] 王文禧 鄭旌輝等. 框格填碴壩的結構計算和經(jīng)濟分析[J].海河科技. 1988.