熊燕梅

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

利用庫盆開挖料填筑面板堆石壩的壩體設(shè)計和結(jié)構(gòu)靜動力分析

熊燕梅

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

廈門抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩上游填筑區(qū)采用庫內(nèi)石料場開采的弱微風(fēng)化料，下游填筑區(qū)利用庫盆剝離的全風(fēng)化土料，上、下游填筑區(qū)由于料源組成不同存在一定的壓縮模量差，設(shè)計采取了調(diào)整填筑區(qū)分界面傾角、設(shè)置過渡區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)工程措施，并進(jìn)行了三維有限元應(yīng)力應(yīng)變分析計算，成果表明，可保證大壩的變形協(xié)調(diào)及安全穩(wěn)定性。

面板堆石壩；全風(fēng)化；開挖棄渣料；壩體斷面；壩料設(shè)計；靜動力分析

1 壩體斷面設(shè)計

廈門抽水蓄能電站位于福建省廈門市同安區(qū)汀溪鎮(zhèn)境內(nèi)，電站總裝機容量1 400 MW，為一等大（1）型工程。上水庫庫區(qū)位于汀溪鎮(zhèn)汪前村荇后自然村，上水庫正常蓄水位867.00 m，死水位842.00 m，總庫容1 024萬m3。大壩按重現(xiàn)期200年洪水設(shè)計、2 000年洪水校核。采用基準(zhǔn)期100年超越概率2%的地震動參數(shù)作為抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度代表值為226 gal；采用基準(zhǔn)期100年超越概率1%的地震動參數(shù)作為抗震校核標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度代表值為271.2 gal。

上水庫為一個近圓形的山頂小盆地，庫周山體以低山丘陵為主，上水庫共布置一座主壩和兩座副壩，主壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩壩型，壩頂高程874.80 m，最大壩高62.3 m，壩頂長度640 m。

為滿足電站裝機規(guī)模所需的庫容，在上水庫設(shè)置庫內(nèi)石料場進(jìn)行增容開挖。上水庫石料場、進(jìn)/出水口等部位除開挖有弱微風(fēng)化石料外，還剝離了大量的覆蓋層及全風(fēng)化土料。為使開挖的土石方與壩體填筑盡量達(dá)到較好平衡，減少工程棄渣、節(jié)省投資，將質(zhì)量較好的弱微風(fēng)化石料填筑于上游堆石區(qū)，把全風(fēng)化土料或土石混合料填筑于下游堆石區(qū)，并適當(dāng)放緩下游壩坡?？紤]上、下游填筑區(qū)存在一定的壓縮模量差，為保證大壩的變形協(xié)調(diào)、安全穩(wěn)定性，采取以下工程措施：

（1）上、下游堆石區(qū)分界傾向下游1∶0.5。薩爾瓦欣納面板堆石壩最大壩高約148 m，上游堆石寬度為2/3壩寬，下游堆石的壓縮模量僅為上游堆石的1/5，沒有出現(xiàn)上游面的拉應(yīng)變現(xiàn)象。天荒坪上庫主壩瀝青混凝土面板堆石壩，壩高約90 m，下游堆石區(qū)采用全風(fēng)化土料填筑，至今未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此，對于60 m級的面板堆石壩，上、下游堆石區(qū)分界傾向下游1∶0.5，下游堆石區(qū)的填筑料即使較差，上游面對面板也能夠提供足夠支撐，其安全性也是有保證的。

（2）在上、下游堆石區(qū)之間設(shè)置過渡區(qū)，寬約6 m，采用上游堆石與下游土料1∶1摻配（現(xiàn)場施工時，可采用鋪設(shè)2層土料、上鋪一層石料，交錯碾壓填筑的方法實現(xiàn)）措施，其過渡區(qū)的壓縮模量介于上、下游堆石區(qū)之間，起到很好的變形協(xié)調(diào)作用。

（3）下游全強風(fēng)化土石料填筑區(qū)每5 m設(shè)一層0.8m厚的排水碎石料，以提高下游堆石區(qū)的整體壓縮模量，減小上、下游堆石區(qū)之間的壓縮模量差。

根據(jù)上述原則，擬定主壩壩體上游面坡比為1∶1.4，下游面坡比為1∶2.0～1∶2.2，下游壩坡每隔30 m設(shè)一級馬道，馬道寬3 m。壩后設(shè)棄渣場，渣場頂高程855.00 m。壩體填筑材料分成墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游側(cè)全強風(fēng)化土石料區(qū)等。墊層區(qū)及過渡區(qū)坡比均為1∶1.4，墊層區(qū)、過渡區(qū)水平寬度分別為3.0 m和4.0 m。趾板下游設(shè)特殊墊層區(qū)，過渡區(qū)下游側(cè)為上游堆石區(qū)，壩軸線下游為全強風(fēng)化土石料填筑區(qū)，全強風(fēng)化土石料填筑區(qū)每5 m設(shè)一層0.8 m厚的排水料，下游填筑區(qū)與上游堆石區(qū)之間設(shè)水平寬6.0 m的過渡區(qū)，坡比為1∶0.5（傾向下游），過渡區(qū)采用上游堆石料和下游全強風(fēng)化料的摻合料（按1∶1摻合）。下游壩坡采用混凝土框格梁+草皮護(hù)坡。沿壩腳設(shè)底寬為0.6 m的漿砌石排水溝。

在上游面板高程830.00 m以下的周邊縫上部設(shè)置輔助防滲區(qū)，包括全風(fēng)化土和石渣護(hù)面。全風(fēng)化土鋪蓋頂寬3 m，坡比1∶2.0，石渣護(hù)面覆蓋于全風(fēng)化土之上，保護(hù)全風(fēng)化土，頂高程830.00 m，頂寬5 m，坡比1∶2.5。

為保證壩體排水，在全強風(fēng)化土石料下部設(shè)置堆石排水層，岸坡部位排水層厚2.5 m，河床部位厚5～6m，河床寬約40 m。壩體滲水順坡排向河床，由河床流向下游。主壩壩后為棄渣場，棄渣場溝底設(shè)置排水箱涵，箱涵尺寸1.8 m×1.8 m，箱涵外部為底寬約4.8m、頂寬約11 m、高約6 m的倒梯形透水堆石體。

為保證大壩滲漏量觀測的準(zhǔn)確性，在大壩下游坡腳、排水箱涵之前設(shè)置量水堰擋墻及鋼筋混凝土集水箱涵，集水箱涵內(nèi)的壩體滲水最終通過預(yù)埋鋼管引至排水箱涵內(nèi)。

2 壩料設(shè)計

2.1 墊層料

墊層料是混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵材料，利用輸水系統(tǒng)上平洞開挖料及庫內(nèi)石料場開采料制備，巖性為新鮮或弱、微風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r料。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.21 g/cm3，孔隙率≤18%，滲透系數(shù)1×10-3cm/s～5×10-3cm/s，最大粒徑100 mm，小于5 mm粒徑的顆粒含量為35%～50%，小于0.075 mm的顆粒含量為4%～8%，連續(xù)級配。

2.2 特殊墊層料

圖1 主壩典型剖面圖Fig.1 Typical section of dam

特殊墊層料采用剔除40 mm以上顆粒的墊層料制備。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.21 g/cm3，孔隙率≤18%，最大粒徑40 mm，小于5 mm含量為45%～60%，連續(xù)級配。滲透系數(shù)為1×10-3～5×10-3cm/s。

2.3 過渡料

過渡料利用輸水系統(tǒng)上平洞開挖料及庫內(nèi)石料場開采料制備，巖性為新鮮或弱、微風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r料。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.19 g/cm3，孔隙率≤19%，最大粒徑300 mm，小于5 mm粒徑的顆粒含量小于20%，小于0.075 mm的顆粒含量小于5%，連續(xù)級配。

2.4 上游堆石料

上游堆石料采用上庫庫內(nèi)石料場開采的新鮮或弱、微風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r填筑。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.16 g/cm3，孔隙率≤20%，最大粒徑800mm，小于5 mm粒徑的顆粒含量小于20%，小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%。

2.5 下游全強風(fēng)化土石料

采用庫盆開挖的全風(fēng)化土料，包括少量的強風(fēng)化石料。要求剝離表層腐植土、坡積層等，土石料最大粒徑20 cm，壓實度不小于99%。

3 大壩應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 計算參數(shù)

開展了壩體填筑料靜動力特性試驗研究工作，筑壩材料試驗指標(biāo)見表1～3。

計算時，上游墊層料、過渡料以及上游堆石料采用飽和樣參數(shù)，下游全風(fēng)化料風(fēng)化程度很高，摻雜強風(fēng)化凝灰?guī)r混合料成分較少，采用100%全風(fēng)化土天然樣參數(shù)。由于天然試驗測不到體積應(yīng)變，整理不出反映體積應(yīng)變的參數(shù)，故這些參數(shù)采用飽和樣試驗參數(shù)。

表1 筑壩材料大三軸剪切試驗鄧肯模型（E-B）參數(shù)表Table 1 Parameters of dam material in Duncan(E-B)modelobtained by triaxialshear test

表2 動模量和阻尼比試驗結(jié)果Table 2 Test results of dynamic modulus and damping ratio

表3 動力殘余變形模型參數(shù)Table 3 Parameters in dynamic residualdeformation model

混凝土面板采用C25混凝土，按線彈性模型考慮，其彈性模量、泊松比和密度分別為E=28 GPa，μ=0.167，ρ=2.50 g/cm3?；炷羷蛹羟心Ａ咳∑潇o剪切模量的1.3倍。

3.2 計算方法

計算采用三維總應(yīng)力有限元分析方法。其中，堆石體靜力計算模型采用Duncan E-B模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。面板與墊層之間采用薄層單元模擬接觸面特性，面板周邊縫采用連接單元模擬接縫材料特性。動力計算采用時程分析法。應(yīng)用非線性等價粘彈性模型和逐步積分法模擬地震過程，分成若干時段進(jìn)行分析。計算時采用逐級加載的方法模擬壩體填筑、面板澆筑等施工工序，水庫蓄水以及運行期（水位由正常蓄水位降落死水位，再上升至蓄水位）均通過水荷載分級施加進(jìn)行模擬。

3.3 計算結(jié)果

（1）靜力條件下，壩體變形和應(yīng)力分布規(guī)律符合常規(guī)，量值在面板壩經(jīng)驗范圍內(nèi)。上水庫竣工期、蓄水期、運行期壩體最大沉降分別為26.6 cm、26.9cm和27.2 cm，壩體沉降量約為壩高的0.43%。

（2）靜力條件下，混凝土面板的變形不大。上水庫運行期面板最大撓度為5.61 cm，軸向最大位移為0.5 cm。蓄水期、運行期混凝土面板應(yīng)力基本在允許范圍內(nèi)。運行期上水庫面板順坡向最大壓應(yīng)力為5.33 MPa。運行期面板軸向最大壓應(yīng)力為4.82 MPa，最大拉應(yīng)力為0.62 MPa。從應(yīng)力計算結(jié)果來看，拉應(yīng)力較大部位僅發(fā)生在面板左右兩側(cè)周邊縫附近的局部范圍，靜力狀態(tài)下面板的應(yīng)力狀態(tài)滿足要求，不會發(fā)生受壓受拉破壞。

（3）靜力條件下，面板周邊縫的最大錯動、沉陷和張開分別為8.8 mm、9.5 mm和8.6 mm。各接縫變位均在一般止水結(jié)構(gòu)及材料能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。

（4）下游全風(fēng)化壩料模量系數(shù)K取201.1時，壩體變形受其影響顯著，與采用天然料參數(shù)590.2計算結(jié)果相比，蓄水期、運行期沉降分別從26.9 cm和27.2cm增加到44.9 cm和45.4 cm，面板的應(yīng)力與變形變化不明顯。

（5）運行期發(fā)生地震，大壩動力反應(yīng)總體表現(xiàn)為高處較低處大、河谷中央較兩側(cè)大。設(shè)計地震（100年超越概率2%）工況下，上水庫大壩軸向、順河向和豎向最大反應(yīng)加速度分別為4.52 m/s2、5.50 m/s2和4.30 m/s2，放大倍數(shù)分別為2.00、2.43和2.87。

（6）運行期發(fā)生地震，大壩永久變形隨壩高的增加而增大，最大值位于河谷中央壩頂附近。設(shè)計地震工況下，大壩最大震陷為26.5 cm，最大順河向永久變形約16.4 cm，最大軸向永久變形為3.1 cm。

（7）設(shè)計地震工況下，上水庫大壩面板最大軸向動壓和動拉應(yīng)力分別為3.13 MPa和2.68 MPa；最大順坡向動壓和動拉應(yīng)力分別為3.85 MPa和3.72 MPa。靜動應(yīng)力疊加后，面板軸向最大凈壓應(yīng)力為6.52 MPa，最大拉應(yīng)力為2.56 MPa，順坡向最大凈壓應(yīng)力為8.07 MPa，最大拉應(yīng)力為2.05 MPa。面板凈壓應(yīng)力在C25材料動強度允許范圍內(nèi)，出現(xiàn)壓裂破壞的可能性小；岸坡周邊縫附近軸向凈拉應(yīng)力以及河谷面板頂部的順坡向凈拉應(yīng)力較大。

（8）由于混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，計算所得的動拉應(yīng)力偏大；加之岸坡邊界附近單元形態(tài)較差，可能導(dǎo)致計算所得的拉應(yīng)力偏大。所以，雖然計算所得面板結(jié)構(gòu)在岸坡附近局部拉應(yīng)力較大，但發(fā)生拉裂破壞只是局部的、可修復(fù)的。

（9）設(shè)計地震工況下，上水庫面板周邊縫的最大震后變形分別為14.0 mm（錯動）、11.5 mm（沉陷）和13.8 mm（張開），面板垂直縫最大張開為5.2 mm，接縫止水變形在一般止水結(jié)構(gòu)變形允許范圍內(nèi)。

（10）校核地震工況下，大壩最大反應(yīng)加速度、動位移、永久變形、混凝土結(jié)構(gòu)動應(yīng)力以及接縫變形都有所增大，但是壩體動力反應(yīng)放大倍數(shù)卻有所減小。

（11）動模量、阻尼比參數(shù)分別提高10%、降低10%，壩體動力反應(yīng)加速度、動位移有所增加，而永久變形以及面板的應(yīng)力變形變化不大；動力殘余變形系數(shù)c1、c4上下波動10%時，壩體永久變形有所影響，進(jìn)而對面板變形增量、接縫變形造成影響，面板的應(yīng)力變化不敏感。

4 結(jié)語

為滿足電站裝機規(guī)模需要，本工程對上水庫進(jìn)行了增容開挖，通過優(yōu)化壩體斷面，將開挖的弱微風(fēng)化石料填筑于面板堆石壩的上游堆石區(qū)，把剝離的全風(fēng)化土料或土石混合料填筑于下游堆石區(qū)。上、下游填筑區(qū)存在一定的壓縮模量差，設(shè)計采取了調(diào)整填筑區(qū)分界面傾角、設(shè)置過渡區(qū)等相應(yīng)的工程技術(shù)措施。

三維靜動力應(yīng)力應(yīng)變計算成果表明，壩體永久變形、面板應(yīng)力狀態(tài)以及接縫止水變形均在可控范圍內(nèi)。

抽水蓄能電站往往通過對庫盆的開挖來獲取裝機規(guī)模所需的庫容，利用庫盆開挖料填筑面板堆石壩，使開挖的土石方與壩體填筑盡量達(dá)到較好平衡，可減少工程棄渣、節(jié)省投資。廈門抽水蓄能電站上水庫主壩的設(shè)計經(jīng)驗可供類似工程參考。 ■

作者郵箱：xiong_ym@ecidi.com

Design and structuralstatic and dynamic force analysis ofconcrete face rockfilldam constructed

by reservoirbasin excavated material

by XIONG Yan-mei PowerChina Huadong Engineering Corpora?tion Limited

The upstream filling area of upper reservoir rockfill dam of Xiamen pumped storage power sta?tion makes use ofweak weathering materials excavated from reservoir basin,while the downstream fill?ing area uses fully weathered material excavated from reservoir basin.There are some differences with the compression modulus ofupstream and downstream filling area due to differentmaterials.Key tech?nologies such as adjusting the interface angle offilling area and setting transition zone are proposed.As well,three dimensional finite element stress and strain analysis is performed,whose result shows that the deformation coordination and stability ofthe dam can be guaranteed.

concrete face rockfilldam;fully weathered;excavated material;dam section;dam material design;static and dynamic force analysis

TV31

B

1671-1092（2017）01-0020-05

2016-07-18

熊燕梅（1979-），女，浙江余姚人，高級工程師，主要從事水電項目管理、水工建筑設(shè)計等方面的工作。