【摘要】以新疆某水庫碾壓式瀝青混凝土心墻建設(shè)為例,分析了心墻設(shè)計中軸線、厚度、過渡層的確定及其與周邊結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,并通過有限元計算對壩體結(jié)構(gòu)三維靜力進行分析。
【關(guān)鍵詞】碾壓式瀝青混凝土; 防滲心墻; 結(jié)構(gòu)布置
引言
新疆某水庫工程等別為Ⅰ等,工程規(guī)模是大(1)型,主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪兼導流隧洞及放水灌溉洞。壩頂高程為1989.20m,壩頂寬度為10.0m,最大壩高98.0m,壩長427.00m。
1、壩體結(jié)構(gòu)布置
1.1 心墻防滲體結(jié)構(gòu)布置
瀝青混凝土心墻的布置一般采用墻體軸線略偏向上游側(cè),豎向布置一般有垂直式、傾斜式或下部垂直上部傾斜等三種方式。對于高壩,更多的采用后一種結(jié)構(gòu)形式。本工程壩高98.0m,設(shè)計采用垂直式瀝青混凝土心墻,其具有面積較小、工程量小、施工簡單的優(yōu)點。同時,為改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接,墻體軸線偏向上游側(cè)布置,防滲體軸線距壩軸線3.75m。
1.2壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)與過渡層的確定
壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土區(qū)、過渡料區(qū)及排水料區(qū)。壩殼填筑砂礫料采用C2、C3、C4料場的砂礫料,砂礫料的含泥量小于5%,相對密度不低于0.85。過渡層位于心墻的兩側(cè),水平寬度上下游均為3m。過渡層厚度一般應超過瀝青混凝心墻墻厚的2倍,工程設(shè)計中應綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及過渡料的制備成本。理論計算過渡層厚度為1m,而實際確定厚度為3m。對于瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)而言,過渡層厚度越大,心墻施工控制難度越小。
1.3 瀝青混凝土心墻厚度設(shè)計
瀝青混凝土心墻厚度的確定主要考慮兩個方面的因素:一是建設(shè)壩體的高度;二是大壩壩殼料可能出現(xiàn)的應力變形情況,因為心墻厚度的大小會影響墻體的受力狀態(tài),墻體過薄其自身的穩(wěn)定性將會下降,而過厚又容易出現(xiàn)破壞裂縫,墻體厚度需保持在一個合理的范圍內(nèi)。目前,大壩瀝青混凝土心墻布置多選擇底部厚、頂部薄的形式,大壩壩體高度越高,心墻厚度越小,一般情況下心墻厚度控制在0.5~1.2m,中等高度大壩瀝青混凝土心墻厚度控制在0.5~0.8m。而對于百米級大壩,心墻厚度需控制在0.6~1.2m,壩體頂部位置心墻厚度需在0.4m以上,底部心墻厚度控制在壩體高度的1/70~1/130。本工程設(shè)計烈度為7度,壩高98.0m,瀝青混凝土心墻頂高程1987.40m,墻底高程1891.20m。根據(jù)規(guī)范要求,設(shè)計心墻底部厚度為壩高的1/60~1/100,頂部不小于30cm,高壩不小于50cm??紤]到大壩位于7°地震區(qū),所以設(shè)計心墻頂寬0.5m,高程1894.80m處墻厚1.2m,高程1892.40m處墻厚2.4m。
1.4心墻周邊結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)心墻與壩基連接
瀝青混凝土心墻同周邊的連接是防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,為增強工程防滲效果,設(shè)計心墻澆注在混凝土蓋板上,并將瀝青混凝土心墻的厚度增加1~2倍。瀝青混凝土心墻防滲體建在弱風化基巖建基面上,在建基面上澆筑厚1.2m、寬6m的C20混凝土蓋板,將基巖與瀝青混凝土防滲體連為一體,以滿足壩基壩肩灌漿處理和防止接觸沖刷的需求。為增大粘結(jié)力并適應心墻水平變形,瀝青混凝土放大腳與混凝土底板之間做1cm瀝青瑪蹄脂,不需另設(shè)止水。
(2)心墻與溢洪道連接
根據(jù)瀝青混凝土心墻壩樞紐布置,溢洪道進口位于壩體樁號0+427m處,此處壩體高度為10.36m,工程設(shè)計與心墻連接部位的溢洪道邊墻的坡度為1:0.5,寬度為6.0m。心墻與混凝土結(jié)構(gòu)之間設(shè)瀝青瑪蹄脂,擴大心墻端部,接觸面設(shè)計成淺弧連接
2、壩體結(jié)構(gòu)三維靜力分析
為進一步掌握壩體結(jié)構(gòu)布局狀況,對其進行三維有限元應力應變靜力分析。壩體結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型選擇-B,心墻應力應變模型選用-μ模型,模型力學參數(shù)通過動態(tài)反演得到,見下表。
2.1 壩體結(jié)構(gòu)應力應變分析
分析可知,壩體結(jié)構(gòu)最大沉降變形量為32.0cm,僅為大壩高度的0.56%。水庫蓄水運行后,心墻水平位移量最大值為13.8,撓跨比不超過5%。心墻在竣工期第一和第三主應力分別為1.35MPa、0.49MPa,運行期為1.28MPa、0.52MPa。心墻與混凝土基座在不同時期的錯動量不同,蓄水運行期錯動量沿水流方向和河床方向的最大值分別為6.2mm、9.8mm。綜合分析得到,瀝青混凝土心墻具有較好的協(xié)調(diào)變形能力,應力分布較為合理,不會出現(xiàn)應力變形破壞,壩體結(jié)構(gòu)布局基本合理。
2.2參數(shù)敏感性分析
敏感性分析參數(shù)為心墻模型參數(shù)Kb,按照數(shù)值的不同設(shè)計了四種模擬方案,各方案參數(shù)Kb從小到大依次為、、和。分析可知,隨著b的增加,瀝青混凝土心墻在水平和豎直方面的位移基本保持不變,而心墻結(jié)構(gòu)受力確出現(xiàn)明顯的變化。心墻第一主應力與b成正相關(guān)關(guān)系,當b超出或低于一定數(shù)值時,心墻第一主應力均不再允許范圍之內(nèi)。
3、結(jié)語
相較于其他壩型心墻結(jié)構(gòu),碾壓式混凝土心墻大壩在設(shè)計中應過渡層厚度進行嚴格控制,過渡層厚度宜較厚,心墻厚度要綜合考慮大壩高度與大壩壩殼料可能的變形情況。有限元三維靜力計算結(jié)果顯示,設(shè)計壩體結(jié)構(gòu)具有較好的協(xié)調(diào)變形能力,壩體受力情況良好,不會出現(xiàn)不良變形破壞現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)布局合理。
參考文獻:
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作者簡介:李佳綸,男,(1983.12—),新疆石河子人,畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學,本科,工程師,研究方向:水利水電.