(四川大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，成都，610065)

1 工程概況

倉庫灣水庫樞紐坐落在通江縣至誠鎮(zhèn)場鎮(zhèn)中心西北側(cè)的龍王廟溝上，距至誠鎮(zhèn)場鎮(zhèn)中心0.7km，距通江縣城區(qū)約40km。水庫控制集水面積0.71km2，多年平均徑流量46.14萬m3。倉庫灣水庫是一座以場鎮(zhèn)供水為任務(wù)的小(2)型水利工程，設(shè)計供水人口2.22萬人。水庫主要建筑物包括大壩、泄洪洞、放空洞、取水浮船、輸水管線等。大壩分為主、副壩，其中主壩按縱向增強體土石壩進行設(shè)計[1、2]，副壩為重力壩。水庫總庫容62.34萬m3，正常蓄水位1030.00m，相應(yīng)庫容55.42萬m3，興利庫容52.59萬m3，死庫容2.83萬m3。

倉庫灣水庫主壩采用縱向增強體(混凝土心墻)堆石壩[3]，壩軸線長83.25m，壩頂高程1031.70m，防浪墻高1.2m，最大壩高34.15m，壩頂寬6m。上游壩坡設(shè)3級坡，從上至下坡比分別為1∶2、1∶2.25、1∶3，高程1020.50m設(shè)2m寬馬道，高程1010.00m設(shè)3m寬馬道。下游壩坡設(shè)3級坡，高程1020.50m和1010.00m各設(shè)2m寬馬道，從上至下坡比為1∶2、1∶2.25、1∶2.25?；炷列膲癜词┕l件取為0.8m，軸線位于大壩軸線上游0.4m，增強體上游為2.2m厚砂巖過渡層(施工厚度為3m，填筑完成后混凝土心墻占用0.8m，實際厚度2.2m)，心墻下游設(shè)3.0m厚砂巖過渡層。大壩高程1028.37m處為增強體槽孔施工平臺，平臺寬18m。1028.37m至壩頂高程之間采用現(xiàn)澆混凝土心墻，兩種施工方式的心墻之間采用鋼筋連接。大壩采用新鮮、弱風(fēng)化、強風(fēng)化砂巖堆石分區(qū)填筑。下游1010.00m以下壩坡鋪設(shè)1.0m厚大塊石護坡以增強壩基排水性能。大壩分區(qū)橫部圖如圖1所示。

圖1 倉庫灣增強體土石壩橫斷面示意

根據(jù)參考文獻[1]和[2]，縱向增強體具有防滲、受力和抵抗變形三種作用，本文重點研究這種新壩型在倉庫灣水庫設(shè)計中的應(yīng)用。

2 縱向增強體防滲設(shè)計

縱向增強體土石壩防滲體系為沿壩軸線“插入”混凝土剛性防滲墻，采用增強體墻下灌漿管通過帷幕灌漿形成壩基整體防滲結(jié)構(gòu)。以最大壩高剖面(H=34.15m)進行設(shè)計計算。

依據(jù)水庫正常水位等特征水位和筑壩材料特性進行壩體防滲與體型設(shè)計。混凝土縱向增強體作為防滲心墻在設(shè)計上應(yīng)考慮計算心墻厚度δ和心墻下游面出露并高出下游水位的h0，以及維持下游壩殼滲流穩(wěn)定的最低水平寬度L2，如圖2所示。

圖2 增強體心墻正常滲流簡圖

倉庫灣水庫特征水位值和壩體材料參數(shù)見表1。依據(jù)參考文獻[1]、[2]所列的計算公式，計算增強體有關(guān)設(shè)計值，詳見表2。

表1 倉庫灣水庫特征水位與筑壩材料參數(shù)

表2 倉庫灣水庫大壩增強體設(shè)計值成果

表2增強體設(shè)計值成果表明：(1)在上游水頭作用下，增強體心墻下游側(cè)滲透水出露高程約在下游水位以上8.62m；(2)增強體心墻滿足滲透穩(wěn)定的最小計算厚度為0.49m；(3)計算壩體的單寬滲漏量約為3.9010-5cm3/s，滿足土石壩防滲設(shè)計要求；(4)計算所得下游壩殼維持滲透穩(wěn)定的最小寬度為L2=8.80m，說明壩體邊坡設(shè)計應(yīng)以強度穩(wěn)定性為控制因素，所以L1、L2壩底寬度、應(yīng)由強度穩(wěn)定性計算決定。

本次設(shè)計心墻厚度計算結(jié)果為0.49m，考慮到本壩型剛剛開始用于工程實際，有關(guān)觀測數(shù)據(jù)和工程積累較少，為了充分考慮工程安全，并滿足機械施工要求，心墻厚度參照方田壩水庫[2]，取為0.8m，待工程建成后增強相關(guān)滲流觀測，以期對后續(xù)建設(shè)項目提供相應(yīng)的理論支持，達(dá)到更加安全、經(jīng)濟的目的。

3 縱向增強體變形計算

該壩型的變形分析主要側(cè)重兩方面，一是上下游壩體填筑料相對于增強體心墻產(chǎn)生的向下的沉S；二是竣工期和蓄水運行期兩種工況增強體心墻頂部的擾度y0、轉(zhuǎn)角θ0等變形指標(biāo)。

3.1 壩體沉降計算

根據(jù)參考文獻[1]、[2]提供的計算公式：

(1)

最大沉降發(fā)生在壩高(1-n)H處，其值為：

(2)

式中：H——壩高，H=34.15m；

n——鄧肯-張模型參數(shù)之一；

z——壩高變量；

Es0——筑壩料壓縮模量初始值，取75MPa；

ρ——筑壩料平均密度。

具體參數(shù)詳見表3。經(jīng)過計算，壩頂沉降s=3.89cm，最大沉降Sm=5.27cm。

3.2 增強體變形計算

按竣工期和蓄水運行期分析增強體的受力情況，由于增強體為相對剛性材料，上下游壩體填筑料為相對柔性的材料，因而增強體在一定程度上改變了土石壩的應(yīng)力與變形狀況，其受力簡圖如圖3所示。按照文獻[1]的計算思路，T點以上至壩頂?shù)耐ㄌ顓^(qū)對增強體心墻的變形有限制作用，為了簡化計算，將該部分力作為安全儲備，在進行變形計算時，只考慮水平方向的受力。將增強體做為單位延向米的豎向的懸壁梁，如不計沿壩軸線方向的受力約束，這樣從變形分析上講，增強體頂部T點變位最大，故只對T點進行復(fù)核計算。

圖3 增強體受力簡圖

根據(jù)撓曲微分方程[4]，可分別求得心墻頂部的轉(zhuǎn)角θT和擾度yT等計算公式[1]，計算參數(shù)與計算結(jié)果分別見表3、表4。

表3 增強體變位計算參數(shù)

表4 增強體頂端變位值計算結(jié)果

注：表中上腳標(biāo)(s)、(y)分別表示竣工期、運行期；轉(zhuǎn)角單位為弧度，“-”值表示向上游。

從計算結(jié)果可以看出：(1)T點變位很小，在相應(yīng)材料的允許范圍內(nèi)；(2)竣工期頂端變位很小，運行期的擾度和轉(zhuǎn)角是竣工期的7～8倍；(3)運行期T點向上游偏轉(zhuǎn)，表明上游土、水荷載作用于增強體并使其產(chǎn)生彎曲，表現(xiàn)在頂端產(chǎn)生向上游的偏移。

4 縱向增強體受力分析

由于在土石壩中“插入”了剛性的縱向增強體，因而導(dǎo)致土石壩中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，梁軍等人[2，5]引入擋土墻理論，將增強體視為置于壩體中的一道擋土墻，其底部為固定端，頂部為自由端，如同一道薄薄的混凝土壩，只有依靠上下游堆石體提供強大的“圍護”作用才能發(fā)揮作用。設(shè)計計算主要考慮三點，一是增強體作為擋土墻在不同工況下的受力表現(xiàn)，上下游的水平荷載都集中在墻體，采用受力安全系數(shù)來描述這一情況，并規(guī)定其值為被動力與主動力之比；二是不同工況下增強體底部的受力狀態(tài)，主要復(fù)核底部受力不能超過材料的力學(xué)強度；三是增強體的結(jié)構(gòu)配筋計算。

4.1 增強體受力復(fù)核

由于竣工期增強體“不偏不倚”地置于壩體中，起著承受上下游壩體荷載與抵抗變形的作用，增強體處于靜止受力狀態(tài)，此時增強體總是安全穩(wěn)定的。本文僅復(fù)核蓄水運行、水位驟降二種基本荷載組合情況。

4.1.1 蓄水運行期

此時增強體受到上游水荷載水平推力和上游壩體主動土壓力作用而傾向下游偏移，下游壩體則對其產(chǎn)生被動土壓力作用。

(1)水荷載的水平推力：

(3)

式中：ρw——水的密度；

H1——計算剖面的增強體高度，為簡單計，上游水頭與增強體高度保持一致。

(2)上游堆石水平推力(主動土壓力)：

(4)

(3)下游堆石體對增強體的被動土壓力：

(5)

其余符號意義同上。

4.1.2 庫水驟降期

同樣，在水庫水位發(fā)生驟降(卸載)，增強體就有向上游偏移的傾向，下游堆石對墻體的作用則由原來蓄水期的被動土壓力變?yōu)橹鲃油翂毫?，而上游堆石體對墻體而言，便成為被動土壓力，其最危險的工況是水荷載被卸去同時上游堆石尚未排水而整體處于飽水狀態(tài)。

(1)上游飽水堆石體為被動區(qū)，其被動土壓力為：

(6)

ρ1m——上游筑壩料飽和密度，ρ1m=2.4t/m3；

其余符號意義同上。

(2)下游堆石對增強體的主動土壓力：

(7)

(3)水位驟降期的受力安全系數(shù)Sf(z)：

(8)

式中：上腳標(biāo)(z)表示水位驟降期。

(4)說明水位驟降工況下游堆石產(chǎn)生的主動水平推力使增強體心墻有向上游變形的趨勢，但卻獲得了上游飽和堆石體對增強體的抵抗，這一抗力(被動水平壓力)是上游推力的2.4倍，增強體背后(即上游側(cè))同樣具有強大的“后盾”支撐，此工況增強體也是安全的(不計底部固端約束)。

4.2 增強體底部固定端強度復(fù)核

4.2.1 增強體底部固定端強度復(fù)核

4.2.2 結(jié)構(gòu)配筋計算

以上計算分析表明，按擋土墻理論在各種工況下的增強體力學(xué)性能都是安全的，底部受力并沒有超過其抗壓強度，墻體本身的計算應(yīng)力狀態(tài)較為正常，增強體無須專門的結(jié)構(gòu)配筋計算，施工過程中所需的鋼桁架和預(yù)埋灌漿鋼管實際上已起到結(jié)構(gòu)骨架的作用。

5 洪水漫頂計算

一般土石壩是不允許洪水漫頂?shù)?，但在實際運行中，由于各種原因，土石壩出現(xiàn)洪水漫頂沖刷也是難免的，因而研究縱向增強體土石壩洪水漫頂及其安全性能是十分有意義的。根據(jù)參考文獻[6]，洪水漫頂沖刷過程如圖4所示。

(a) (b)

(a) (b)

表5 洪水漫頂沖刷計算表

因此，在水庫遭遇200一遇的校核洪水時，如洪水漫頂，最大沖深可達(dá)3.93m，相應(yīng)時間為5.89h；在20年一遇的設(shè)計工況下，如洪水漫頂，則壩下游最大沖深3.13m，相應(yīng)時間為7.24h。

6 縱向增強體沖刷后的強度復(fù)核

洪水漫頂沖刷造成下游壩體一部分筑壩料被沖失，形成沖坑(槽)如圖4(d)所示，由此造成墻體下游側(cè)一定范圍(Zm)臨空，增強體單獨抵抗上游土水荷載作用，其沖刷坑最低點截面的受力應(yīng)滿足不出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的要求。依據(jù)文獻[6]，計算出在設(shè)計與校核工況下墻體是否出現(xiàn)破壞失穩(wěn)：

(1)在設(shè)計工況時，漫頂沖刷的深度為3.13m，分別小于墻體單獨抵抗上游荷載的極限深度7.5m，因而增強體是安全的；

(2)在校核洪水發(fā)生時，由于洪水漫頂沖刷深度為3.93m，仍然小于墻體單獨承受上游荷載極限深度7.7m，因而墻體也是安全的。

因此，在遭遇200年一遇洪水和20年一遇洪水下，增強體土石壩并不會產(chǎn)生如同常規(guī)土石所謂潰決的極端情況，因而增強體起到了抵制土石壩漫頂潰壩的結(jié)構(gòu)支撐作用，表明增強體土石壩的安全運行性能比常規(guī)土石壩更為出色。

7 結(jié)論

(1)通過以上計算，縱向增強體混凝土心墻的防滲性、受力及變形條件均能夠滿足設(shè)計要求。并且在校核洪水情況下發(fā)生洪水漫頂，計算不會出現(xiàn)洪水漫頂以致潰壩的極端情況，因而壩體是安全的。

(2)縱向增強體土石壩體現(xiàn)了“剛?cè)嵯酀?、漫而不潰、危而不倒”的特點，是對土石壩筑壩理念的一種突破，也終結(jié)了原有混凝土心墻土石壩只有工程實踐、沒有設(shè)計理論引導(dǎo)的經(jīng)驗做法，而將此類壩型上升為一種技術(shù)理論方法。將常規(guī)的土石壩和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，即是防滲體系，又是結(jié)構(gòu)體系，為土石壩的建設(shè)提供了一個新壩型、新體系。倉庫灣水庫的設(shè)計應(yīng)用論證了該壩型的可行性，希望能夠總結(jié)更多經(jīng)驗，獲得更加豐富的相關(guān)數(shù)據(jù)，以期進一步完善縱向增強體土石壩的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則。

本文得到了四川水利廳總工程師梁軍教高的悉心指導(dǎo)，在此深表謝意！