辛立平

(重慶水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶，401120)

1 工程概況

重慶市奉節(jié)縣百島湖水庫(kù)工程是一座具有城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合效益的中型水利工程。水庫(kù)位于奉節(jié)縣梅溪河一級(jí)支流車(chē)家壩河中下游河段，壩址位于奉節(jié)縣紅土鄉(xiāng)廖家咀處，水庫(kù)總庫(kù)容1406.00萬(wàn)m3，多年平均供水量2174萬(wàn)m3，工程等別為Ⅲ等中型工程，建筑物級(jí)別為2級(jí)。水庫(kù)壩樞由瀝青混凝土心墻石渣壩、溢洪洞和泄洪洞、取水塔和取水隧洞、上壩公路和交通洞組成。大壩采用瀝青混凝土心墻石渣壩，大壩河床建基面至壩頂防浪墻最大高度為90.5m。

百島湖水庫(kù)選壩河段位于香樹(shù)坪至下游白馬沱長(zhǎng)約2.6km河谷內(nèi)。兩岸臨河山頂高程800m～950m，岸坡地形陡峻，山體雄厚；河谷深切，地形對(duì)稱(chēng)性較好，呈狹窄“V”型河谷。選壩河段屬渠馬河向斜南翼，沿河道由上至下依次出露侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組-遂寧組地層，巖性為砂、泥巖不等厚互層，巖層面緩傾上游屬橫向-斜向谷。岸坡中下部及河床主要分布J3S2-2、J3S2-3地層，泥巖類(lèi)軟質(zhì)巖占比較高。兩岸后坡陡崖、倒崖分布較上壩址多，強(qiáng)卸荷巖體及危巖體均較上壩址發(fā)育；在混凝土壩型適宜性方面較上壩址差。

2 瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

瀝青混凝土心墻石渣壩心墻基座最低高程為546.00m，最大壩高80.00m，壩頂寬度12.00m，壩頂長(zhǎng)189.78m。大壩上游壩坡前布置圍堰，圍堰堰頂高程為577.80m，在上游591.00m高程設(shè)寬17.00m，以坡比1∶9.3至圍堰頂部形成棄渣壓腳區(qū)；壩體壩腳以上至591.00m高程壩坡為1∶3.5，并設(shè)8.0m寬平臺(tái)，在高程591.00m處設(shè)置C20混凝土鎮(zhèn)腳與兩岸坡鎮(zhèn)腳銜接；591.00m高程以上至壩頂坡比為1∶2.0，高程615.00m設(shè)置5.0m寬平臺(tái)；下游壩坡結(jié)合壩后上壩公路布置，采用Z字型布置，在558.00高程以上，從壩頂至灰?guī)r級(jí)配排水坡比為1∶2.0。

3 壩體分區(qū)及材料特性

壩體從上游至下游主要分區(qū)為：上游Ⅰ區(qū)(弱風(fēng)化砂巖料)；上游Ⅱ區(qū)(砂巖與砂質(zhì)泥巖石渣混合料(含強(qiáng)風(fēng)化料))；壩體過(guò)渡層分布于瀝青混凝土心墻上、下游兩側(cè)，緊靠下游過(guò)渡層為Ⅲ區(qū)，采用弱風(fēng)化砂巖石渣料填筑；Ⅲ區(qū)下游為Ⅳ區(qū)，采用砂質(zhì)泥巖石渣料填筑。高程558.00m下設(shè)級(jí)配砂巖水平排水帶，砂巖水平排水帶后接砂巖排水棱體，排水棱體頂高程為558.00m。

表1 瀝青混凝土心墻石渣壩材料設(shè)計(jì)參數(shù)

4 滲流分析計(jì)算

滲流分析計(jì)算程序采用河海大學(xué)工程力學(xué)系、南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)AutoBank6.1，采用有限單元法計(jì)算。

瀝青混凝土心墻參照已成工程，根據(jù)工程類(lèi)比選定。瀝青混凝土滲透系數(shù)1×10-8cm/s，壩殼弱風(fēng)化砂巖石渣料滲透系數(shù)1×10-2cm/s，壩殼砂巖與砂質(zhì)泥巖混合料(含強(qiáng)風(fēng)化料)滲透系數(shù)5×10-3cm/s，壩殼弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖石渣料滲透系數(shù)1×10-3cm/s，過(guò)渡層滲透系數(shù)1×10-2cm/s。

穩(wěn)定滲漏的上游水位是634.00m，下游無(wú)水，經(jīng)分析計(jì)算，大壩滲水量約5.54m3/d，平均年損失水量約2022m3，占水庫(kù)總庫(kù)容的0.02%。大壩下游浸潤(rùn)線(xiàn)較低，滲水基本沿反濾層和排水體滲向下游。計(jì)算成果表明，瀝青混凝土作為大壩防滲體，是安全可靠的，不存在滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

5 壩坡穩(wěn)定分析

壩坡穩(wěn)定計(jì)算程序采用河海大學(xué)工程力學(xué)系、南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)AutoBank6.1。

5.1 正常運(yùn)用條件

(1)穩(wěn)定滲流期，計(jì)算上、下游壩坡，水庫(kù)水位處于634.00m～596.00m之間的各種水位的穩(wěn)定滲流期；

(2)庫(kù)水位降落期，計(jì)算上游壩坡，水庫(kù)水位處于634.00m～596.00m之間經(jīng)常性的正常降落；

5.2 非正常運(yùn)用條件

(1)施工期，計(jì)算上、下游壩坡；

(2)校核洪水位穩(wěn)定滲流期，計(jì)算上、下游壩坡，水庫(kù)水位在634.73m時(shí)的穩(wěn)定滲流期；

(3)庫(kù)水位非常降落期，計(jì)算上游邊坡，自校核洪水位634.73m降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等。

5.3 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)地勘提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值，結(jié)合國(guó)內(nèi)已建工程的經(jīng)驗(yàn)，確定材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土石料物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值

從表3中可看出，在各設(shè)計(jì)工況下壩坡均是穩(wěn)定的。

表3 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算成果

6 應(yīng)力和變形分析

6.1 應(yīng)力和變形分析計(jì)算參數(shù)

根據(jù)壩體的布置，選取計(jì)算典型斷面。計(jì)算采用AutoBank6.1程序，對(duì)壩體進(jìn)行平面有限元應(yīng)力應(yīng)變分析。

6.2 計(jì)算成果

6.2.1 壩體完建

(1)壩體的最大變形和應(yīng)力

表5 壩體填筑至壩頂時(shí)壩體和廊道的計(jì)算結(jié)果

(2)瀝青混凝土心墻的最大變形和應(yīng)力

表6 壩體填筑至壩頂時(shí)瀝青混凝土心墻的計(jì)算結(jié)果

6.2.2 蓄水至校核洪水位

(1)壩殼的最大變形和應(yīng)力應(yīng)變

表7 蓄水至校核洪水位時(shí)壩體和廊道的計(jì)算結(jié)果

(2)瀝青混凝土心墻的最大變形和應(yīng)力

表8 蓄水至校核洪水位時(shí)瀝青混凝土心墻的計(jì)算結(jié)果

6.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)表4所列參數(shù)進(jìn)行靜力有限元計(jì)算,研究了壩體在完建期、蓄水期的應(yīng)力變形特性，尤其是壩體、心墻、廊道的應(yīng)力分布，主要結(jié)果如下。

表4 壩體應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算參數(shù)

6.3.1 沉降

(1)完建期：大壩沉降基本呈上下游對(duì)稱(chēng)分布，最大沉降值位于壩高2/3處。其中，壩殼料最大沉降值為0.482m；心墻最大沉降值0.23m。

(2)蓄水期：蓄水期沉降仍基本呈上下游對(duì)稱(chēng)分布，最大沉降值位于壩高2/3處。其中壩殼料最大沉降值0.585m，相比竣工期增加0.103m；心墻最大沉降值0.311m。

6.3.2 水平位移

(1)完建期：大壩壩體位移呈上下游對(duì)稱(chēng)，上下游壩殼料位移均向遠(yuǎn)離軸線(xiàn)方向，越靠近位移值軸線(xiàn)越小。其中，上游壩殼料最大位移0.204m；下游壩殼料最大位移0.241m；心墻最大水平位移0.014m，向下游方向。

(2)蓄水期：蓄水后由于水壓力的作用，壩體位移整體向下游方向。上游壩殼料位移值較大，達(dá)到0.479m，方向于竣工期相反，相對(duì)位移值達(dá)到0.683m；下游壩殼料位移值0.439m；心墻最大水平位移0.352m，向下游方向。

6.3.3 壩體應(yīng)力

(1)完建期：壩體應(yīng)力分布均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力930kPa，最大垂直應(yīng)力1722kPa，最大剪切應(yīng)力(XY)141kPa。

(2)蓄水期：壩體應(yīng)力分布均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力924kPa，最大垂直應(yīng)力1789kPa，最大剪切應(yīng)力(XY)157kPa。

根據(jù)計(jì)算，完建期和蓄水期的壩體應(yīng)力分布比較均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力在安全允許范圍內(nèi)。

6.3.4 心墻應(yīng)力

(1)完建期：心墻應(yīng)力分布均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力1704kPa，最大垂直應(yīng)力2755kPa，最大剪切應(yīng)力(XY)134kPa。

(2)蓄水期：壩體應(yīng)力分布均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力1694kPa，最大垂直應(yīng)力3100kPa，最大剪切應(yīng)力(XY)188kPa。

根據(jù)計(jì)算，完建期和蓄水期的心墻應(yīng)力分布比較均勻，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力在安全允許范圍內(nèi)。

6.3.5 廊道應(yīng)力

(1)完建期：C25混凝土廊道最大壓應(yīng)力4193kPa，未超過(guò)C25混凝土的抗壓極限值。

(2)蓄水期：C25混凝土廊道最大壓應(yīng)力4133kPa，未超過(guò)C25混凝土的抗壓極限值。

6.4 計(jì)算結(jié)論

計(jì)算成果表明，完建期河床部位壩體沉降較大，可能會(huì)使壩肩心墻部位產(chǎn)生剪切和拉伸變形。由于瀝青混凝土本身具有較大的抗剪切和拉伸變形能力，同時(shí)它具有流變變形，能吸收不利的抗剪應(yīng)力。同時(shí)，參照已建工程的經(jīng)驗(yàn)，完建期壩體的沉降對(duì)壩體運(yùn)行影響較小，因此完建期壩體的沉降不會(huì)危及心墻的安全。蓄水期心墻和廊道變形連續(xù)，無(wú)突變現(xiàn)象。在施工和蓄水過(guò)程中，壩體、地基和防滲系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)都基本符合要求，大壩未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此，從二維有限元應(yīng)力變形分析的成果看，瀝青混凝土心墻壩技術(shù)上是可行的。

7 結(jié)論

百島湖水庫(kù)壩址處河谷狹窄，岸坡陡峻，壩比較高，結(jié)合已有瀝青混凝土壩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并基于A(yíng)utobank軟件，在可研階段進(jìn)行，壩坡穩(wěn)定分析、滲流分析和應(yīng)力應(yīng)變分析，滿(mǎn)足要求，采用瀝青混凝土壩是可行的。