朱啟福

(貴州省赫章縣六曲河鎮(zhèn)水利站，貴州 赫章 553200)

1 概 述

梁軍等[1]以土石壩心墻為研究對(duì)象，基于庫(kù)倫土壓力理論，分析其受力特點(diǎn)。侯奇東等[2]分析縱向增強(qiáng)體對(duì)土石壩的穩(wěn)定性效果，分析其變形規(guī)律。張衛(wèi)平[3]開(kāi)展動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析各因素的變化對(duì)縱向增強(qiáng)復(fù)合體穩(wěn)定性的影響。陳立寶等[4]建立土石壩有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，分析其受力情況。

本文基于工程實(shí)際與設(shè)計(jì)理論，提出一種新結(jié)構(gòu)，由土石壩與混凝土結(jié)構(gòu)組成。這種結(jié)構(gòu)不僅能提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能降低結(jié)構(gòu)的滲透性。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，并提出其設(shè)計(jì)方法。

2 工程概況

本文以某萬(wàn)家溝水庫(kù)為研究對(duì)象。初設(shè)階段，該水庫(kù)為唯一壩線，集雨面積為9.11 km2，主河道長(zhǎng)6.1 km，主河道坡降77.18%。該工程由大壩樞紐、供水工程兩部分組成，主要建設(shè)內(nèi)容有面板堆石壩、左岸開(kāi)敞式溢洪道、左岸取水兼放空系統(tǒng)、提水泵站、輸水管道、高位水池等。大壩為面板堆石壩，最大壩高63.0 m，壩頂高程1 668.0 m，壩軸線長(zhǎng)121.84 m，見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)剖面圖

壩型為混凝土面板堆石壩，正常蓄水位1 665.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容184.3×104m3；死水位1 637.00 m，死庫(kù)容18.4×104m3，興利庫(kù)容165.9×104m3；校核洪水位1 667.15 m，總庫(kù)容207.0×104m3，工程規(guī)模為Ⅳ等小(Ⅰ)型。水庫(kù)年設(shè)計(jì)供水量171×104m3。工程地質(zhì)條件如下：

壩址區(qū)出露主要為峨嵋山玄武巖組(P2β)地層，含基巖裂隙水，根據(jù)地表調(diào)查，壩址處未發(fā)育有泉點(diǎn)。該地層含基巖裂隙水，含水性較均一，巖體透水性主要受風(fēng)化程度及巖石完整性控制，多隨風(fēng)化程度減弱而減弱。峨嵋山玄武巖組(P2β)出露于整個(gè)壩址區(qū)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。根據(jù)壩址鉆孔壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，巖體壓水試驗(yàn)呂榮值≤5 Lu的孔段，左岸距地表深度35～40 m，右岸距地表深度25～30 m，河床距地表深度45～50 m。

壩基(肩)巖體為峨眉山玄武巖(P2β)地層，從鉆孔巖芯、聲波波速值等分析，壩基(肩)強(qiáng)風(fēng)化巖體完整性較差，巖體質(zhì)量類(lèi)別為Cv類(lèi)；弱風(fēng)化巖體局部較完整，巖體質(zhì)量類(lèi)別為BIV2類(lèi)。

3 縱向增強(qiáng)體及其防滲設(shè)計(jì)

壩址上游河段左岸山體單薄，右岸存在較緩臺(tái)地；壩址下游河段河床縱坡陡，兩岸沖溝切割、河灣發(fā)育，因河流在左岸轉(zhuǎn)向，在壩址下游形成河灣，在左岸構(gòu)成單薄山脊。壩址河段為峽谷地形，位于左岸1#沖溝與下游河灣之間，岸坡左緩右陡，地形相對(duì)順直，山體雄厚，壩址河段可利用長(zhǎng)度僅60 m。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件以及建筑物布置，本階段以唯一壩線兩種壩型(混凝土拱壩、混凝土面板堆石壩)進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)，兩種壩型軸線略有調(diào)整，相距較近，地質(zhì)條件相似。

面板堆石壩方案最大壩高63.0 m，混凝土雙曲拱壩方案最大壩高68.0 m。根據(jù)規(guī)范，大壩按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)；溢洪道、取水口、放空底孔按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)；其余永久性次要建筑物為5級(jí)；根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2017)規(guī)定，導(dǎo)流等臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

根據(jù)水工設(shè)計(jì)理論和方法，對(duì)水庫(kù)壩體進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]，見(jiàn)圖2。增強(qiáng)體心墻的主要建筑材料為混凝土，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各因素的影響。圖2中，增強(qiáng)體心墻厚度為δ，會(huì)影響增強(qiáng)體心墻的強(qiáng)度；h0為增強(qiáng)體心墻超出下游水位的高度，也是增強(qiáng)體心墻設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的因素；H1為上游水位，H2為下游水位，L1為增強(qiáng)體上游邊墻至上游壩腳的距離。

圖2 滲流設(shè)計(jì)圖

首先計(jì)算心墻的單寬入滲量。單寬滲入量包括上游(q1)與下游(q2)兩部分，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：ke為心墻滲透系數(shù)；k2為下游壩殼滲透系數(shù)。

由上述公式化簡(jiǎn)并計(jì)算得：

(3)

(4)

q1=keHd

(5)

(6)

(7)

式中：ic2為下游壩殼允許水力坡降；ice為心墻允許水力坡降。

該水庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1水庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)，帶入上述公式，對(duì)增強(qiáng)體心墻進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)上游水位為39 m時(shí)，h0為12.4 m。為維持增強(qiáng)體心墻的穩(wěn)定性，計(jì)算其最小厚度δ為0.53 m。根據(jù)防滲設(shè)計(jì)規(guī)范確定最小滲透量[6]，q1為564×10-6cm3/s，滿(mǎn)足規(guī)范所規(guī)定的最小值。根據(jù)上述公式計(jì)算，L2為11.62 m。強(qiáng)度穩(wěn)定性為壩體設(shè)計(jì)中需要考慮的一部分。維持滲透穩(wěn)定性的最小寬度需根據(jù)強(qiáng)度穩(wěn)定性計(jì)算得出。

4 增強(qiáng)體變形計(jì)算與復(fù)核

隨著時(shí)間的推移，壩體的堆石會(huì)產(chǎn)生沉降，從而引起結(jié)構(gòu)變形；增強(qiáng)體心墻的撓度、轉(zhuǎn)角也會(huì)引起增強(qiáng)體的變形。受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 受力簡(jiǎn)圖

增強(qiáng)體心墻沉降量計(jì)算公式如下：

(8)

由上式推導(dǎo)可得，當(dāng)壩高為(1-n)H時(shí)，有最大沉降量。其計(jì)算公式為：

(9)

式中：ρ取2.13 g/cm3；Es0為堆石料壓縮模量；z為壩高變量；n為模型參數(shù)；H取41.5 m。

根據(jù)前人研究可得，增強(qiáng)體心墻頂部變形量最大。取增強(qiáng)體心墻頂部進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 增強(qiáng)體心墻參數(shù)

根據(jù)上述公式及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，壩頂沉降量為3.78 m，最大沉降量為5.98 m；增強(qiáng)體心墻竣工及蓄水時(shí)撓度為-0.097、4.683 cm，增強(qiáng)體心墻竣工及蓄水時(shí)轉(zhuǎn)角分別為-0.005 4、0.037 6 rad，撓度與轉(zhuǎn)角均在規(guī)范規(guī)定最小值之內(nèi)。由此可知，增強(qiáng)體心墻頂部變形量很小，符合設(shè)計(jì)規(guī)范[7]。

5 縱向增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)核

由于增強(qiáng)體心墻的主要建筑材料為混凝土，而壩體的建筑材料主要為土與碎石。兩者的建筑材料不同，其受力情況也有所差異。在實(shí)際計(jì)算中，常將增強(qiáng)體心墻作為擋土墻進(jìn)行計(jì)算，受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。本文主要考慮在不同工況下(完建、蓄水、水位驟降)，上下游荷載對(duì)增強(qiáng)體心墻的影響，分析增強(qiáng)體心墻的底部受力情況，計(jì)算底部受力與材料性能之間的差異，并對(duì)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的配筋進(jìn)行驗(yàn)算。

5.1 施工完建受力復(fù)核

增強(qiáng)體心墻主要受上下游荷載的作用。在這些荷載作用下，增強(qiáng)體心墻會(huì)發(fā)生變形。

上游主動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

(10)

(11)

下游主動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

(12)

(13)

式中：φ為堆石體強(qiáng)度值；β為壩坡坡角，其取值見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)取值

由上述公式及數(shù)據(jù)計(jì)算可得，完建安全系數(shù)為1.089。由于上下游堆石體主要建筑材料的性質(zhì)與性能有所差異，導(dǎo)致增強(qiáng)體心墻完工后存在一定的變形，所以其受力安全系數(shù)不為1。但由于堆石體對(duì)增強(qiáng)體心墻存在水平推力，所以增強(qiáng)體心墻可維持力學(xué)平衡狀態(tài)，以維持自身的穩(wěn)定性。

5.2 蓄水期受力復(fù)核

蓄水期增強(qiáng)體心墻主要受水荷載與堆石荷載的作用。水荷載計(jì)算公式為：

(14)

上游堆石荷載計(jì)算公式為：

(15)

(16)

下游堆石荷載計(jì)算公式為：

(17)

(18)

式中：ρ為密度；k取0.597。

根據(jù)計(jì)算可得，水荷載推力為7 452.3 kN，上游堆石推力為1 993.1 kN，下游堆石推力為1 532.2 kN。

安全系數(shù)計(jì)算公式為：

(19)

根據(jù)計(jì)算，蓄水期安全系數(shù)為1.61。由上述計(jì)算公式可得，下游堆石荷載為水荷載與上游堆石荷載的1.61倍。下游堆石荷載與水荷載和上游堆石荷載存在抵抗關(guān)系，提供下游堆石荷載維持增強(qiáng)體心墻的穩(wěn)定性。由于安全系數(shù)小于規(guī)范所規(guī)定的最小值，所以增強(qiáng)體心墻在蓄水期是安全的[8]。

5.3 水位驟降期受力復(fù)核

當(dāng)水庫(kù)排水時(shí)，水位的驟降會(huì)引起增強(qiáng)體心墻的位移。當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，墻體主要受下游堆石主動(dòng)土壓力的影響。排水時(shí)，墻體主要受上游堆石被動(dòng)土壓力的影響。在排水過(guò)程中，水位不斷下降，導(dǎo)致墻體受水荷載減小，上游堆石提供被動(dòng)土壓力，此時(shí)墻體易發(fā)生損壞。

上游堆石被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

(20)

(21)

根據(jù)計(jì)算，上游和下游堆石土壓力分別為11 256.25、3 405.21 kN。隨著水位的下降，受下游堆石的影響，增強(qiáng)體心墻有發(fā)生變形的趨勢(shì)，且方向向上。上游堆石土壓力為下游堆石土壓力的3.21倍，增強(qiáng)體心墻安全系數(shù)為3.21，安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范所規(guī)定的最小值，說(shuō)明在水位驟降期間，增強(qiáng)體心墻的穩(wěn)定性較好。

5.4 增強(qiáng)體心墻底部強(qiáng)度復(fù)核

由規(guī)范可知，增強(qiáng)體心墻底部受力應(yīng)小于混凝土抗壓強(qiáng)度。增強(qiáng)體心墻底部受力計(jì)算公式為：

(22)

(23)

經(jīng)計(jì)算，增強(qiáng)體心墻底部所受應(yīng)力為0.978 MPa，所受壓應(yīng)力為1.02 MPa。根據(jù)規(guī)范，增強(qiáng)體心墻底部所受壓應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的最小值。

5.5 配筋計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，增強(qiáng)體心墻各部分強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于其強(qiáng)度滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因此無(wú)需進(jìn)行配筋。

6 結(jié) 論

本文提出一種新結(jié)構(gòu)，由土石壩與混凝土結(jié)構(gòu)組成。這種結(jié)構(gòu)不僅能提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能降低結(jié)構(gòu)的滲透性。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，并提出其設(shè)計(jì)方法，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)上游水位為39 m時(shí)，h0為12.4 m，q1為564×10-6cm3/s，L2為11.62 m，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的最小值。強(qiáng)度穩(wěn)定性為壩體設(shè)計(jì)中需要考慮的一部分，維持滲透穩(wěn)定性的最小寬度需根據(jù)強(qiáng)度穩(wěn)定性計(jì)算得出。

2) 壩頂沉降量為3.78 m，最大沉降量為5.98 m。增強(qiáng)體心墻竣工及蓄水時(shí)撓度為-0.097、4.683 cm，竣工及蓄水時(shí)轉(zhuǎn)角分別為-0.005 4、0.037 6 rad，撓度與轉(zhuǎn)角均在規(guī)范規(guī)定最小值之內(nèi)。增強(qiáng)體心墻頂部變形量很小，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

3) 完建安全系數(shù)為1.089。由于上下游堆石體主要建筑材料的性質(zhì)與性能有所差異，導(dǎo)致增強(qiáng)體心墻完工后存在一定的變形，所以其受力安全系數(shù)不為1。但是由于堆石體對(duì)增強(qiáng)體心墻存在水平推力，所以增強(qiáng)體心墻可維持力學(xué)平衡狀態(tài)，以維持自身的穩(wěn)定性。

4) 蓄水期安全系數(shù)為1.61。下游堆石荷載為水荷載與上游堆石荷載的1.61倍。下游堆石荷載與水荷載和上游堆石荷載存在抵抗關(guān)系，提供下游堆石荷載維持增強(qiáng)體心墻的穩(wěn)定性。安全系數(shù)小于規(guī)范所規(guī)定的最小值。

5) 上游和下游堆石土壓力分別為11 256.25、3 405.21 kN。隨著水位的下降，受下游堆石的影響，增強(qiáng)體心墻有發(fā)生變形的趨勢(shì)，且方向向上。上游堆石土壓力為下游堆石土壓力的3.21倍，增強(qiáng)體心墻安全系數(shù)為3.21，安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范所規(guī)定的最小值，說(shuō)明在水位驟降期間，增強(qiáng)體心墻的穩(wěn)定性較好。

6) 增強(qiáng)體心墻底部所受應(yīng)力為0.978 MPa，所受壓應(yīng)力為1.02 MPa。根據(jù)規(guī)范，增強(qiáng)體心墻底部所受壓應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的最小值。