楊 波

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

土石壩具有復(fù)雜地形適應(yīng)強(qiáng)、施工周期短、建造成本低等顯著優(yōu)勢，是新疆地區(qū)首選的重要壩型[1]。加之新疆石油資源豐富，瀝青品質(zhì)極高，為發(fā)展高瀝青心墻壩奠定了重要基礎(chǔ)[2]。世界已建瀝青心墻壩217座；中國已建119座；新疆已建70余座(占全國的60%)，100m以上高壩占全國73.3%。如已建成的一批“百米”級瀝青心墻壩有：新疆民豐縣尼雅水庫(壩高134.0m)、且末縣大石門水利樞紐工程(壩高128.8m)、哈密市BMD水庫(壩高128.0m)、哈密市八大石水庫(壩高115.7m)、和碩縣伯斯阿木水庫(壩高111.0m)、呼圖壁縣石門水庫(壩高106.0m)、托克遜縣阿拉溝水庫(壩高105.3m)、輪臺縣五一水庫(壩高102.5m)、拜城縣溫泉水庫(壩高102.5m)、烏蘇市吉爾格勒德水庫(壩高101.0m)。然而，國內(nèi)外已建或在建的高瀝青混凝土心墻壩中，尚有些工程蓄水后，導(dǎo)致壩體不均勻沉降，嚴(yán)重時有些工程壩后滲壓計(jì)異常漏水嚴(yán)重，對下游廠房及壩體安全運(yùn)行造成重大隱患[4]，因此，壩體的合理變形控制對整個工程的安全運(yùn)行非常重要[3]。為振興兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)，加快實(shí)施新型工業(yè)化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，充分利用國家政策和十三師的資源、交通和區(qū)位優(yōu)勢，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，也為了實(shí)現(xiàn)地表水資源的合理配置和高效利用，有效調(diào)節(jié)年內(nèi)水量，提高灌溉供水保證率，解決園區(qū)供水問題，保障社會穩(wěn)定，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，在新疆哈密修建BMD水庫，該水庫具有灌溉、工業(yè)供水等綜合利用功能。然而作為國內(nèi)已建和在建排名第4高的瀝青心墻壩，大壩設(shè)計(jì)面臨著“一狹一高兩小”的問題，即庫盤河谷相對窄狹，切割深度大，河谷多呈“V”形地貌形態(tài)，最大壩高為128m(心墻高度116.4m)，灌溉供水規(guī)模小、洪水標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的洪峰流量小的特點(diǎn)。本文結(jié)合工程特點(diǎn)提出滿足規(guī)范要求的大壩結(jié)構(gòu)及土料設(shè)計(jì)指標(biāo)[4-8]，并建立大壩三維模型用于分析計(jì)算，依據(jù)計(jì)算成果評價壩體的設(shè)計(jì)成果[9-10]。

1 工程概況

BMD水庫工程為下游十三師農(nóng)業(yè)灌溉用水及工業(yè)用水起到了調(diào)節(jié)作用，總庫容為906萬m3，正常蓄水位為1543m，壩高128m，控制灌溉土地面積為5.1萬畝，為Ⅳ等小(1)型工程。工程由攔河壩、左岸的溢洪道、導(dǎo)流兼顧灌溉供水洞組成，壩址區(qū)設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅶ度。

1.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩與上游圍堰永久結(jié)合，圍堰頂寬5.0m，上、下游邊坡1∶2.0。堰頂高程1474.00m以上壩坡取為1∶2.25，采用現(xiàn)澆C30W6F300砼護(hù)坡，厚0.20m?；炷敛捎?2.5水泥，二級配，分塊尺寸3m×3m，結(jié)構(gòu)縫寬2cm，采用2cm厚高壓閉孔板嵌縫?？紤]心墻上游堆石區(qū)為含水區(qū)，在水庫運(yùn)行過程中，庫內(nèi)水位下降，為減緩壩體內(nèi)水無法及時排出而產(chǎn)生揚(yáng)壓力對護(hù)坡的浮托破壞，在護(hù)坡上設(shè)置排水孔(每塊板上布置4孔，孔徑φ100)，同時在排水孔處砼護(hù)坡下設(shè)無紡布，以防止把壩體內(nèi)細(xì)顆粒帶出，造成壩體滲透破壞。下游馬道間壩坡為1∶1.8，采用30cm厚混凝土框格干砌卵石護(hù)坡，混凝土框格厚0.3m，高0.5m，下游坡設(shè)之字形上壩公路，路寬5m，縱坡i=9%，共設(shè)4級上壩道路，路面表層瀝青砼厚5cm，其下設(shè)20cm厚級配碎石墊層，最大斷面下游綜合坡度約1∶2.01。

1.2 壩體瀝青心墻設(shè)計(jì)

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)[5-7]。砂礫料區(qū)位于過渡層外側(cè)，底部位于壩基，采用C1料場料填筑，平均運(yùn)距1.5km。河床砂礫石填筑層厚0.8m，相對密度Dr≥0.85。過濾料位于心墻的兩側(cè)，頂高程1545.00m，由C1砂礫石料場篩除80mm以上粒徑的砂礫料獲得，水平寬度3m，等寬布置，相對密度不低于0.85。防滲體采用垂直布置的瀝青心墻，墻體軸線與壩軸線間隔3.0m偏向上游，心墻頂寬為0.8m，底寬為1.2m，在底部做放大腳與基礎(chǔ)相連。高程1545.00～1505.00m段心墻厚度80cm，高程1505.00～1465.00m段心墻厚度100cm，高程1465.00～1418.90m段心墻厚度120cm[2]。

1.3 瀝青砼心墻與岸坡及其他建筑物的連接方式

(1)瀝青混凝土心墻與底部基礎(chǔ)、兩側(cè)岸坡采用混凝土基座連接，坡度開挖面不陡于1∶0.5，混凝土基座基礎(chǔ)底部位于弱風(fēng)化層內(nèi)，固結(jié)灌漿深度5m。

(2)瀝青砼心墻與左岸溢洪道邊墻連接，對心墻基座寬度范圍內(nèi)的溢洪道邊墻邊坡加厚放緩至1∶0.3，并在放緩后的溢洪道邊墻上設(shè)置1.8m寬凹槽，心墻局部加厚與凹槽連接，溢洪道邊墻與心墻連接段采用1∶0.3的斜坡，以保持心墻與邊墻為壓力接縫，縫內(nèi)設(shè)止水，接觸面涂刷厚度為1～2cm的瀝青瑪蹄酯。

1.4 壩基防滲設(shè)計(jì)

左、右壩肩瀝青砼心墻防滲體建基于弱風(fēng)化層上部，開挖深度最大約20m，基巖上設(shè)1.0m厚5.5m寬強(qiáng)度等級為C30砼基座與瀝青混凝土心墻防滲體相接。壩肩基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，排距1.5m，孔距2m，梅花形布置，孔深5m?；A(chǔ)下部設(shè)2道灌漿帷幕，孔深度以深入q≤3Lu線以下5m控制，即左壩肩帷幕灌漿深度為50m，右壩肩帷幕灌漿深度45m。左壩肩卸荷體做加強(qiáng)防滲處理，設(shè)4排帷幕，帷幕深度需達(dá)到卸荷體底部以下5m并同時按深入q≤3Lu線以下5m控制。

河床部分心墻基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化上限，在心墻底部澆筑5.5m寬1.0m厚混凝土蓋板，并采用雙排帷幕灌漿，控制標(biāo)準(zhǔn)以小于3lu線以下5m為準(zhǔn)。

左岸壩肩灌漿平硐長20m，右岸壩肩灌漿平硐長25m，單排帷幕、灌漿控制標(biāo)準(zhǔn)按小于3Lu孔距2m。

對壩殼基礎(chǔ)內(nèi)的節(jié)理裂隙與出漏的斷層，采用混凝土塞進(jìn)行回填處理，并對塞下不良部位加強(qiáng)固結(jié)灌漿。

2 有限元計(jì)算分析

2.1 筑壩料靜力模型本構(gòu)

新疆天然礫石分布范圍廣，利用天然砂礫石填筑壩體，是新疆心墻壩區(qū)別于一般心墻壩的主要特征。對BMD瀝青混凝土心墻壩開展了三維非線性分析計(jì)算壩體和瀝青心墻的變形與應(yīng)力規(guī)律。建立碾壓式瀝青混凝土砂礫石壩三維有限元模型，其中，順河向位移以向下游為正，應(yīng)力以壓為正。填筑料采用Duncan-E-B模型，對應(yīng)的彈性矩陣如公式(1)[11-16]，模型中的混凝土均為彈性模型。

(1)

式中，Et—切線彈性模量；B—體積模量。

壩體填筑料鄧肯E-B模型參數(shù)見表1。表中ρd為干密度，K為粗粒土的初始模量，n為切線彈性模量指數(shù)，Rf為破壞比，C為粘聚力，φ為摩擦角，Kb初始模量基數(shù)，m為反映初始模量隨圍壓變化的速率。

表1 壩體填筑料鄧肯E-B模型參數(shù)表

2.2 壩體填筑和蓄水過程模擬

壩體最大壩高128m，實(shí)際每層填筑后高度為0.8m，根據(jù)同類型工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，在蓄水前的施工期模型每3m填筑1層，最后2部采用4m填筑1層，共計(jì)42個分析步，蓄水分31個分析步蓄水。

2.3 網(wǎng)格剖分及邊界條件

工程的三維有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，維有限元模型共有單元307055個，節(jié)點(diǎn)327，338個。其中，瀝青心墻料，高程1510m為分區(qū)線，上、下采用不同的瀝青心墻材料。由于壩體底部及兩岸岸坡均位于灰色黑云母花崗巖基礎(chǔ)之上，該巖性為堅(jiān)硬巖。因此將模型底部所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全部約束。

圖1 壩體三維網(wǎng)格剖分圖

3 成果分析

通過建立心墻壩三維有限元模型，計(jì)算大壩在上述工況下的變形特性分析結(jié)果表明：

(1)當(dāng)填筑至第42部時即大壩填筑完畢后，上游壩體順河向最大變形量值為9.0cm，下游壩體順河向最大變形量值為13.7cm；當(dāng)蓄水至正常蓄水位時即模型在第73步時，在分層蓄水壓力的作用下，壩體整體向下游變形，上游側(cè)的變形減小至7.8cm，下游側(cè)變形量增大至17.8cm。最大沉降量為35.1cm占整個壩高0.27%，滿足規(guī)范壩體變形量占壩高小于1%的要求。由于本工程位于狹窄河谷壩體受拱效應(yīng)作用大、小主應(yīng)力最大值分別為-2.08、-0.75MPa。

(2)當(dāng)水庫蓄水后模型到第71步時在上游水壓力作用下瀝青心墻順河向變形逐漸增大，順河向向下游的最大位移達(dá)到12.0cm，位于心墻頂部；壩體水平向最大值分別為18.4cm(向下游)和8.1cm(向上游)。最大沉降量為31.7cm(沒考慮壩殼料濕陷，僅考慮上游壩殼料浮容重)占整個壩高0.25%，壩體在地形作用下拱效應(yīng)影響到心墻，心墻底部大、小主應(yīng)力最大值分別為2.44、0.94MPa，心墻豎向沉降最大值為30.0cm，位于河谷中間壩體1/2處，由于對壩體蓄水后瀝青混凝土心墻的豎向、水平向應(yīng)力均大于相同高程的水壓力產(chǎn)出的應(yīng)力，即按照黏土心墻壩水力劈裂的判別方法，滿蓄期時將任一點(diǎn)的計(jì)算豎向應(yīng)力減去水產(chǎn)生的應(yīng)力后的值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，由此原理繪制心墻等值線圖如圖2—4所示，可知心墻最小值為0.1位于兩岸起坡點(diǎn)，圖中所有值均大于0，表明發(fā)生水力劈裂的可能性很小。

圖2 滿蓄期水平位移等值線圖(單位：cm)

圖3 滿蓄期豎向沉降等值線圖(單位：cm)

圖4 滿蓄期豎向應(yīng)力與水壓力差值(單位：MPa)

4 結(jié)論

工程大壩面臨著“一狹一高兩小”的設(shè)計(jì)難題，通過地形地質(zhì)及外部邊界條件提出滿足要求設(shè)計(jì)方案，本次研究采用了先進(jìn)的精細(xì)化三維非線性應(yīng)力與變形有限元分析方法對BMD瀝青混凝土心墻大壩的壩體、心墻及基座的應(yīng)力與變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，竣工期與滿蓄期壩體變形均符合瀝青心墻壩一般變形規(guī)律，滿蓄期壩體的最大豎向沉降占壩高的0.25%，統(tǒng)計(jì)以上變形成果與同級別壩體沉降相比算較小的，滿足設(shè)計(jì)要求的壩體的填筑標(biāo)準(zhǔn)，可有效的控制壩體的變形。瀝青混凝土心墻在施工期、蓄水期變形不大、豎向應(yīng)力與水壓力差值大于0，滿足工程運(yùn)行要求。采用有限元法驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，為工程正常運(yùn)行提供可靠依據(jù)。