300m級高土石壩心墻直—斜軸線布置型式選擇中的滲流和靜動力計算分析

田景元,姜媛媛

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 研究背景

擬建的某心墻堆石壩高 310m,屬于超高壩,工程規模超過了國內已建和在建的同類型大壩。對大壩的設計力求建筑技術可行、長期運行安全可靠、投資最省,因此,大壩結構設計的每一個方案或細節,都需仔細推敲。土石壩心墻軸線布置有直、斜兩種常用型式,亦即土石壩心墻型式有直心墻和斜心墻兩種型式。因此該心墻堆石壩設計面臨著這兩種心墻型式的選擇。

據不完全統計[1],世界上已建和在建的壩高在230m以上的當地材料壩共有 12座。12座壩主要采用土心墻堆石壩壩型,防滲體布置一般采用土質斜心墻和土質直心墻兩種型式。塔吉克斯坦已建成的 300m高的努列克壩、中國在建的 263m高的糯扎渡大壩及墨西哥已建成的 261m高的奇科森大壩均采用直心墻型式;而塔吉克斯坦的 335m高的羅貢(停建)、哥斯達黎加建成的 267m高的博魯卡、印度在建的 260m高的特里、哥倫比亞建成的 247m高的瓜維奧、加拿大建成的 242m高的買加、哥倫比亞建成的 237m高的契伏、美國建成的 230m高的奧羅維爾等壩采用斜心墻型式。

防滲心墻在靜力情況下的應力、變形特性和抗水力劈裂性能一直是土石壩工程設計中受到重點關注的關鍵問題之一。一般情況下,與直心墻相比,斜心墻應力拱效應較小,抗水力劈裂性能較優,但抗震性能及施工方便性較差些。兩種心墻型式各有優缺點。但由于各個大壩工程,其壩料特性、壩區地形地質條件、地震烈度各不相同,因此對于某一具體工程有必要通過滲流和靜、動力計算分析,綜合其它如壩基處理、樞紐布置條件、投資等工程因素,進行心墻方案的選定。

被研究的兩個方案的礫石土心墻堆石壩的順河向剖面見圖1。壩頂高程 2510m,初擬壩頂寬度16.00m,上、下游壩坡坡度分別為 1∶2.0和 1∶1.9。基底巖石為黑云母鉀長花崗巖γ2K5,河床沖積覆蓋層最大厚度約 60m,從下至上總體可分為 3層,第①、③層為漂卵礫石,第 ②層為(砂)卵礫石層。河床部位心墻底部覆蓋層全部挖除,基底設 6m厚混凝土基座,基座內設置用于基巖帷幕灌漿的廊道。在心墻后的壩基與過渡料和堆石料之間設置一層2m厚的下游反濾排水層。

壩址區地震基本烈度為Ⅶ度;設防烈度為Ⅷ度,對應 100年超越概率 2%的基巖地震動峰值加速度為 205gal。計算采用平面有限元。

圖1 直、斜心墻兩方案的大壩順河向剖面

2 滲流分析

二維模型邊界條件的上游水位取正常蓄水位2500.00m,下游水位取相應最低水位 2251.21m。計算所用的滲透參數根據地質專業提供的建議值擬定(見表1)。對直心墻方案和斜心墻方案進行了壩體壩基滲流特性對比分析,各部位最大坡降及總滲漏量對比見表2。表2表明,兩方案壩體和壩基各區域水力坡降均未超過允許滲透坡降,壩體及壩基在滲透作用下是穩定的。斜心墻方案壩體坡降較直心墻坡降有明顯增大(見圖2),且其單寬總滲流量也約大 10%。從滲流的角度看,兩方案都是可行的,而直心墻方案略優。

3 靜力分析

壩體和覆蓋層靜力計算采用了鄧肯張 E-μ模型,計算參數見表3。

計算時認為心墻不透水,水壓面力施加在心墻上游側邊界。蓄水過程分為 5級,其中,大壩填筑到2458m時,蓄水至 2420m;大壩填筑全部完成后,蓄水至正常水位 2500m。

最后一級蓄水引起直心墻壩頂水平位移1.21m,斜心墻為 0.99m。兩者之所以有這種量上的差別,是因為斜心墻所受的水壓面力的水平分量略小。由于二維計算無法考慮壩肩的約束作用,實際的水平位移應比計算值小。

表1 計算采用的材料參數

表2 壩體各部位最大滲透坡降對比

圖2 直心墻與斜心墻壩體坡降分布對比

表3 靜力應力、應變非線性 E-μ模型計算參數

兩者竣工期和正常蓄水期的累計沉降值較為接近。直心墻蓄水至正常蓄水位時累計沉降最大值為2.91m,發生在上游堆石中高程與過渡層交界處。由于該處浸水后有效圍壓相對較小,彈性模量隨之相對較小,在上部后期填筑過程中產生較大沉降。斜心墻蓄水至正常蓄水位時累計沉降最大值為2.61m,發生在下游堆石中高程與過渡層交界處。由于斜心墻壩浸水區域相對小些,壩體整體上彈性模量稍大,故最大沉降稍小。

從竣工時σ3的等值線(見圖3)可以看出,直心墻在約2420m高程處有微弱的應力拱效應。該處σ3小于最后一級蓄水后的水壓力 Pw,但水力劈裂判斷一般通過σ2與Pw相比較,在此高程處σ2＞Pw并有相當余度,可見水力劈裂的可能性很小。斜心墻內則基本上無應力拱效應和水力劈裂的可能性。心墻摻礫料的彈性模量相對較大,是應力拱效應微弱的主要原因。

從靜力分析結果看,兩方案都是可行的,而斜心墻方案略優。

4 動力分析

輸入的地震動時程見圖4。

土體的動本構采用 Hardin粘彈性模型,最大動剪切模量 Gmax按下式計算:

圖3 直心墻壩竣工時的σ3(MPa)

式中 Pa——標準大氣壓;

P——靜平均靜圍壓。

動力基本參數見表4,其中主堆石、過渡料、覆蓋層③為本工程的試驗參數,其它參數為擬定參數。

表4 動力計算基本參數

計算永久位移時,先利用計算出的動應力結合循環三軸試驗確定的動應力與殘余應變的關系求解出單元永久變形,然后將永久變形轉化為等效結點力,最后求出永久位移。

殘余體應變ευr與動剪應力 τav的關系為ευr=Kv(τav/σ0)nv,ευr采用 %的形式。

殘余剪應變γr與殘余軸應變εd之間的關系為γr=(1+μ)εd,μ為動泊松比。

而殘余軸應變 εd與 τav的關系為εd=Ka(τav/σ0)na,εd亦采用 %的形式。

但 K(Kv或 Ka)和 n(nv或 na)與σ′3和振次 N有關,可表示為:

上兩式中σ3單位取 kPa。

各材料的ευr、εd所對應的 K0、K1、K2和 n0、n1、n2見表5,主堆石、反濾料、過渡料、覆蓋層 ③為本工程試驗參數,其它參數為擬定參數。

圖4 輸入的水平和豎向地震動

圖5 各滑弧位置

滑弧穩定計算亦采用有限元法,抗剪強度采用非線性指標。

各材料的 c、φ值與靜力的相同。為保守起見,對于處于飽水狀態的透水土體,抗剪強度指標 c、φ折減系數取為 90%。

指定滑弧的位置見圖5,各滑弧在直心墻和斜心墻的位置相同。

用加速度放大系數α1可定性評價壩坡表面散粒體沿表層滑動或滾動的可能性[2],α1為加速度反應值與輸入水平地震動的峰值之比的最大值。散粒處由于其臨空周邊廣,地震慣性力在散粒所受的力中占主導,散粒處的 α1越大,其所受的地震慣性越大,滾動或滑動的可能性越大。

表5 各材料永久變形參數

砌塊逸出安全系數 Ks反映了標準砌塊沿壩坡法向逸出的危險程度,它綜合考慮了水平向和豎向反應加速度 αx、αr及坡角 θ對壩坡表面散粒體穩定的影響,可定量評價壩坡表面散粒體的穩定。

由于斜心墻壩浸水區域相對小些,壩體整體上動彈性模量稍大,水平加速度放大系數σx較直心墻壩的略大,壩頂為 2.85(此處最大水平加速度反應值為 0.584g),而直心墻壩為 2.78。壩頂的 αx最大,另上游壩坡中等高程表面的 αx也較大。但由于輸入地震加速度峰值僅 0.205g,所以反應的加速度并不十分強烈,相應地,壩坡各點的砌塊逸出安全系數Ks一般在1.60左右。上游壩坡中等高程表面的 Ks最小,直心墻的為 1.438,斜心墻的為 1.45,兩方案 Ks沒有顯著的差別。

直心墻壩頂永久沉降最大,為 1.80,上游堆石永久沉降大于下游;水平永久位移最大值為0.71,位于下游壩坡表面 2480m高程。直心墻壩震后永久位移比斜心墻稍大。

各滑弧的穩定系數 Fs在動力情況下都大于1.0(見表6)。斜心墻壩上游靠壩頂的滑弧 4)的 Fs最小,為 1.04;直心墻滑弧 4)的 Fs=1.15。兩者的差別主要是由正常蓄水期靜力的 Fs底數造成的,其分別為 1.96和 1.80。心墻摻合料的 φ值較低,為35°。滑弧 9)穿過斜心墻的長度雖然較大,但由于蓄水后水壓面力(若考慮流固耦合時則為滲透力)是基本垂直滑動方向的,因此其 Fs較大,正常蓄水期為 3.32,地震時為 2.22。

綜上所述,在地震情況下,斜心墻壩加速度放大系數比直心墻壩略大,但砌塊、滑弧穩定系數與直心墻壩相當,永久變形比直心墻壩略小,綜合來看,抗震性能兩種壩型相當。壩頂反應相對強烈,可在靠近壩頂部位內用土工格柵加固土體,提高其 c、φ強度指標值,也就提高了滑弧安全系數。在圍堰高程以上采用大塊石或砌塊護坡,因砌塊本身的穩定性較好。另心墻壩頂永久沉降最大達 1.80m,只需預留相應超高即可。

由于壩址區的地震烈度并不高,動力反應都不很強烈,因此大壩抗震性能不是制約心墻型式選擇的主要因素。

表6 直、斜心墻壩各滑弧的穩定系數 Fs

5 心墻布置形式選擇

兩個壩體結構布置方案在地形地質條件的適宜性、樞紐建筑物布置條件、施工特性和施工條件等方面基本沒有大的差異,均有在同規模的大壩中采用的設計和建設經驗。通過滲流、壩體壩基的靜力與動力計算(包括壩坡穩定)的分析表明,兩個方案均成立,其量值均符合心墻堆石壩的一般規律和變化范圍。防滲心墻仍有較大的安全余度,不會發生水力劈裂破壞。斜心墻抗水力劈裂能力略好,而滲透坡降、滲流量略高,抗震性能兩種壩型相當。兩方案的選擇,還得從投資上進行比較。

從圖1可見,斜心墻方案的心墻基底混凝土基座在順河向上略長,于是基礎開挖和處理范圍、壩體填筑工程量等略大,導致兩個方案的投資略有差異,直心墻方案較斜心墻方案投資約低 5%。

綜上比較,各方案總體差異不大,直心墻方案略優,故推薦采用土質直心墻堆石壩方案。

6 結束語

對于壩高超過 300m的超高土石壩,大壩的質量和安全相當重要。本文所研究的大壩的滲控措施要求嚴格,壩軸線防滲帷幕覆蓋了滲透系數大于1Lu的基巖。為了改變黏土心墻料偏軟易導致心墻產生較大變形甚至開裂的情況,對心墻料采取了摻礫措施,以增大其變形模量。另為了提高大壩的抗震性能,對壩頂采取了用土工格柵加固土體和預留超高等措施。有限元計算為這些措施的采取及復核提供了依據。

通過有限元計算,論證了兩心墻壩型方案都是可行的。直心墻壩型的選定對工程投資的影響相對工程總投資(200億以上)雖然不大,但絕對數字并不小,因此選定直心墻方案,可為國家節省大量建設資金。我國今后還有多個高度超過 300m的超高土石壩待修建,每個大壩所處的工程條件都不完全一樣,應對心墻型式的選擇進行包括滲流和靜、動力計算在內的全面分析,以達到“技術可行、投資最省”的目的。

[1]陳宗梁.世界超級高壩[M].北京:中國電力出版社,1998:1-3.

[2]田景元,張志偉.大崗山面板堆石壩加速度放大系數對材料動參數和輸入地震動的敏感性分析[J].水電站設計,2006,22(4):20-22.