大型土壩壩體擋水建筑物工程設計及其穩定性分析

李 影

(營口市河務管理處,遼寧 營口 115000)

錦州市市區供水水源大部分來源于地下水,但是隨著經濟建設的迅猛發展,水資源超采、污染現象嚴重。根據國家、省、市相關要求,目前錦州市的地下水資源已不適合繼續開采,因此,建設地表水資源工程迫在眉睫。但是,小凌河干流上缺少大型控制性水利工程。通過對小凌河進行現場勘測,該地區地形、水文、地質等條件滿足修建大型水利樞紐工程[1]。此外,錦凌水庫建成后,對于解決錦州市市區缺水問題具有較大的作用。因此,興建錦凌水庫樞紐工程,深入開發小凌河水資源,對于解決錦州市市區嚴重缺水問題至關重要。

大型土石壩設計歷史悠久,研究方法較多,在本構模型構建方面：Duncan.J.M[2]通過運用有限元方法確定了能夠適當選取材料的本構模型；顧淦臣,郭軍,朱亞林等[3]利用動力彈塑性分析方法,揭示了地震對壩體切應變、變形的影響規律,包承綱[4]等引進了土動力學理論,研究了長江三峽區域厚細砂沉積層的穩定性和整體受力問題；陳群等[5]通過引進并應用飽和——非飽和滲流理論,分析了青海溝后大壩蓄水后庫水滲透問題,解決了非飽和滲流時土壩的穩定問題；劉先珊,劉少煒,余永康[6]研究了包含防滲墻的土石壩體滲流情況,確定汛期壩體滲流場,得到滲透坡降與材料滲透系數的關系。在壩體結構形式和強度方面：李星[7]通過分析水泥土攪拌樁擋墻強度和剛度變化,確定了其對基坑變形的單一影響因素。在壩體結構數值分析方面：劉奉銀,劉國棟等[8]采用數值分析方法,研究了防滲墻深度與壩體滲流特性的關系；劉建軍等[9]在巖土飽和——非飽和滲流理論基礎上,對徑流水滲流進行了動態模擬,揭示了地下水水頭、壓力、水流流速等的變化規律；彭華[10]在這一研究方法和思路上進行了改進和優化,揭示了迭代步間容水度變化曲線關系。

綜上可知,目前對于水利工程土石壩等的研究較多,對于考慮滲流穩定性作用下土石壩體、土石混凝土混合壩體的理論、設計和施工技術等的研究理論也較為成熟[13]。但是,對于小凌河復雜地質條件下土石壩施工及其穩定性的研究目前尚存在不足和值得商榷之處,特別是壩體整體的應力位移變化數值分析研究較少。

本文基于錦凌水庫小凌河土壩設計和施工技術、防滲防護技術和穩定性分析研究以及目前尚存在的不足之處,對錦凌水庫擋水建筑物結構設計和施工進行了研究,并通過有限元模擬計算對結構內部應力、變形等進行了分析計算,通過定性和定量相結合的方法分析驗證了該土壩壩體的穩定性。本文的研究結論可為土壩結構設計和安全施工,保證壩體穩定性和正常運行等提供工程指導和借鑒。

表2 結構設計參數確定

1 水庫概況及其防汛標準

錦凌水庫位于小凌河要道,水庫容水量8.08×108m3,攔河壩頂最高為48.29m,具有用水、防洪、蓄水、保證用水安全等作用,水庫下游方向9.5km處為錦州市。根據水庫等級劃分：工程為大(2)型II等,永不撤除類關鍵構筑物為2級；普通構筑物(如下游右岸防沖導墻)為3級；可撤除類構筑物則為4級。防汛標準見表1。

表1 主要建筑物的防訊標準

2 土壩壩體結構設計及其穩定性計算

2.1 壩體結構設計

土壩分左、右岸兩部分,左岸土壩樁號為0+059.00m～0+558.00m,長度499.0m；右岸土壩樁號為0+855.50m～1+207.00m,長度351.5m。左、右岸土壩總長850.5m。具體壩體結構設計見表2。

2.2 土壩穩定性計算

2.2.1 滲流穩定計算

根據設計規范選擇粘土心墻結構作為土壩的防滲體結構,壩體下游選擇表層排水。按水庫洪水調節運行方式,滲流計算水位組合見表3。

表3 滲流計算水位組合表 單位:m

根據拉普拉斯方程：

(1)

式中，H—滲流平面域內水頭；Kx、Ky—土體X、Y向滲透系數。通過計算,土壩滲流穩定分析計算成果見表4。計算成果如圖1～3所示。

由表3可以得出：壩體滲透量小,心墻滲透坡降小于允許滲透坡降,符合規范要求。但是,壩腳滲透坡降大于允許值,不符合要求,需要加設排水體。排水體采用表面式貼坡排水,排水體尺寸高×寬為39.00m×2.0m。

圖4 典型剖面計算簡圖及滑弧位置

圖1 正常蓄水位滲流

圖2 設計水位滲流

圖3 校核水位滲流

2.2.2 壩體邊坡穩定計算

壩體邊坡的穩定應根據SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》的規定進行復核驗算,正常運用條件：K=1.35；非正常運用條件I∶K=1.25。水庫水位降落期的安全系數計算公式為：

式中，R—圓弧半徑;u—孔隙水壓力(土條底面)；γw—水的容量；W—條塊重量；α—通過條塊底面中心點的直線與此條塊的重力線之間的夾角;b—條塊寬度；Z—條塊底面中心與水庫存的距離(水庫位于條塊底面上方)；Q—水平地震慣性力(上負，下正)；c′、φ′—有效強度指標；Mc—力矩(水平向地震慣性力對圓心)；V—垂直地震慣性力(上負，下正)。

壩體穩定計算參數見表5。

表5 壩體穩定計算參數表

壩坡抗滑穩定分析計算結果見表6,典型剖面計算簡圖及滑弧位置如圖4所示。

由表5土壩壩坡穩定分析結果可知：在各組合荷載作用時,土壩穩定性滿足規范要求。

3 應力及變形計算

3.1 沉降計算

粘土心墻竣工及最終的沉降量計算：

(3)

表6 土壩壩坡穩定分析結果

壩基最終沉降量計算：

(4)

式中，S∞—最終沉降量(壩基),m；hi—第i層土層厚度,m;n—土層分層數；Ei—第i計算土層變形模量,kN；ei0—第i層的起始孔隙比；Si—沉降量,m;Pi—第i計算土層由壩體荷載產生的豎向應力,kN；eit—孔隙比(第i層相應于竣工時或最終豎向的的有效應力作用下)。

對壩體部分的沉降量計算時,將壩體沿高度分成幾個土層,每一土層厚度以不大于1/5～1/10壩高為宜。本設計心墻高度為34.9m,每層厚度均為5.0m。在計算壩基部分的沉降量時,對于均質壩基,壩底寬度的1/4作為每一層厚度的最大值,本設計壩底寬度約190m,每一層厚度約47.5m,但實際壩基最大覆蓋層厚度為13.5m,采用實際厚度13.5m為分層厚度。經計算,壩體總沉降量為904.1mm,施工期沉降量為673.5mm,壩基沉降量為165.5mm,則壩體最終沉降量為904.1-673.5+165.5=396.1mm。

3.2 應力計算

根據規范要求,壩體豎向應力為計算點以上土柱重量。通過計算,蓄水期壩體豎向應力最大值為0.334MPa,竣工期應力最大值為0.571MPa,蓄水期壩體豎向應力最大值為2.3MPa,竣工期最大值為0.833MPa。

4 有限元計算及其結果分析

選取剖面0+400.00為典型剖面進行計算,計算采用總應力法,將心墻、壩殼、防滲墻和砂礫地基視為整體結構,分別對壩基、壩體進行應變及應力計算。

單元體內任一點的應變和應力均由三個分量來確定：

(5)

式中，εx—沿x坐標方向的應變；εy—沿x坐標方向的應變；μ—泊松比;γxy—沿y坐標方向的應變;E—彈性模量,MPa。

4.1 計算條件

材料的計算參數見表7。

表7 計算參數表

4.2 位移和應力計算結果

由于受到壩體自重的影響,壩體沿著心墻及防滲墻為分界線,向上、下游產生較大變形,圖5和圖6分別為壩體竣工期間的豎向、水平位移云圖,圖7、圖8分別為壩體蓄水期間的豎向、水平位移云圖。

圖5 土壩豎向位移云圖

圖6 土壩水平位移云圖

圖7 土壩豎向位移云圖

圖8 土壩水平位移云圖

4.2.1 壩體位移和應力

從以上圖中可看出上、下游水平位移最大值為14.0mm、13.0mm。心墻部位產生豎向最大位移,為214.0mm,壩高的0.65%為垂直沉降量。研究壩體應力分布規律,可以得出其應力分布從壩基向壩坡逐漸減小,從心墻向兩側逐漸減小,其等值線與壩坡平行。

竣工期,壩體水平方向大應力為0.875MPa、小應力別0.93MPa。壩體豎直方向應力為0.597MPa。蓄水期,壩體水平方向大、小應力分別為0.633MPa和0.082MPa,豎直方向應力較竣工期小,為0.356MPa。

通過對比發現：壩體竣工期大主應力與垂直應力基本相等,同時也適用于蓄水期壩體盈利變化,并與壩體的上覆自重較為接近。此外,小主應力逐漸成水平方向,這主要是因為壩體結構受力均衡的結果。

4.2.2 粘土心墻位移

粘土心墻竣工期的水平位移較小,最大值為13.0mm。蓄水期,粘土心墻水平位移最大值增至30.0mm,位于心墻頂部,其值在通常范圍內是允許的。竣工期心墻垂直位移最大值為312.0mm,蓄水期為218.0mm,均發生在心墻的中上部。粘土心墻水平位移與基礎防滲墻水平位移在沿高度方向上能夠表現光滑連續,通過這一點可以得出接頭部位不會產生剪切破壞和錯動。

4.2.3 混凝土防滲墻應力

竣工期和蓄水期混凝土防滲墻豎直方向應力最大值、水平方向應力最大值為0.8MPa、0.6MPa。通過對兩種狀態下的應力最大值比較分析,蓄水期的心墻各點靜水壓力小于該處的垂直應力,該位置將不會產生水力劈裂、破壞現象。

壩體工程施工期間,必須對結構的應力應變、較大變形及其位移變化、原型觀測及數據等深入分析并及時修正,并根據計算結果和參數調整不斷進行校核,以確保成果的準確性和合理性。同時,可以作為工程修正設計和制定工程措施的重要依據,保障工程設計、施工和運行管理的順利進行。

5 結語

(1)通過對土壩壩體結構設計進行研究,確定了主要建筑物12項設計項目研究內容及其防汛標準,設計了土壩擋水建筑物的設計參數,通過構建正常蓄水位滲流、設計水位滲流和校核水位滲流計算模型,對水位降落期的安全系數計算公式進行了研究,確定并計算了壩體的穩定性計算參數及其施工條件下的安全系數公式,通過各組合荷載相互作用,土壩穩定性滿足設計要求。

(2)通過有限元分析,采用總應力法分別對壩基、壩體進行應變及應力計算。壩體的應力分布從壩基開始逐漸向壩坡減小,切等值線與壩坡基本呈平行狀態。壩體在竣工期和蓄水期條件下,粘土心墻與混凝土防滲墻結構的應力基本保持一致,垂直應力與水平方向應力基本一致,但是位移出現較大變化,通過位移變化可以反饋確定接頭部位的破壞情況。

(3)通過理論計算和有限元計算對土壩壩體的穩定性進行定量計算,兩計算結果總體趨勢基本保持一致,且計算結果之間的差異較小,可以作為進行工程設計和施工的科學依據,并且可以作為工程修正設計和制定工程措施的重要依據,保障工程設計、施工和運行管理的順利進行。

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