基于材料特性的膠凝砂礫石壩地基條件適應性研究

王 超，胥淑美

(1.河南水利與環境職業學院，鄭州 450008； 2.濟南黃河河務局 歷城黃河河務局，濟南 250108)

0 引 言

CSG壩是近幾十年發展起來的一種新壩型，其筑壩思想[1]為“設計一種介于重力壩與土石壩之間的壩型，使用一種特性介于混凝土和堆石體之間的筑壩材料，將這種新的筑壩材料與壩體設計相結合，形成一種材料、壩體設計以及施工方法最優組合的新壩型”。它采用新的筑壩材料--CSG材料是將少量的膠凝材料和水添加到河床砂礫石和開挖廢棄料等容易在壩址附近獲得的巖石基材中，然后用簡易的設備進行拌和而得到的一種筑壩材料。該壩型采用梯形剖面，上下游壩坡根據具體工程的地質條件、壩高及筑壩材料的性能等因素來確定。這種壩型具有經濟、安全、環保、施工快速方便等特點。

根據多年建壩經驗，大壩對地基條件要求與筑壩材料和壩體結構形式緊密相關。重力壩設計規范和土石壩設計規范分別對重力壩和土石壩的地基條件適應性提出了要求，膠凝砂礫石壩從材料性能上介于混凝土壩與土石壩之間，其對地基要求如何，是本文研究的重點內容。

本文通過擬定CSG壩體剖面，采用有限元數值模擬方法，分析膠凝材料含量70 kg/m3(C70)CSG壩的壩體壩基應力狀況，確定CSG壩適應地基的要求，為工程提供參考依據。

1 CSG壩體壩基力學特性

1.1 CSG材料力學特性

根據已見諸文獻的CSG材料試驗成果，CSG材料的應力～應變曲線證明了該種材料和混凝土一樣是非彈性材料，日本[2]CSG材料單軸壓縮試驗所得應力～應變關系曲線見圖1。由于CSG壩采用梯形剖面，相比于重力壩斷面增大了近70%[3]，大大降低了壩體的應力，而且一般不會出現拉應力，強度低的CSG材料即可滿足建壩要求。在CSG壩體設計中，僅采用CSG材料彈性范圍內的強度和彈性模量，使得CSG壩具有足夠的安全裕度，安全性更高。根據CSG材料力學特性試驗[4]結果，本文計算所采用的CSG材料力學參數見表1。

圖1 CSG材料的單軸應力～應變關系曲線

1.2 壩基力學參數

重力壩設計規范[5]給出了壩基力學參數參考值，本次研究選取地基參數見表2。

表1 膠凝砂礫石材料力學參數

注：表1中*泊松比通過線性內插得到；**參照混凝土材料抗壓安全系數取法標準，安全系數取3.5。

表2 擬定不同地基類型的力學參數

壩基巖體容許壓應力[6]由巖體極限抗壓強度除以安全系數得到，其安全系數的選取受到巖體完整性、風化程度等因素的影響。本次研究選取中等強度的基巖作為壩基巖體，規范要求容許壓應力安全系數為10～20，取中值15，考慮到風化程度的影響對容許強度值在進行折減，折減系數取0.5。根據上述指標，計算選取強風化層地基容許承載力為0.82 MPa，弱風化層地基容許承載力為1.96 MPa。

2 CSG壩體計算剖面的擬定

根據國內外已開展的膠凝砂礫石材料試驗來看，典型的膠凝砂礫石材料是一種彈塑性材料，但由于該壩采用梯形剖面，壩體材料應力水平較低，處于材料的彈性范圍內，所以目前膠凝砂礫石壩一般是按彈性體設計的。故CSG壩的壩體穩定及應力分析采用重力壩的計算方法和控制標準。

CSG壩的壩體抗滑穩定性分析是核算壩體沿壩基面或壩基內緩傾角軟弱結構面抗滑穩定的安全度。目前在傳統的穩定計算分析中，極限平衡法最為常用，也是當前設計過程中解決實際穩定問題最為有效方法之一。考慮到抗剪斷公式比較符合壩的實際工作情況，已日益為各國所采用。本次計算分析采用抗剪斷公式[7]，對膠凝砂礫石壩壩體剖面穩定分析校核。公式如下：

(1)

式中：∑W為接觸面以上的總鉛直力，kN；∑P為接觸面以上的總水平力，kN；U為作用在接觸面上的揚壓力，kN；f′為接觸面間的抗剪斷摩擦系數；c′為接觸面間的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩基接觸面截面積，m2。

劉志明[8]認為大壩建基面選擇的關鍵在于對弱風化帶巖體的利用問題，重力壩設計規范也給出了不同壩高的重力壩地基適應性的參考要求。CSG壩相比重力壩有更好的地基適應能力。本次研究重點選取弱風化地基和強風化地基進行CSG壩剖面擬定。在膠凝砂礫石壩穩定和強度分析中，所考慮的荷載有自重、與壩頂齊平的水壓力、揚壓力，以抗滑穩定安全系數Ks>3.0作為膠凝砂礫石壩抗滑穩定分析的控制標準。

膠凝材料含量為70 kg/m3時，不同地基條件下滿足穩定要求的CSG壩壩體剖面，計算結果見表3～表4。其中，最大壩高是根據CSG材料力學性能所得到的最大壩高。

表3強風化地基條件下C70膠凝砂礫石壩最大壩高及上下游壩坡

壩高 /m上下游壩坡300.75370.77500.82550.83620.84

表4弱風化地基條件下C70膠凝砂礫石壩最大壩高及上下游壩坡

壩高 /m上下游壩坡300.55500.63680.66

3 CSG壩的壩體壩基強度分析

本文采用ANSYS通用程序建立CSG壩壩體壩基整體有限元模型進行計算分析，符號規定為：以順河向為X軸(指向下游為正),豎直向為Y軸(向上為正)。應力以拉應力為正,壓應力為負。

3.1 有限元模型計算模型的確定

進行網格剖分時，壩體內部和地基均采用四節點四邊形等參單元，壩體坡面處采用的是三節點三角形單元，單元形狀變化對局部應力有影響，但不會嚴重影響結構整體的應力應變場的規律性。

在建立模型時，進行如下簡化：

1) 上下游采用對稱壩坡且壩頂寬度保持不變，取定值7 m。

2) 計算荷載組合：自重+上游靜水壓力+揚壓力，上游水位取與壩頂齊平，下游無水。假定壩體為不透水材料，揚壓力只考慮滲透壓力并將其作為外力作用在壩底；計算時考慮將水壓力直接作用在上游壩面上。

3) 建立壩體、壩基整體模型，地基向壩體上下游延伸兩倍壩高及兩倍壩高深度的范圍，地基上下游側面取水平方向約束，底部取豎直方向約束。

4) 計算取單寬壩體進行平面應變分析，按線彈性考慮。

3.2 有限單元法地基強度控制標準

有限元法計算地基條件適應性以壩基面鉛直應力拉應力區寬度小于壩底寬度的0.07倍[9]為控制標準。

根據上述確定的有限元計算模型及荷載組合，通過地基彈模試算，進行地基適應性計算，得到滿足控制標準的最小地基彈模，再與壩基巖體力學參數做對比，得到計算壩體所適應的地基條件。圖2給出有限元法計算得到的壩基最大鉛直應力～壩高曲線，圖3給出C70不同壩高CSG壩地基條件適應性計算所得最小彈模～壩高曲線。

圖2 C70地基彈模～壩高變化曲線圖

圖3 C70壩基鉛直應力σy～壩高變化曲線圖

分析上述圖表可知，C70 CSG壩壩基鉛直應力σy隨著壩高的增加而增大。另外，隨著壩高的增加，試算所得到的最小地基彈模變化不大。

4 CSG壩地基條件適應性結果

根據以上計算分析結果，對比不同地基條件的力學參數可知，C70CSG壩隨著壩高的增加，CSG壩對地基的要求也在增加。壩高62 m以下，其適應的地基條件為強風化地基；壩高超過62 m，其適應的地基條件應該提高到弱風化層及以上地基。

大壩壩基對大壩安全有著十分重要的影響，同時大壩建基面巖石類型的選擇也決定著整個工程的造價。膠凝砂礫石(CSG)壩作為一種經濟、安全、環保、施工方便的新壩型，研究其適應的地基條件對于該壩型的推廣應用具有重要的工程指導意義。