高心墙堆石坝结构设计的几个问题

高心墙堆石坝结构设计的几个问题

目前，对高心墙桩，尤其是高心墙桩的结构设计中心墙类型的选择、水库材料的划分设计、水库边坡的确定等问题没有达成一致意见。国外已建坝高200m以上的高心墙堆石坝以斜心墙型式居多,这虽有利于心墙抗水力劈裂,但却给坝基开挖及坝体填筑施工带来很大不便,且投资大幅增加;在高心墙堆石坝坝料分区设计方面,对上游坝壳能否设次堆石料区等存在分歧;对坝坡稳定性,若采用传统的坝坡稳定线性计算分析方法,则计算的最危险滑裂面均很浅且与坝高无关,坝坡稳定安全系数基本相同,且坝坡坡度随坝高的增加而放缓亦无定论。鉴此,本文探讨了高心墙堆石坝结构设计中存在的上述几个问题,获得了一些有益的结论,可供其他类似工程设计时参考。1墙类型选择1.1墙类型参考心墙型式一般有直心墙和斜心墙两种。目前已建成的9座坝高200m以上的心墙堆石坝中有6座为斜心墙型式,见表1。1.2第三级:维护区5.2糯扎渡土质心墙堆石坝位于云南省境内澜沧江上,为澜沧江中下游河段两库八级水电规划的第五级,控制流域面积144700km2,坝址多年平均流量1730m3/s。最大坝高261.5m,坝顶高程821.5m,坝顶宽18.0m。根据糯扎渡大坝结构特点,需对选用直心墙、斜心墙型式进行全面、系统的对比分析,结果如下。(1)直心墙型式选择当地形或枢纽布置要求大坝布置于某处时,若采用直心墙型式,由于心墙基础地质条件很差,而若将心墙基础略往上游移动则能明显改善基础地质条件时,因此宜采用斜心墙型式。糯扎渡不属于这种情况。(2)渗透和渗透稳定直心墙、斜心墙型式堆石坝的渗流量、渗透比降基本相同,差别不显著。(3)坝体非线性稳定分析采用以下7种工况计算坝最大剖面的最小安全系数(非线性方法):①工况1。稳定渗流期下游坝坡,上、下游正常水位;②工况2。稳定渗流期上游坝坡(最不利库水位760m,下游正常水位);③工况3。竣工期上游坝坡,上、下游无水作用;④工况4。竣工期下游坝坡,上、下游无水作用;⑤工况5。库水位由正常水位骤降至死水位的上游坝坡;⑥工况6。工况1遭遇8度地震;⑦工况7。工况2遭遇8度地震(最不利库水位812m)。表2为坝最大剖面非线性稳定分析最小安全系数计算结果。由表可看出:①上游坝坡安全系数均以直心墙堆石坝较大,工况5差异最明显;②下游坝坡安全系数两者相差很小,斜心墙堆石坝略大。(4)坝体力学性能分析近年来,我国在心墙水力劈裂发生机理、水力劈裂模拟计算分析方法方面取得了突破性进展,可精细地进行水力劈裂的计算分析和判断。采用文献的方法对糯扎渡土质心墙堆石坝坝体应力和变形进行了计算分析。结果表明,直心墙堆石坝较斜心墙堆石坝拱效应略大,但仍不至于发生水力劈裂,并未影响该工程对心墙型式的选择。(5)坝体加速度及长期变形最表3、4分别为两种心墙型式的三维有限元动力反应计算坝体最大加速度及永久变形最大值对比。由表可看出,直心墙堆石坝的加速度反应和永久变形略小于斜心墙堆石坝,其抗震性能略优。(6)施工困难由于心墙向上游倾斜,斜心墙堆石坝在心墙基础开挖施工时难度更大,且其上游侧边坡范围较大,边坡稳定性问题更为突出。(7)灌浆、固结灌浆、心墙填筑由于心墙向上游凸出,斜心墙堆石坝的基础开挖、基础处理、帷幕灌浆、固结灌浆、心墙填筑等方面的工程量均较直心墙堆石坝大,造价亦相应较高。综上所述,糯扎渡坝采用直心墙堆石坝,在工程造价、坝坡稳定性、抗震性能、施工难度等方面优势明显。2水库材料分区设计2.1坝体结构指标的确定对坝高超过100m的心墙堆石坝,为减小心墙沉降量、降低坝壳对心墙的拱效应,一般宜采用砾石土料填筑心墙。对可全部采用天然土料填筑的心墙,应结合土料场的开采规划,级配较粗、力学指标较高的土料用于心墙下部,将级配较细、力学指标较低的土料用于心墙上部。当全部采用天然土料不能满足要求时,则需采用人工掺砾石方法改善土料性质,由于各具体工程的坝料参数有所差异,应通过比较研究确定一个合适的分界线,分界线以下采用人工掺砾石土料,分界线以上可采用天然土料,以尽量降低工程造价。分界线设计需考虑如下因素:①采用分层总和法计算的心墙后期沉降应小于坝高的1%;②满足坝坡稳定要求;③满足心墙抗水力劈裂要求;④满足心墙抗震要求。对糯扎渡土质心墙堆石坝的研究结果表明,心墙上部约100m坝高范围内采用不掺砾石的天然土料可行。2.2坝壳堆磨料设计原则坝壳堆石料分区设计需考虑的主要因素为:①满足坝坡稳定要求;②满足大坝对变形应力要求,如不会产生过大的变形、不会发生位移突变、不会引发心墙水力劈裂等;③满足所在部位透水性要求;④满足大坝抗震要求;⑤料物调运简单、可行;⑥造价最优。因此,坝壳堆石料一般遵循的分区设计原则为:坝顶部位、坝壳外部及下游坝壳底部、上游坝壳死水位以上为坝体抗震、坝坡稳定、坝体抗风化、坝体透水性要求较高的关键部位,设置为堆石料Ⅰ区,采用具有较高强度指标、透水性好的优质堆石料;其他部位对石料强度指标及透水性要求可适当降低,设置为堆石料Ⅱ区,采用强度指标稍低的次堆石料。堆石料Ⅱ区的范围要尽可能大,以充分利用开挖料,但需满足坝坡稳定、坝壳透水、坝体应力应变及坝体抗震等要求。通过比较研究糯扎渡土质心墙堆石坝的14个分区方案,得出各主要因素对次堆石料区范围的影响如下。(1)次堆磨料区范围由于最危险滑裂面一般均较深(非线性计算方法),会穿过位于坝体内部的次堆石料区,因此次堆石料的抗剪强度对坝坡的抗滑稳定安全性有较大影响,应尽可能将次堆石料碾压密实,以提高其抗剪强度。一般随次堆石料区范围扩大,坝坡的抗滑稳定安全系数会降低,但当扩大到一定程度后,滑裂面穿过次堆石料区的范围不再增加,坝坡的抗滑稳定安全系数亦不再降低。因此,坝坡稳定因素对次堆石料区范围的影响为非制约性的,可通过提高次堆石料的碾压密实度及适当放缓坝坡来确保坝坡稳定性。(2)坝体变形、应力最大差值次堆石料区的大小和位置对坝体应力变形有一定影响,但并不明显,各分区方案坝体变形及应力的最大差值分别不超过7%、10%,14个分区方案坝体应力和变形均在容许范围内,均不会发生水力劈裂。实际上,次堆石料区变形参数略低于优质堆石料区对降低心墙拱效应有利,但应以不造成过大的不均匀变形为准。(3)不同堆磨料区的动力特性次堆石料区的大小和位置对坝体动力反应的影响与次区堆石料区的动力特性有关,当次堆石料区的动力特性与优质堆石料区相差不大时,其对坝体动力反应的影响很小。因此具体分区方案的可行性与坝料特性有关,需通过有限元动力分析来论证。(4)料物平衡分析施工规划及工程造价是影响分区的最重要因素。由于各工程在开挖料性质、开挖料位置、开挖料数量、运输道路布置、存渣场布置及料物调运方案等方面的差异,故应根据每个具体工程的实际情况通过详细的料物平衡分析以最经济的原则确定最合适的分区方案。3坝高对稳定安全系数的影响心墙堆石坝坝坡稳定分析一般采用线性计算方法,现行的土石坝设计规范建议采用线性强度指标进行计算,对粗粒料亦可采用非线性强度指标进行计算,这对坝体应力值不高的中、低坝较适合。但随坝高的不断增加,坝体应力水平不断提高,对高土石坝的大量坝料试验研究结果表明,土石料尤其是堆石料、砂砾料的强度指标具有明显的非线性,即随应力水平的提高,坝料抗剪强度指标会降低。若采用线性计算分析方法,最危险滑裂面均很浅且基本相同,与坝高无关;同样,坝坡稳定安全系数也基本相同。因此对高土石坝,应采用非线性方法进行坝坡稳定分析,以反映坝料强度特性的真实性。采用非线性方法,计算得出坝高从100m到500m时各种工况下坝坡稳定安全系数与坝高的关系曲线,见图1。由图可看出,随坝高的增加,由于最危险滑裂面深度增加,沿滑裂面坝料