大西溝水庫粘土心墻壩結構布置分析

【摘要】以新疆大西溝水庫碾壓式粘土心墻建設為例，分析了心墻設計中軸線、厚度、過渡層的確定及其與周邊結構的連接設計，并通過有限元計算對壩體結構三維靜力進行分析。

【關鍵詞】水庫；粘土心墻；結構布置

大西溝水庫是烏魯木齊河上的龍頭水庫，水庫位于烏魯木齊縣。工程等別為Ⅰ等，工程規模是大（1）型，主要建筑物包括樞紐由粘土心墻壩、溢洪道、泄洪兼導流洞及放水灌溉洞等建筑物組成。壩頂高程為1989.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高98.0m，壩長427.00m。工程選擇下壩址作為壩體軸線，下壩址呈不對稱“U”型谷，河床寬130m～140m，河床高程1922～1924m，左岸坡角40°～50°，右岸由沖積階地構成臺階狀地形。

1、壩體結構布置

1.1 心墻防滲體結構布置

壩頂上游側設置L形C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程1990.40m，防浪墻高3.0m，墻頂高出壩頂1.2m。壩體上游壩坡為1：2.5，上游圍堰與壩體結合，堰頂高程1947.0m。在1966.0 m高程另設一條2.0 m寬的馬道，上游設0.25m厚砼護坡，護坡底高程為1933m，低于死水位2m。下游壩坡為1：2.25，在1960.0 m高程設一條2.0 m寬的馬道，下游坡腳處設頂寬3m的排水棱體，棱體頂高程1925m，下游設0.3m厚的干砌石護坡。為改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接，墻體軸線偏向上游側布置，防滲體軸線距壩軸線3.75m。

1.2壩體結構分區與過渡層的確定

壩體填筑分區從上游至下游分為砂礫料區、過渡料區、反濾料區、粘土區、反濾料區、過渡料區、砂礫料區及排水料區。壩殼填筑砂礫料采用C2、C3料場的砂礫料，砂礫料的含泥量小于5%，相對密度不低于0.85。過渡層位于心墻的兩側，水平寬度上下游均為3m。過渡層厚度一般應超過瀝青混凝心墻墻厚的2倍，工程設計中應綜合考慮壩體結構穩定性以及過渡料的制備成本。理論計算過渡層厚度為1m，而實際確定厚度為3m。對于粘土心墻結構而言，過渡層厚度越大，心墻施工控制難度越小。

2、壩體結構應力應變分析

應力變形計算結果見表1。分析可知，壩體結構最大沉降變形量為32.0cm，僅為大壩高度的0.56%。水庫蓄水運行后，心墻水平位移量最大值為13.8，撓跨比不超過5%。心墻在竣工期第一和第三主應力分別為1.35MPa、0.49MPa，運行期為1.28MPa、0.52MPa。心墻與混凝土基座在不同時期的錯動量不同，蓄水運行期錯動量沿水流方向和河床方向的最大值分別為6.2mm、9.8mm。綜合分析得到，粘土心墻具有較好的協調變形能力，應力分布較為合理，不會出現應力變形破壞，壩體結構布局基本合理。

3、參數敏感性分析

同時，為了解不同填筑參數與材料對壩體位移變形造成的影響，對選取參數進行敏感性分析。敏感性分析參數為心墻模型參數Kb，按照數值的不同設計了四種模擬方案，各方案參數Kb從小到大依次為500、800、1000和1584。計算得到粘土心墻應力、變形情況如表1和表2所示。分析可知，隨著Kb的增加，粘土心墻在水平和豎直方面的位移基本保持不變，而心墻結構受力確出現明顯的變化。心墻第一主應力與Kb成正相關關系，當Kb超出或低于一定數值時，心墻第一主應力均不再允許范圍之內。

4、結語

相較于其他壩型心墻結構，粘土心墻大壩在設計中也應對過渡層厚度進行嚴格控制，過渡層厚度宜較厚，心墻厚度要綜合考慮大壩高度與大壩壩殼料可能的變形情況。有限元三維靜力計算結果顯示，設計壩體結構具有較好的協調變形能力，壩體受力情況良好，不會出現不良變形破壞現象，結構布局合理。

參考文獻：

[1]鄧銘江，夏新利，李湘權，等. 新疆粘土心墻砂礫石壩關鍵技術研究[J]. 水利水電技術，2011，（11）：30-37.

[2]陸彥強. 寒冷地區碾壓式粘土心墻壩設計[J]. 中國水運（下半月），2016，03：320-321.

[3]鄧銘江，于海鳴，李湘權. 新疆壩工技術進展[J]. 巖土工程學報，2010，（11）：1678-1687.

作者簡介：張文，男，（1979.07—），新疆哈密人，畢業于新疆農業大學，本科，工程師，研究方向：水利工程管理。