新疆某水庫碾壓式瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)

【摘要】以新疆某水庫碾壓式瀝青混凝土心墻建設(shè)為例，分析了心墻設(shè)計(jì)中軸線、厚度、過渡層的確定及其與周邊結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，并通過有限元計(jì)算對壩體結(jié)構(gòu)三維靜力進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】碾壓式瀝青混凝土； 防滲心墻； 結(jié)構(gòu)布置

引言

新疆某水庫工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模是大（1）型，主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪兼導(dǎo)流隧洞及放水灌溉洞。壩頂高程為1989.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高98.0m，壩長427.00m。

1、壩體結(jié)構(gòu)布置

1.1 心墻防滲體結(jié)構(gòu)布置

瀝青混凝土心墻的布置一般采用墻體軸線略偏向上游側(cè)，豎向布置一般有垂直式、傾斜式或下部垂直上部傾斜等三種方式。對于高壩，更多的采用后一種結(jié)構(gòu)形式。本工程壩高98.0m，設(shè)計(jì)采用垂直式瀝青混凝土心墻，其具有面積較小、工程量小、施工簡單的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(cè)布置，防滲體軸線距壩軸線3.75m。

1.2壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)與過渡層的確定

壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土區(qū)、過渡料區(qū)及排水料區(qū)。壩殼填筑砂礫料采用C2、C3、C4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(cè)，水平寬度上下游均為3m。過渡層厚度一般應(yīng)超過瀝青混凝心墻墻厚的2倍，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及過渡料的制備成本。理論計(jì)算過渡層厚度為1m，而實(shí)際確定厚度為3m。對于瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)而言，過渡層厚度越大，心墻施工控制難度越小。

1.3 瀝青混凝土心墻厚度設(shè)計(jì)

瀝青混凝土心墻厚度的確定主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是建設(shè)壩體的高度；二是大壩壩殼料可能出現(xiàn)的應(yīng)力變形情況，因?yàn)樾膲穸鹊拇笮?huì)影響墻體的受力狀態(tài)，墻體過薄其自身的穩(wěn)定性將會(huì)下降，而過厚又容易出現(xiàn)破壞裂縫，墻體厚度需保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。目前，大壩瀝青混凝土心墻布置多選擇底部厚、頂部薄的形式，大壩壩體高度越高，心墻厚度越小，一般情況下心墻厚度控制在0.5～1.2m，中等高度大壩瀝青混凝土心墻厚度控制在0.5～0.8m。而對于百米級(jí)大壩，心墻厚度需控制在0.6～1.2m，壩體頂部位置心墻厚度需在0.4m以上，底部心墻厚度控制在壩體高度的1/70～1/130。本工程設(shè)計(jì)烈度為7度，壩高98.0m，瀝青混凝土心墻頂高程1987.40m，墻底高程1891.20m。根據(jù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)心墻底部厚度為壩高的1/60～1/100，頂部不小于30cm，高壩不小于50cm。考慮到大壩位于7°地震區(qū)，所以設(shè)計(jì)心墻頂寬0.5m，高程1894.80m處墻厚1.2m，高程1892.40m處墻厚2.4m。

1.4心墻周邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）心墻與壩基連接

瀝青混凝土心墻同周邊的連接是防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為增強(qiáng)工程防滲效果，設(shè)計(jì)心墻澆注在混凝土蓋板上，并將瀝青混凝土心墻的厚度增加1～2倍。瀝青混凝土心墻防滲體建在弱風(fēng)化基巖建基面上，在建基面上澆筑厚1.2m、寬6m的C20混凝土蓋板，將基巖與瀝青混凝土防滲體連為一體，以滿足壩基壩肩灌漿處理和防止接觸沖刷的需求。為增大粘結(jié)力并適應(yīng)心墻水平變形，瀝青混凝土放大腳與混凝土底板之間做1cm瀝青瑪蹄脂，不需另設(shè)止水。

（2）心墻與溢洪道連接

根據(jù)瀝青混凝土心墻壩樞紐布置，溢洪道進(jìn)口位于壩體樁號(hào)0+427m處，此處壩體高度為10.36m，工程設(shè)計(jì)與心墻連接部位的溢洪道邊墻的坡度為1：0.5，寬度為6.0m。心墻與混凝土結(jié)構(gòu)之間設(shè)瀝青瑪蹄脂，擴(kuò)大心墻端部，接觸面設(shè)計(jì)成淺弧連接

2、壩體結(jié)構(gòu)三維靜力分析

為進(jìn)一步掌握壩體結(jié)構(gòu)布局狀況，對其進(jìn)行三維有限元應(yīng)力應(yīng)變靜力分析。壩體結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型選擇-B，心墻應(yīng)力應(yīng)變模型選用-μ模型，模型力學(xué)參數(shù)通過動(dòng)態(tài)反演得到，見下表。

2.1 壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析

分析可知，壩體結(jié)構(gòu)最大沉降變形量為32.0cm，僅為大壩高度的0.56%。水庫蓄水運(yùn)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(yīng)力分別為1.35MPa、0.49MPa，運(yùn)行期為1.28MPa、0.52MPa。心墻與混凝土基座在不同時(shí)期的錯(cuò)動(dòng)量不同，蓄水運(yùn)行期錯(cuò)動(dòng)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，瀝青混凝土心墻具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，應(yīng)力分布較為合理，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形破壞，壩體結(jié)構(gòu)布局基本合理。

2.2參數(shù)敏感性分析

敏感性分析參數(shù)為心墻模型參數(shù)Kb，按照數(shù)值的不同設(shè)計(jì)了四種模擬方案，各方案參數(shù)Kb從小到大依次為、、和。分析可知，隨著b的增加，瀝青混凝土心墻在水平和豎直方面的位移基本保持不變，而心墻結(jié)構(gòu)受力確出現(xiàn)明顯的變化。心墻第一主應(yīng)力與b成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)b超出或低于一定數(shù)值時(shí)，心墻第一主應(yīng)力均不再允許范圍之內(nèi)。

3、結(jié)語

相較于其他壩型心墻結(jié)構(gòu)，碾壓式混凝土心墻大壩在設(shè)計(jì)中應(yīng)過渡層厚度進(jìn)行嚴(yán)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(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)壩體結(jié)構(gòu)具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，壩體受力情況良好，不會(huì)出現(xiàn)不良變形破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)布局合理。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陸彥強(qiáng). 寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)[J]. 中國水運(yùn)（下半月），2016，03：320-321.

作者簡介：李佳綸，男，（1983.12—），新疆石河子人，畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，工程師，研究方向：水利水電.