縱向增強體土石壩在馬頭山水庫中的應用

陳 昊，王 彤 彤，龍 藝

(1.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.水利部南水北調規劃設計管理局，北京 100011；3.四川省水利干部管理學校，四川 成都 610072)

0 引 言

縱向增強體土石壩[1]是一種新壩型，即以常規土石壩為依托，在其內部“插入”集防滲與受力為一體的剛性結構體(縱向增強體)，使大壩成為“剛柔相濟”的壩工結構。增強體既起到防滲體系作用，又起到結構體作用。

筆者結合馬頭山水庫，重點對大壩壩體及縱向增強體心墻應力變形進行分析，用有限元方法分析壩體和增強體心墻的應力變形情況，探討和研究新壩型的適用性，以指導馬頭山水庫工程設計和施工，同時為類似土石壩工程提供了參考。

1 工程概況

會東縣馬頭山水庫[2]位于鲹魚河右岸一級支流官村河支溝冷水溝上游，是一座小⑴型水利工程。工程屬Ⅳ等小(1)型工程。馬頭山水庫主要由水庫樞紐和灌區渠系工程兩部分組成。水庫總庫容227.4萬m3，正常蓄水位2 456.40 m，選定壩型為混凝土防滲墻心墻石渣壩，最大壩高34.1 m。

壩線位于原馬頭山水庫壩址上游30 m處，正常蓄水位2 456.4 m，壩軸線長142.3 m。工程段河床自然坡降6%左右，河谷寬42 m，為狹窄的V型谷。右岸山體雄厚，左岸為一低矮山脊，山脊頂部高程為2 460.78 m。河床上主要為沖洪積含礫壤土層；右岸岸坡局部為殘坡積含礫壤土層覆蓋，厚1～3 m，局部有6～8 m厚的原馬頭山水庫大壩土體，亦為含礫壤土層，緊鄰上游面為壩前崩積滑坡體，最大崩積體深度14.5 m。左岸岸坡大多裸露基巖，僅在坡腳局部有1～3 m的殘坡積含礫壤土層，壩址區下伏及裸露白堊系中統小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖。巖層產狀355 <20°。基巖強風化厚度8～19 m。

縱向增強體土石壩持力層選擇的白堊系中統小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖，大壩基礎應置于強風化砂、泥巖上。防滲墻穿過填筑壩體石渣區，深入白堊系中統小壩組粉砂巖、砂巖夾礫巖、泥巖基巖，其基礎應置于強風化砂、泥巖下限或弱風化基巖上，地基承載力0.8～1.5 MPa。

2 大壩壩體和縱向增強體應力變形分析

縱向增強體土石壩系沿壩軸線“插入”混凝土剛性防滲墻[3]( 與地下連續墻類似) ，墻體底部與基礎通過灌漿呈固端連接，從而形成整體防滲結構。縱向增強體具有防滲、受力和抵抗變形 3 種作用。以最大壩高 (H= 34.1 m) 剖面進行計算。

由于大壩穩定分析計算和滲流穩定計算與常規土石壩設計計算方法相同，筆者重點介紹壩體和增強體心墻應變應力計算成果。

2.1 數值分析方法

對壩體、反濾過渡層、增強體心墻、基巖等，本研究壩體采用鄧肯-張非線彈性本構模型[10-13]。

采用非線性有限元分析，即將壩體、地基與增強體防滲墻三者一體作增量法的非線性有限元計算，計算中考慮了土石料的非均勻性、應力變形的非線性并模擬了施工與蓄水過程等。施工荷載工況以分級模擬填筑，蓄水過程，每級施工荷載工況又分多個荷載步。每個荷載步求解非線性方程組均采用中點增量法。離散有限元網格采用四邊形單元[21]。

2.2 應力變形分析模型和施工過程模擬

2.2.1 計算模型

馬頭山水庫大壩應力變形計算模型以典型設計斷面為基礎，建基面為實際施工開挖面，增強體心墻上下游河床段的清基線以下，增強體心墻底部深入強風化基巖中下限。計算模型斷面和相應的有限元計算網格見圖1，剖分單元數為1 670個，節點數為2 694個。

圖1 水庫大壩計算模型斷面

2.2.2 施工過程模擬

土石料和增強體心墻采用Duncan-Chang E-B或Duncan-Chang E-u模型，在墻體兩側設置接觸單元，模擬該部位材料性質突變。將典型斷面按三維應力問題考慮。計算分析軟件采用ABAQUS[5-8]。

計算模擬施工全過程，荷載分級按壩體填筑次序進行，由于防滲墻是建在已運行的壩體上，擬定施工期庫內無水，施工過程采用一個加載級次模擬防滲墻澆筑，3個加載級模擬蓄水至正常蓄水位，高程為2 456.40 m。

表1 鄧肯模型(E-B)材料參數

2.2.3 參數選取

體填筑材料應力變形模擬參數可見表2。

2.2.4 計算工況

計算方案主要針對不同工況下增強體心墻的應力與變形分析。擬定2個分析方案，分別為完建期與正常蓄水期。

3 應力變形計算成果

3.1 壩 體

根據以上給定的計算條件，各工況壩體應力變形特征值見表2。圖2及圖3分別為典型設計斷面不同工況下壩體變形、應力、應力水平云圖。

表2 各方案下壩體應力變形最大值統計

由表2及圖2、3可看出：

(1)壩體澆筑完成后，壩體在其自重的作用下，發生豎向與水平位移，豎向最大位移為32.99 cm，最大水平位移為19.24 cm，最大主應力為0.629 MPa，最小主應力為6.513 MPa。增強體心墻的澆筑完成時，壩體無明顯變形，隨后期水位的提升，在水壓力作用下，壩體應力呈現增大趨勢，同時水平位移向下游增長，其中，最大水平位移為20.32 cm。豎向位移同樣增長，最大豎向位移為33.23 cm。最大水平位移出現在高程2 449 m處(接近2/3壩高)處，增強體心墻上游側。最大主應力出現于增強體心墻下游墊層料內。

(2)隨著增強體心墻變形模量的增加，壩體位移變化不大，可見壩體的變形主要受壩殼料的變形特性影響。

(3)從壩體的應力水平看，完建期與蓄水期壩體應力水平大部分均小于1 MPa，只在增強體心墻底部附近過渡材料內局部單元應力達到1.5 MPa。

3.2 縱向增強體心墻

各種工況增強體心墻應力變形特征值見表3。

由表3可看出：

(1)增強體心墻施工期基本無變形。蓄水期由于墻體受水壓力作用向下游發生水平位移，壩體填料與墻體相互制約，二者變形協調發展，由于墻體材料的剛度相對較大，抗變形性能好，能在一定程度上制約壩體變形。在水位達到正常蓄水位時，防滲墻向下游水平平均位移為5.82 cm，出現于墻體中部，豎向位移為5.26 cm。

圖2 完建期壩體應力變形云圖

表3 各工況下增強體心墻應力變形最大值統計

(2)完建期增強體心墻最大主應力為0.625 MPa，最小主應力為5.974 MPa；蓄水期最大主應力隨水位上升而增加，正常水位時，最大主應力為0.721 MPa，最小主應力為5.956 MPa，均出現在墻體底部。

圖3 蓄水期壩體應力變形云圖

圖4和圖5分別為蓄水期與完建期增強體心墻水平位移和豎向位移沿高程分布圖。圖6和圖7分別為增強體心墻大、小主應力沿高程分布圖。圖8為墻體應力水平沿高程分布圖，墻體下游側局部應力較集中，應力水平最大達1.7Mpa，應力狀態良好。

總體而言，墻體應力狀態良好，只是蓄水期墻底局部應力較為集中，但不影響增強體心墻正常工作。

4 縱向增強體土石壩的特點

圖4 增強體心墻水平位移沿高程分布圖

圖5 增強體心墻豎向位移沿高程分布圖

圖6 增強體心墻最大主應力沿高程分布圖

圖7 增強體心墻最小主應力沿高程分布圖

圖8 增強體心墻應力水平沿高程分布圖

由以上分析可看出縱向增強體土石壩的特點較常規土石壩優勢特點較為突出。

4.1 縱向增強體土石壩地基適應性較廣

對地基要求較低，一般清理基礎表面腐殖土或清理至基巖面(強風化上層)即可；甚至古滑坡堆積體可利用，大大的減少了大壩基礎開挖量和填筑量，節省了投資。

4.2 縱向增強體土石壩填筑工期短

首先由于對地基要求低，減少了大壩基礎的開挖和回填量，基礎處理工期大為縮短。接著是直接填筑大壩后再施工混凝土心墻，大壩填筑速度加快。而常規心墻壩，如：粘土、瀝青混凝土、泥巖石渣料等心墻填筑厚度較之壩殼料填筑厚度要薄得多，心墻填筑高度上升較慢，而兩者絕對高差不宜過大，一定程度影響了大壩填筑進度，延緩了總體工期。縱向增強體土石壩加快了工程發揮效益的進程。

4.3 向增強體土石壩提高了土石壩安全性能[4]

土石壩在超標洪水發生時，漫頂迅速潰壩是致命性的。混凝土增強體心墻具有一定的剛性強度，大壩漫頂后，增強體心墻不會迅速遭到破壞從而使土石壩不會瞬間潰壩，可以有效延長潰壩時間，為緊急搶險和應急避險贏得時間，提高了土石壩的安全性能。

4.4 增強體心墻可以杜絕白蟻破壞

四川為盆地地形，氣候環境濕潤，加之水庫土石壩心墻附近土壤濕潤，適宜白蟻生存，我省土石壩白蟻危害較為嚴重。采用混凝土心墻土石壩結構后，有效降低土石壩浸潤線，白蟻喜好的濕潤筑巢環境減少，杜絕了白蟻繁衍蔓延，減少了白蟻對大壩造成的破壞風險。

4.5 縱向增強體土石壩施工工藝成熟，質量易于控制[20-23]

縱向增強體土石壩的壩體填筑施工受天氣影響小，石渣體可作整體碾壓，施工工藝簡單，較易控制；混凝土防滲墻已廣泛應用于國內外水利水電建筑中的防滲處理，施工技術成熟，防滲處理較徹底，可靠性高，耐久性好。

但是，由于縱向增強體土石壩的心墻施工，專業性強，技術難度高，施工工序復雜，施工隊伍選擇須嚴格控制，大壩防滲的關鍵是心墻的質量，施工隊伍不但需要專業的施工機械，還需有豐富增強體心墻施工經驗的施工人員。混凝土增強體心墻屬于剛性材料，變形協調能力較差，應力較為容易集中，不適合應用于中高壩。

5 混凝土增強體應注意的問題

經過工程實例研究分析，總結出設計此類壩型應該注意的其它問題如下：

(1)混凝土增強體心墻下游主堆區石渣料盡量選用新鮮且強度較高(濕抗壓強度30 MPa以上)的石渣料填筑；

(2)為保證增強體心墻造孔成槽的順利進行[14-19]，防滲墻軸線上、下游各2 m和4 m范圍填筑過渡石渣料，石渣料根據當地材料情況優先選用泥巖石渣料，最大粒徑200 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量控制在30%～55%；

(3)為了達到良好的防滲效果，布置槽孔混凝土施工平臺的高程在正常水位以上0.1～0.3 m，二期現澆的混凝土心墻接頭部位在正常水位以上有利于形成整體防滲。

(4)必須在增強體心墻內預埋灌漿管，接頭部位做好焊接處理。即可以減少二次鉆孔對心墻的損壞，又可以一定程度上提高混凝土心墻的剛性強度，從而形成縱向增強體。

6 結 語

作為一種新壩型，增強體土石壩按“剛柔相濟”的思路創新性地將常規土石壩和混凝土結構結合起來，既是防滲體，又是結構體，不僅有利于提高土石壩的防滲及安全穩定性能，同時能夠發揮增強體受力及變形性能。馬頭山水庫是縱向增強體的又一成功工程應用。該類壩型混凝土增強體心墻技術不僅適用于新建水庫大壩，同時也可以用于對中小型病險水庫的除險加固、堰塞湖壩體的防滲加固處理后等，應用前景廣闊。