老木孔航電工程膠凝砂礫石堤結構分析

裴 廣 超, 周 正 軍

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石堤是在碾壓混凝土筑堤技術和面板堆石筑壩技術的基礎上發展起來的一種新堤型,其特點是采用膠凝材料與砂礫石材料拌合筑堤, 使用高效率的土石方運輸機械和壓實機械施工[1]。膠結砂礫石壩具有縮小壩體斷面、背水面抗沖刷能力強、超標洪水翻壩后不易潰壩等優點,并且可就地取材、減少棄料, 具有安全、經濟和保障等特點[2-3]。膠凝砂礫石防護堤可以在滿足概算投資的基礎上大幅提升防護堤的抗超標洪水風險的能力[4]。國外已建最大堤高107.0 m膠凝砂礫石壩,國內已相繼在福建、云南、貴州等地建成多座圍堰,經歷了過水考驗,水利部已將膠凝砂礫石筑堤壩術列為中小型水利工程的推廣應用項目。

1 工程概況

老木孔航電工程壩址位于樂山市牛華鎮下游約0.7 km的楊花渡口附近,上游距樂山大佛約11.7 km。老木孔航電工程以航運為主,結合發電,工程為二等大(2)型工程,航電工程庫區河谷開闊,心灘、邊灘發育,要使該段航道達到Ⅲ級航道標準,依靠河道整治難度太大。因此,只有依靠修建攔河閘壩、庫區防洪堤以形成水庫攔蓄洪水,再通過航道疏浚達到Ⅲ級航道標準。左右兩岸防洪堤總長約17.76 km,防洪堤防洪標準為20 a一遇洪水標準,堤防工程等別為4級,代表堤型為膠凝砂礫石堤,最大堤高16.3 m。

2 膠凝砂礫石堤結構分析

2.1 計算斷面

防洪堤設計典型斷面見圖1。標準斷面膠凝砂礫石堤堤頂寬4.5 m,迎水面坡度1∶0.5,背水面坡度1∶0.7。迎水面從外到內為70 cm厚C15加漿振搗防滲層,C4膠凝砂礫石堤體,C4加漿保護背坡,基礎采用1.5 m厚C15富膠凝砂礫石。迎水坡防滲層底部為3.00 m長,1.0 m厚C25趾板,向上游接2.25 m長,1.0 m厚C25連接板,然后接防滲墻。計算中選取堤高較大斷面進行平面應力變形計算。

圖1 防洪堤設計典型斷面

2.2 計算模型及方案

根據防護堤剖面和工程地質剖面對膠凝砂礫石的防護堤及地基進行有限元網格劃分。計算分析網格采用對覆蓋層地基、防滲墻、連接板防護堤分區都進行了精細網格劃分。計算防護堤及堤基應力變形分析網格見圖2,共包含7 156個節點,3 442個單元。

圖2 防護堤及堤基應力變形分析網格

防護堤施工填筑采用水平填筑的方式進行模擬,對于防滲連接板的施工考慮兩種方案:方案一是先施工防滲墻和防護堤,待防護堤填筑施工完后施工防滲墻與趾板之間的連接板;方案二是先施工防滲墻,防滲連接板與防護堤同步施工。

2.3 計算理論及材料參數

計算分析中,覆蓋層地基選用非線性鄧肯E-B模型,防護堤、防滲墻及連接板都選用彈性理論。

計算分析采用的膠凝砂礫石材料參考相關工程經驗確定,覆蓋層材料的參數采用類似工程參數,混凝土材料的參數根據相關規范和類似工程資料確定。具體采用參數,膠凝砂礫石及混凝土材料參數見表1和覆蓋層材料參數見表2。

表1 膠凝砂礫石及混凝土材料參數

表2 覆蓋層材料參數

抗壓強度:壩體膠凝砂礫石抗壓強度最小值為6.00 MPa,富漿膠凝砂礫石為19.00 MPa;正常工況下,按4倍抗壓強度安全系數考慮,壩體膠凝砂礫石允許壓應力為1.50 MPa,富漿膠凝砂礫石允許壓應力為4.75 MPa。

2.4 計算結果分析

2.4.1 方案一計算成果

(1)完建期計算成果。完建期防護堤及堤基的水平位移(順河向)整體都很小,都處于厘米量級。最大的水平位移出現于防護堤的地基上游堤腳位置,主要產生原因是防護堤的沉降引起的側向擠出作用。完建期防護堤順河向水平位移分布圖見圖3。

圖3 完建期防護堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

最大沉降區域出現在靠近上游的壩腳位置,以防護堤軸線為界,上游的防護堤堤基的沉降略大于下游的沉降。產生這一現象的主要原因如下:①受防洪堤上游坡要稍陡于下游坡這一幾何形態的影響,靠近上游壩腳的壓應力高于靠下游壩腳的位置;②計算斷面中下游填土較高,下游填筑對堤與地基的側向約束要強于上游側。綜合這兩方面原因,上游堤基的沉降大于下游。最大沉降約為 4.2 cm。完建期防護堤沉降分布見圖4。

圖4 完建期防護堤沉降分布圖(單位:m)

完建期,防護堤及堤基的大主應力量值總體不大,最大值為 0.84 MPa。大主應力的極大值區出現在防護堤的壩踵和壩趾附近。建期防護堤及堤基大主應力分布圖見圖5。

圖5 完建期防護堤及堤基大主應力分布圖(單位:Pa)

富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應力最大值為0.84 MPa,根據設計要求, 按照 4 倍抗壓安全系數考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強度為4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區域的最大應力小于允許抗壓強度。防護堤其他區域大主應力值較低,一般小于1 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應力1.5 MPa。在完建期,防護堤的大主應力值滿足規范[5]中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應力應小于材料允許壓應力”的規定。

防滲墻及連接板的大主應力極大值出現在連接板區域。 大主應力最大值為0.5 MPa。防滲墻大主應力小于 C25 混凝土的允許壓應力。完建期防滲墻及連接板大主應力分布圖見圖6。

完建期, 防護堤及堤基的小主應力的拉應力量值總體不大, 最大拉應力值為0.4 MPa,出現在堤底防滲層區。防滲墻、防滲墻與連接板連接區出現一定的拉應力,但量值很小,基本小于0.05 MPa。完建期防護堤及堤基小主應力分布圖見圖7,完建期防滲墻及連接板小主應力分布圖見圖8。

圖7 完建期防護堤及堤基小主應力分布圖(單位:Pa)

圖8 完建期防滲墻及連接板小主應力分布圖(單位:Pa)

(2)滿蓄期計算成果。滿蓄期防護堤及堤基的水平位移(順河向)基本向下游,量值不大,處于厘米量級。最大的水平位移出現堤頂附近,約為2.4 cm。滿蓄期防護堤順河向水平位移分布圖見圖9。

圖9 滿蓄期防護堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

滿蓄期,沉降分布趨勢與完建期基本一致。在水庫水推力及壓力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.6 cm。出現的位置依舊在壩踵處。滿蓄期防護堤沉降分布圖見圖10。

圖10 滿蓄期防護堤沉降分布圖(單位:m)

滿蓄期,防護堤及堤基的大主應力量值總體不大,最大值為 1.28 MPa。大主應力的極大值區出現在防護堤的壩踵附近。滿蓄期防護堤及堤基大主應力分布圖見圖11。

圖11 滿蓄期防護堤及堤基大主應力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應力最大值為 1.28 MPa,根據設計要求,按照 4 倍抗壓安全系數考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區域的最大應力小于允許抗壓強度。防護堤其他區域大主應力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應力 1.50 MPa。在滿蓄期,防護堤的大主應力值滿足規范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應力應小于材料允許壓應力”的規定。

防滲墻及連接板的大主應力極大值出現在連接板區域。 大主應力最大值為0.75 MPa。防滲墻大主應力小于 C25 混凝土的允許壓應力。滿蓄期防滲墻及連接板大主應力分布圖見圖12。

圖12 滿蓄期防滲墻及連接板大主應力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期, 防護堤及堤基的小主應力的拉應力量值總體不大, 最大拉應力值為0.32 MPa,出現在堤踵附近。防滲墻、防滲墻與連接板連接區出現一定的拉應力,在0.24 MPa以內。滿蓄期防護堤及堤基小主應力分布圖見圖13,滿蓄期防滲墻及連接板小主應力分布圖見圖14。

圖13 滿蓄期防護堤及堤基小主應力分布圖(單位:Pa)

圖14 滿蓄期防滲墻及連接板小主應力分布圖(單位:Pa)

2.4.2 方案二計算成果

(1)完建期計算成果。完建期防護堤及堤基的水平位移(順河向)整體都很小,都處于毫米量級。最大的水平位移出現于防護堤的地基下游堤腳位置,主要產生原因是防護堤的沉降引起的側向擠出作用。完建期防護堤順河向水平位移分布圖見圖15。

圖15 完建期防護堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

最大沉降區域出現在靠近下游的壩腳位置,以防護堤軸線為界,上游的防護堤及堤基的沉降小于下游的沉降。產生這一現象的主要原因在由于上游堤基內修筑有防滲墻限制,防滲墻相對于覆蓋層地基具有較高的變形模量。一方面,防滲墻的存在增強了上游堤基的復合變形模量,使得上游堤基的變形模量高于下游堤基。另一方面,防滲墻的存在也限制了堤基向上游發生變形,起到了一定的約束作用。綜合這兩方面原因,上游堤基的沉降小于下游。最大沉降約為 4.2 cm。完建期防護堤沉降分布圖見圖16。

圖16 完建期防護堤沉降分布圖(單位:m)

完建期,防護堤及堤基的大主應力量值總體不大,最大值為 2.87 MPa。大主應力的極大值區出現在防護堤的壩踵附近。完建期防護堤及堤基大主應力分布圖見圖17。

圖17 完建期防護堤及堤基大主應力分布圖(單位:Pa)

富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應力最大值為 2.87 MPa,根據設計要求, 按照 4 倍抗壓安全系數考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區域的最大應力小于允許抗壓強度。防護堤其他區域大主應力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應力 1.50 MPa。在完建期,防護堤的大主應力值滿足規范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應力應小于材料允許壓應力”的規定。

防滲墻及連接板的大主應力極大值出現在連接板區域。 大主應力最大值為1.00 MPa。防滲墻大主應力小于 C25 混凝土的允許壓應力。完建期防滲墻及連接板大主應力分布圖見圖18。

圖18 完建期防滲墻及連接板大主應力分布圖(單位:Pa)

完建期, 防護堤及堤基的小主應力的拉應力量值總體不大, 最大拉應力值為0.74 MPa,出現在堤趾板和底防滲層區。防滲墻、防滲墻與連接板連接區出現一定的拉應力,最大值出現在防滲連接板上部,最大拉應力值為0.56 MPa。完建期防護堤及堤基小主應力分布圖見圖19,完建期防滲墻及連接板小主應力分布圖見圖20。

圖19 完建期防護堤及堤基小主應力分布圖(單位:Pa)

圖20 完建期防滲墻及連接板小主應力分布圖(單位:Pa)

(2)滿蓄期計算成果。滿蓄期防護堤及堤基的水平位移(順河向)基本向下游,量值不大,處于厘米量級。最大的水平位移出現堤頂附近,約為3.3 cm。滿蓄期防護堤順河向水平位移分布圖見圖21。

圖21 滿蓄期防護堤順河向水平位移分布圖(單位:m)

滿蓄期,沉降分布趨勢與完建期基本一致。在水庫水推力及壓力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.9 cm。出現的位置依舊在下游的壩腳位置。滿蓄期防護堤沉降分布圖見圖22。

圖22 滿蓄期防護堤沉降分布圖(單位:m)

滿蓄期,防護堤及堤基的大主應力量值總體不大,最大值為 3.34 MPa。大主應力的極大值區出現在防護堤的壩踵附近。滿蓄期防護堤及堤基大主應力分布圖見圖23。

圖23 滿蓄期防護堤及堤基大主應力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期富漿膠凝砂礫石防滲體靠近壩踵的位置大主應力最大值為 3.34 MPa,根據設計要求, 按照 4 倍抗壓安全系數考慮, 富漿膠凝砂礫石的容許抗壓強度為 4.75 MPa,富漿膠凝砂礫石區域的最大應力小于允許抗壓強度。防護堤其他區域大主應力值較低,一般小于1.00 MPa,小于壩體膠凝砂礫石容許壓應力 1.50 MPa。在滿蓄期,防護堤的大主應力值滿足規范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應力應小于材料允許壓應力”的規定。

防滲墻及連接板的大主應力極大值出現在連接板區域。 大主應力最大值為1.15 MPa。防滲墻大主應力小于 C25 混凝土的允許壓應力。滿蓄期防滲墻及連接板大主應力分布圖見圖24。

圖24 滿蓄期防滲墻及連接板大主應力分布圖(單位:Pa)

滿蓄期, 防護堤及堤基的小主應力的拉應力量值總體不大, 最大拉應力值為0.97 MPa,出現在堤踵附近。防滲墻、防滲墻與連接板連接區出現一定的拉應力,在0.56 MPa以內。滿蓄期防護堤及堤基小主應力分布圖見圖25,滿蓄期防滲墻及連接板小主應力分布圖見圖26。

圖25 滿蓄期防護堤及堤基小主應力分布圖(單位:Pa)

圖26 滿蓄期防滲墻及連接板小主應力分布圖(單位:Pa)

3 結 論

各工況下防護堤及堤基的水平、豎直變形量值均不大,處于厘米量級;護堤及堤基的大主應力量值總體不大,滿足規范中“在任何工況下,膠凝砂礫石壩壩體最大主壓應力應小于材料允許壓應力”的規定;不同施工方案下防護堤及堤基拉應力有一定差異,先施工防滲墻和防護堤方案優于先施工防滲墻方案,但總體量值均不大,均能滿足設計要求。綜上,老木孔航電工程膠凝砂礫石防洪堤結構斷面設計是合理的。