某水庫瀝青混凝土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定分析探究

摘" 要：為研究瀝青混凝土心墻壩的結(jié)構(gòu)布置、施工特點(diǎn)和壩坡穩(wěn)定性，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行了心墻及其基礎(chǔ)和壩坡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壩體材料分區(qū)，填筑料力學(xué)指標(biāo)選取，并通過土石壩分析計(jì)算軟件Autobank7.7對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算方法采用簡化畢肖普法和摩根斯頓－普賴斯法，計(jì)算結(jié)果滿足安全穩(wěn)定要求，以期為該類壩型建設(shè)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土心墻壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗滑穩(wěn)定

收稿日期：2023-05-04

作者簡介：王" 壘 （1993—），男，河南焦作人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理。

0" 引言

土石壩又稱當(dāng)?shù)夭牧蠅危且环N十分常見且歷史悠久的壩型，其具有筑壩材料易于獲取，適用于各種地形地質(zhì)條件，施工機(jī)械化程度高等諸多優(yōu)勢，已成為不同地區(qū)水資源開發(fā)利用的首選壩型［1-3］。由于瀝青混凝土具有受環(huán)境條件影響小、抗?jié)B能力強(qiáng)、便于施工、柔韌性好、安全可靠等優(yōu)良性能，其作為大壩防滲體材料，已被廣泛應(yīng)用于水利工程中［4-6］。瀝青混凝土心墻土石壩結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，以瀝青混凝土作為防滲心墻，以當(dāng)?shù)赝潦献鳛閴误w填筑料，其已成為近年來較為優(yōu)越的壩型之一。

本文通過對(duì)實(shí)際工程中的案例進(jìn)行分析，對(duì)該類壩型進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料分區(qū)、壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，驗(yàn)證其結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。

1" 工程概況

某水庫位于貴州省六枝特區(qū)牂牁鎮(zhèn)毛口河上，該河流是北盤江的一級(jí)支流。該水庫壩址位于牂牁鎮(zhèn)牂牁村口棚附近，距牂牁鎮(zhèn)約10 km，有縣道通往壩址，交通便利。

該水庫工程規(guī)模為小（1）型，工程任務(wù)是解決當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)和農(nóng)村居民的飲水問題，并可作為農(nóng)作物的灌溉水源。主體大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻土石料壩，最大壩高為58 m，壩頂高程為1 026 m。正常蓄水位1 022 m，相應(yīng)庫容107萬m3，調(diào)節(jié)庫容84.7萬m3；設(shè)計(jì)洪水位1 024.22 m，相應(yīng)庫容為123萬m3；校核洪水位1 024.93 m，相應(yīng)總庫容128萬m3。本工程總供水量201.46萬m3/年，設(shè)計(jì)引用流量0.235 m3/s，設(shè)計(jì)農(nóng)田灌溉面積305公頃（4 570畝），供水總?cè)丝?1 000人。

2" 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1" 壩頂及心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水庫的運(yùn)行情況和連接兩岸的交通要求，壩頂總寬度設(shè)為6.0 m。考慮到地震影響，壩頂上游設(shè)抗震性能較好的“U”型防浪墻，防浪墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C25，墻的頂部厚度為0.35 m，總高2.70 m，墻底高程為1 024.50 m，墻頂高程1 027.20 m，墻底與瀝青混凝土心墻頂用W型止水銅片連接。防浪墻與心墻及上游過渡層間采用5 cm厚聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫板填縫。壩頂下游設(shè)C25鋼筋混凝土路肩墻，擋墻高0.5 m，墻厚0.3 m，頂部設(shè)1.2 m高仿石材欄桿。壩頂路面坡度為2%，坡朝向下游排水溝，壩頂路面由0.2 m厚混凝土和0.3 m厚碎石墊層鋪筑。

根據(jù)規(guī)范要求，“瀝青混凝土心墻底部的最大厚度（不含擴(kuò)大段）宜為壩高的1/110～1/70，心墻頂部最小厚度不小于40 cm”［7］。經(jīng)綜合考慮，本工程瀝青混凝土心墻自上而下采用等厚布置，除底部擴(kuò)大段以外，厚度統(tǒng)一為60 cm。心墻中線位于壩軸線上游1.4 m，頂部高程1 024.50 m，底部最低高程970.00 m，最大高度54.5 m。為延長心墻與其他建筑物結(jié)合面的滲徑，在其連接處3.0 m范圍設(shè)置擴(kuò)大段。

心墻底部設(shè)C25鋼筋混凝土基座，基座底寬3.0 m，頂寬4.2 m，厚度為2.0 m，底部最低高程為968 m，頂部最低高程為970 m。心墻骨料采用灰?guī)r料，粗骨料最大粒徑19 mm。心墻與基座連接處設(shè)為弧形，以增加心墻與混凝土基座的接觸面積，從而達(dá)到更好的防滲效果。心墻與基座結(jié)合面為達(dá)到良好的黏結(jié)效果，在澆筑心墻前，需增加結(jié)合面的粗糙度，即需對(duì)基座混凝土鑿毛，清理干凈浮渣后，噴涂一層陽離子乳化瀝青，完全干燥后，再涂瀝青瑪蹄脂，厚度為1～2 cm。

鑒于心墻底部基座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且需承載上部心墻及過渡層自重，故基座基礎(chǔ)應(yīng)為基巖。在壩址右岸坡、中部河床段與左岸坡0+078.76～0+137.02 m樁號(hào)段覆蓋層深度較淺，心墻基礎(chǔ)可直接開挖到基巖面，將心墻基座置于基巖上。左岸坡樁號(hào)0+000.00～0+078.76 m段為大面積堆積體，平均厚度約36 m，心墻基礎(chǔ)若直接置于基巖，則開挖及填筑量大，工程投資大。故在此段設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻，將其作為心墻基礎(chǔ)及地下防滲的一部分。地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C25，墻體厚度為1.2 m，底部應(yīng)插入基巖以下2.0 m。連續(xù)墻施工工藝為：挖掘?qū)Р郏┳鲗?dǎo)墻（本工程導(dǎo)墻厚度為0.2 m，頂部寬度0.9 m），鉆孔成槽，泥漿護(hù)壁，澆筑成墻。

本工程最大壩高58.0 m，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020），結(jié)合工程任務(wù)，綜合確定防滲標(biāo)準(zhǔn)為5～8 Lu。經(jīng)分析河床及兩岸的風(fēng)化情況、兩岸地下水位坡降、孔壁電視中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況、及鉆孔壓水試驗(yàn)，左岸堆積體區(qū)域的防滲措施為防滲墻加墻底帷幕，基巖采取帷幕灌漿處理。為提高心墻基礎(chǔ)整體性，基座地基應(yīng)采取固結(jié)灌漿和噴錨支護(hù)。

2.2" 壩坡設(shè)計(jì)

壩體填筑料采用大壩開挖及庫區(qū)左岸邊坡治理開挖的砂質(zhì)粘土夾碎石混合料，上、下游壩坡除滿足規(guī)范基本要求［8］，需進(jìn)行壩體抗滑穩(wěn)定安全分析。

壩軸線為直線型，長度為272.26 m，最大壩底寬284.97 m。鑒于降低工程量，節(jié)約成本，縮短工期等原因，圍堰一般在后期應(yīng)作為壩體的一部分，故上游壩坡布置應(yīng)綜合考慮。為滿足度汛要求，上游壩面設(shè)置度汛平臺(tái)，平臺(tái)寬15.0 m，相應(yīng)高程為1 006.00 m，平臺(tái)以上壩坡為1∶3。度汛平臺(tái)以下壩坡為1∶3，壩腳與圍堰堰頂銜接，圍堰頂部寬為5.0 m，相應(yīng)高程996.50 m。下游面坡度采用1∶2.5，下游馬道高程1 005.00 m，寬3.0 m，下游坡腳處應(yīng)設(shè)排水棱體，排水棱體采用砂卵石填筑，頂部高程為982.00 m。

根據(jù)壩料來源及壩體結(jié)構(gòu)型式，壩體材料分區(qū)為：上游面0.15 m厚的預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，往下游依次鋪設(shè)為0.40 m厚的碎石墊層、上游砂質(zhì)粘土夾碎石混合料區(qū)域、上游過渡料（厚度3.0 m）、心墻（厚度0.6 m）、下游過渡料（厚度3.0 m）、下游砂質(zhì)粘土夾碎石混合料填筑區(qū)、下游C25混凝土格構(gòu)及草皮護(hù)坡。

壩體簡化分區(qū)圖如圖1所示。

3" 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.1" 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果、現(xiàn)場探坑開挖揭露性狀及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)程［9］及貴州地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，該工程壩體填筑料物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

3.2" 設(shè)計(jì)計(jì)算工況

測區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差［10］。按照規(guī)范規(guī)定，地震基本烈度Ⅶ度，需進(jìn)行抗震計(jì)算［11］。根據(jù)規(guī)范要求，且需考慮工程實(shí)際運(yùn)用，選取計(jì)算工況如下［8］。

3.2.1" 正常運(yùn)用條件

所設(shè)計(jì)水庫水位處于正常蓄水位與死水位（1 022.00～1 005.00 m），設(shè)計(jì)洪水位與死水位（1 024.22～1 005.00 m）之間各種水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡。

3.2.2" 非常運(yùn)用條件

（1）施工期的上、下游壩坡。

（2） 上游為校核洪水位（1 024.93 m）形成穩(wěn)定滲流的上、下游壩坡。

（3） 水庫水位的非常降落，自校核洪水位降落至死水位（1 024.93～1 005.00 m）的上游壩坡。

（4） 正常運(yùn)用條件，即上游為正常蓄水位（1 022.00 m）遇地震時(shí)的上、下游壩坡。

3.3" 計(jì)算方法及依據(jù)

計(jì)算程序采用土石壩穩(wěn)定分析計(jì)算軟件Autobank7.7，施工期采用總應(yīng)力法計(jì)算，其余工況均采用有效應(yīng)力法計(jì)算。壩坡穩(wěn)定采用簡化畢肖普法和摩根斯頓－普賴斯法同時(shí)計(jì)算。

滑裂面為圓弧面，簡化畢肖普法按式（1）計(jì)算［8］：

K=∑W±Vsecα－ubsecαtanφ′+c′bsecα1/1+tanαtanφ′/K∑W±Vsinα+MC/R（1）

K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為土條重量；V為垂直地震慣性力；u為土條底面孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′、φ′為土條底面有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

3.4" 穩(wěn)定計(jì)算成果

通過建模和網(wǎng)格劃分，大壩有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。

該大壩為4級(jí)永久建筑物，根據(jù)規(guī)范，最小安全系數(shù)分別為：正常運(yùn)用條件1.25，非常運(yùn)用條件1.15和1.10［8］。經(jīng)過計(jì)算，壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果如表2所示。

各工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果如圖3～圖8所示。

4" 結(jié)語

通過壩坡安全穩(wěn)定分析，不同工況下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于設(shè)計(jì)規(guī)范允許值，該結(jié)果證明大壩從上下游壩坡選取、壩體材料分區(qū)及壩體填筑料力學(xué)參數(shù)取值均是合理的，故大壩是安全可靠的。

參考文獻(xiàn)：

［1］" 吳高見，張喜英. 土石壩施工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.水力發(fā)電，2018，44（2）： 1-6，24.

［2］" 尤臻. 碾壓式土石壩施工技術(shù)的要點(diǎn)探析［J］.黑龍江水利科技，2022，50（10）： 76-78.

［3］" 程展林，潘家軍. 土石壩工程領(lǐng)域的若干創(chuàng)新與發(fā)展［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2021，38（5）： 1-10，16.

［4］" 李勁飛. 新疆達(dá)克曲克水電站瀝青混凝土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2020（6）： 136-140，144.

［5］" 郝巨濤，劉增宏，汪正興. 我國瀝青混凝土防滲工程技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.水利學(xué)報(bào)，2018，49（9）： 1137-1147.

［6］" 柳 瑩，吳俊杰，馬 軍，等. 某水庫復(fù)雜壩基瀝青混凝土心墻壩滲透安全評(píng)價(jià)［J］.人民黃河，2021，43（7）： 137-140.

［7］" 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 501—2010［S］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［8］" 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 274—2020［S］.北京：中國水利水電出版社，2021.

［9］" 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程：SL 251—2015［S］.北京：中國水利水電出版社，2015.

［10］" 全國地震標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖：GB 18306—2015［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［11］" 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：NB 35047—2015［S］.北京：中國電力出版社，2015.