高心墻堆石壩結構設計的幾個問題

目前，對高心墻樁，尤其是高心墻樁的結構設計中心墻類型的選擇、水庫材料的劃分設計、水庫邊坡的確定等問題沒有達成一致意見。國外已建壩高200m以上的高心墻堆石壩以斜心墻型式居多,這雖有利于心墻抗水力劈裂,但卻給壩基開挖及壩體填筑施工帶來很大不便,且投資大幅增加;在高心墻堆石壩壩料分區設計方面,對上游壩殼能否設次堆石料區等存在分歧;對壩坡穩定性,若采用傳統的壩坡穩定線性計算分析方法,則計算的最危險滑裂面均很淺且與壩高無關,壩坡穩定安全系數基本相同,且壩坡坡度隨壩高的增加而放緩亦無定論。鑒此,本文探討了高心墻堆石壩結構設計中存在的上述幾個問題,獲得了一些有益的結論,可供其他類似工程設計時參考。1墻類型選擇1.1墻類型參考心墻型式一般有直心墻和斜心墻兩種。目前已建成的9座壩高200m以上的心墻堆石壩中有6座為斜心墻型式,見表1。1.2第三級:維護區5.2糯扎渡土質心墻堆石壩位于云南省境內瀾滄江上,為瀾滄江中下游河段兩庫八級水電規劃的第五級,控制流域面積144700km2,壩址多年平均流量1730m3/s。最大壩高261.5m,壩頂高程821.5m,壩頂寬18.0m。根據糯扎渡大壩結構特點,需對選用直心墻、斜心墻型式進行全面、系統的對比分析,結果如下。(1)直心墻型式選擇當地形或樞紐布置要求大壩布置于某處時,若采用直心墻型式,由于心墻基礎地質條件很差,而若將心墻基礎略往上游移動則能明顯改善基礎地質條件時,因此宜采用斜心墻型式。糯扎渡不屬于這種情況。(2)滲透和滲透穩定直心墻、斜心墻型式堆石壩的滲流量、滲透比降基本相同,差別不顯著。(3)壩體非線性穩定分析采用以下7種工況計算壩最大剖面的最小安全系數(非線性方法):①工況1。穩定滲流期下游壩坡,上、下游正常水位;②工況2。穩定滲流期上游壩坡(最不利庫水位760m,下游正常水位);③工況3。竣工期上游壩坡,上、下游無水作用;④工況4。竣工期下游壩坡,上、下游無水作用;⑤工況5。庫水位由正常水位驟降至死水位的上游壩坡;⑥工況6。工況1遭遇8度地震;⑦工況7。工況2遭遇8度地震(最不利庫水位812m)。表2為壩最大剖面非線性穩定分析最小安全系數計算結果。由表可看出:①上游壩坡安全系數均以直心墻堆石壩較大,工況5差異最明顯;②下游壩坡安全系數兩者相差很小,斜心墻堆石壩略大。(4)壩體力學性能分析近年來,我國在心墻水力劈裂發生機理、水力劈裂模擬計算分析方法方面取得了突破性進展,可精細地進行水力劈裂的計算分析和判斷。采用文獻的方法對糯扎渡土質心墻堆石壩壩體應力和變形進行了計算分析。結果表明,直心墻堆石壩較斜心墻堆石壩拱效應略大,但仍不至于發生水力劈裂,并未影響該工程對心墻型式的選擇。(5)壩體加速度及長期變形最表3、4分別為兩種心墻型式的三維有限元動力反應計算壩體最大加速度及永久變形最大值對比。由表可看出,直心墻堆石壩的加速度反應和永久變形略小于斜心墻堆石壩,其抗震性能略優。(6)施工困難由于心墻向上游傾斜,斜心墻堆石壩在心墻基礎開挖施工時難度更大,且其上游側邊坡范圍較大,邊坡穩定性問題更為突出。(7)灌漿、固結灌漿、心墻填筑由于心墻向上游凸出,斜心墻堆石壩的基礎開挖、基礎處理、帷幕灌漿、固結灌漿、心墻填筑等方面的工程量均較直心墻堆石壩大,造價亦相應較高。綜上所述,糯扎渡壩采用直心墻堆石壩,在工程造價、壩坡穩定性、抗震性能、施工難度等方面優勢明顯。2水庫材料分區設計2.1壩體結構指標的確定對壩高超過100m的心墻堆石壩,為減小心墻沉降量、降低壩殼對心墻的拱效應,一般宜采用礫石土料填筑心墻。對可全部采用天然土料填筑的心墻,應結合土料場的開采規劃,級配較粗、力學指標較高的土料用于心墻下部,將級配較細、力學指標較低的土料用于心墻上部。當全部采用天然土料不能滿足要求時,則需采用人工摻礫石方法改善土料性質,由于各具體工程的壩料參數有所差異,應通過比較研究確定一個合適的分界線,分界線以下采用人工摻礫石土料,分界線以上可采用天然土料,以盡量降低工程造價。分界線設計需考慮如下因素:①采用分層總和法計算的心墻后期沉降應小于壩高的1%;②滿足壩坡穩定要求;③滿足心墻抗水力劈裂要求;④滿足心墻抗震要求。對糯扎渡土質心墻堆石壩的研究結果表明,心墻上部約100m壩高范圍內采用不摻礫石的天然土料可行。2.2壩殼堆磨料設計原則壩殼堆石料分區設計需考慮的主要因素為:①滿足壩坡穩定要求;②滿足大壩對變形應力要求,如不會產生過大的變形、不會發生位移突變、不會引發心墻水力劈裂等;③滿足所在部位透水性要求;④滿足大壩抗震要求;⑤料物調運簡單、可行;⑥造價最優。因此,壩殼堆石料一般遵循的分區設計原則為:壩頂部位、壩殼外部及下游壩殼底部、上游壩殼死水位以上為壩體抗震、壩坡穩定、壩體抗風化、壩體透水性要求較高的關鍵部位,設置為堆石料Ⅰ區,采用具有較高強度指標、透水性好的優質堆石料;其他部位對石料強度指標及透水性要求可適當降低,設置為堆石料Ⅱ區,采用強度指標稍低的次堆石料。堆石料Ⅱ區的范圍要盡可能大,以充分利用開挖料,但需滿足壩坡穩定、壩殼透水、壩體應力應變及壩體抗震等要求。通過比較研究糯扎渡土質心墻堆石壩的14個分區方案,得出各主要因素對次堆石料區范圍的影響如下。(1)次堆磨料區范圍由于最危險滑裂面一般均較深(非線性計算方法),會穿過位于壩體內部的次堆石料區,因此次堆石料的抗剪強度對壩坡的抗滑穩定安全性有較大影響,應盡可能將次堆石料碾壓密實,以提高其抗剪強度。一般隨次堆石料區范圍擴大,壩坡的抗滑穩定安全系數會降低,但當擴大到一定程度后,滑裂面穿過次堆石料區的范圍不再增加,壩坡的抗滑穩定安全系數亦不再降低。因此,壩坡穩定因素對次堆石料區范圍的影響為非制約性的,可通過提高次堆石料的碾壓密實度及適當放緩壩坡來確保壩坡穩定性。(2)壩體變形、應力最大差值次堆石料區的大小和位置對壩體應力變形有一定影響,但并不明顯,各分區方案壩體變形及應力的最大差值分別不超過7%、10%,14個分區方案壩體應力和變形均在容許范圍內,均不會發生水力劈裂。實際上,次堆石料區變形參數略低于優質堆石料區對降低心墻拱效應有利,但應以不造成過大的不均勻變形為準。(3)不同堆磨料區的動力特性次堆石料區的大小和位置對壩體動力反應的影響與次區堆石料區的動力特性有關,當次堆石料區的動力特性與優質堆石料區相差不大時,其對壩體動力反應的影響很小。因此具體分區方案的可行性與壩料特性有關,需通過有限元動力分析來論證。(4)料物平衡分析施工規劃及工程造價是影響分區的最重要因素。由于各工程在開挖料性質、開挖料位置、開挖料數量、運輸道路布置、存渣場布置及料物調運方案等方面的差異,故應根據每個具體工程的實際情況通過詳細的料物平衡分析以最經濟的原則確定最合適的分區方案。3壩高對穩定安全系數的影響心墻堆石壩壩坡穩定分析一般采用線性計算方法,現行的土石壩設計規范建議采用線性強度指標進行計算,對粗粒料亦可采用非線性強度指標進行計算,這對壩體應力值不高的中、低壩較適合。但隨壩高的不斷增加,壩體應力水平不斷提高,對高土石壩的大量壩料試驗研究結果表明,土石料尤其是堆石料、砂礫料的強度指標具有明顯的非線性,即隨應力水平的提高,壩料抗剪強度指標會降低。若采用線性計算分析方法,最危險滑裂面均很淺且基本相同,與壩高無關;同樣,壩坡穩定安全系數也基本相同。因此對高土石壩,應采用非線性方法進行壩坡穩定分析,以反映壩料強度特性的真實性。采用非線性方法,計算得出壩高從100m到500m時各種工況下壩坡穩定安全系數與壩高的關系曲線,見圖1。由圖可看出,隨壩高的增加,由于最危險滑裂面深度增加,沿滑裂面壩料