大型土坝坝体挡水建筑物工程设计及其稳定性分析

李 影

(营口市河务管理处,辽宁 营口 115000)

锦州市市区供水水源大部分来源于地下水,但是随着经济建设的迅猛发展,水资源超采、污染现象严重。根据国家、省、市相关要求,目前锦州市的地下水资源已不适合继续开采,因此,建设地表水资源工程迫在眉睫。但是,小凌河干流上缺少大型控制性水利工程。通过对小凌河进行现场勘测,该地区地形、水文、地质等条件满足修建大型水利枢纽工程[1]。此外,锦凌水库建成后,对于解决锦州市市区缺水问题具有较大的作用。因此,兴建锦凌水库枢纽工程,深入开发小凌河水资源,对于解决锦州市市区严重缺水问题至关重要。

大型土石坝设计历史悠久,研究方法较多,在本构模型构建方面：Duncan.J.M[2]通过运用有限元方法确定了能够适当选取材料的本构模型；顾淦臣,郭军,朱亚林等[3]利用动力弹塑性分析方法,揭示了地震对坝体切应变、变形的影响规律,包承纲[4]等引进了土动力学理论,研究了长江三峡区域厚细砂沉积层的稳定性和整体受力问题；陈群等[5]通过引进并应用饱和——非饱和渗流理论,分析了青海沟后大坝蓄水后库水渗透问题,解决了非饱和渗流时土坝的稳定问题；刘先珊,刘少炜,余永康[6]研究了包含防渗墙的土石坝体渗流情况,确定汛期坝体渗流场,得到渗透坡降与材料渗透系数的关系。在坝体结构形式和强度方面：李星[7]通过分析水泥土搅拌桩挡墙强度和刚度变化,确定了其对基坑变形的单一影响因素。在坝体结构数值分析方面：刘奉银,刘国栋等[8]采用数值分析方法,研究了防渗墙深度与坝体渗流特性的关系；刘建军等[9]在岩土饱和——非饱和渗流理论基础上,对径流水渗流进行了动态模拟,揭示了地下水水头、压力、水流流速等的变化规律；彭华[10]在这一研究方法和思路上进行了改进和优化,揭示了迭代步间容水度变化曲线关系。

综上可知,目前对于水利工程土石坝等的研究较多,对于考虑渗流稳定性作用下土石坝体、土石混凝土混合坝体的理论、设计和施工技术等的研究理论也较为成熟[13]。但是,对于小凌河复杂地质条件下土石坝施工及其稳定性的研究目前尚存在不足和值得商榷之处,特别是坝体整体的应力位移变化数值分析研究较少。

本文基于锦凌水库小凌河土坝设计和施工技术、防渗防护技术和稳定性分析研究以及目前尚存在的不足之处,对锦凌水库挡水建筑物结构设计和施工进行了研究,并通过有限元模拟计算对结构内部应力、变形等进行了分析计算,通过定性和定量相结合的方法分析验证了该土坝坝体的稳定性。本文的研究结论可为土坝结构设计和安全施工,保证坝体稳定性和正常运行等提供工程指导和借鉴。

表2 结构设计参数确定

1 水库概况及其防汛标准

锦凌水库位于小凌河要道,水库容水量8.08×108m3,拦河坝顶最高为48.29m,具有用水、防洪、蓄水、保证用水安全等作用,水库下游方向9.5km处为锦州市。根据水库等级划分：工程为大(2)型II等,永不撤除类关键构筑物为2级；普通构筑物(如下游右岸防冲导墙)为3级；可撤除类构筑物则为4级。防汛标准见表1。

表1 主要建筑物的防讯标准

2 土坝坝体结构设计及其稳定性计算

2.1 坝体结构设计

土坝分左、右岸两部分,左岸土坝桩号为0+059.00m～0+558.00m,长度499.0m；右岸土坝桩号为0+855.50m～1+207.00m,长度351.5m。左、右岸土坝总长850.5m。具体坝体结构设计见表2。

2.2 土坝稳定性计算

2.2.1 渗流稳定计算

根据设计规范选择粘土心墙结构作为土坝的防渗体结构,坝体下游选择表层排水。按水库洪水调节运行方式,渗流计算水位组合见表3。

表3 渗流计算水位组合表 单位:m

根据拉普拉斯方程：

(1)

式中，H—渗流平面域内水头；Kx、Ky—土体X、Y向渗透系数。通过计算,土坝渗流稳定分析计算成果见表4。计算成果如图1～3所示。

由表3可以得出：坝体渗透量小,心墙渗透坡降小于允许渗透坡降,符合规范要求。但是,坝脚渗透坡降大于允许值,不符合要求,需要加设排水体。排水体采用表面式贴坡排水,排水体尺寸高×宽为39.00m×2.0m。

图4 典型剖面计算简图及滑弧位置

图1 正常蓄水位渗流

图2 设计水位渗流

图3 校核水位渗流

2.2.2 坝体边坡稳定计算

坝体边坡的稳定应根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》的规定进行复核验算,正常运用条件：K=1.35；非正常运用条件I∶K=1.25。水库水位降落期的安全系数计算公式为：

式中，R—圆弧半径;u—孔隙水压力(土条底面)；γw—水的容量；W—条块重量；α—通过条块底面中心点的直线与此条块的重力线之间的夹角;b—条块宽度；Z—条块底面中心与水库存的距离(水库位于条块底面上方)；Q—水平地震惯性力(上负，下正)；c′、φ′—有效强度指标；Mc—力矩(水平向地震惯性力对圆心)；V—垂直地震惯性力(上负，下正)。

坝体稳定计算参数见表5。

表5 坝体稳定计算参数表

坝坡抗滑稳定分析计算结果见表6,典型剖面计算简图及滑弧位置如图4所示。

由表5土坝坝坡稳定分析结果可知：在各组合荷载作用时,土坝稳定性满足规范要求。

3 应力及变形计算

3.1 沉降计算

粘土心墙竣工及最终的沉降量计算：

(3)

表6 土坝坝坡稳定分析结果

坝基最终沉降量计算：

(4)

式中，S∞—最终沉降量(坝基),m；hi—第i层土层厚度,m;n—土层分层数；Ei—第i计算土层变形模量,kN；ei0—第i层的起始孔隙比；Si—沉降量,m;Pi—第i计算土层由坝体荷载产生的竖向应力,kN；eit—孔隙比(第i层相应于竣工时或最终竖向的的有效应力作用下)。

对坝体部分的沉降量计算时,将坝体沿高度分成几个土层,每一土层厚度以不大于1/5～1/10坝高为宜。本设计心墙高度为34.9m,每层厚度均为5.0m。在计算坝基部分的沉降量时,对于均质坝基,坝底宽度的1/4作为每一层厚度的最大值,本设计坝底宽度约190m,每一层厚度约47.5m,但实际坝基最大覆盖层厚度为13.5m,采用实际厚度13.5m为分层厚度。经计算,坝体总沉降量为904.1mm,施工期沉降量为673.5mm,坝基沉降量为165.5mm,则坝体最终沉降量为904.1-673.5+165.5=396.1mm。

3.2 应力计算

根据规范要求,坝体竖向应力为计算点以上土柱重量。通过计算,蓄水期坝体竖向应力最大值为0.334MPa,竣工期应力最大值为0.571MPa,蓄水期坝体竖向应力最大值为2.3MPa,竣工期最大值为0.833MPa。

4 有限元计算及其结果分析

选取剖面0+400.00为典型剖面进行计算,计算采用总应力法,将心墙、坝壳、防渗墙和砂砾地基视为整体结构,分别对坝基、坝体进行应变及应力计算。

单元体内任一点的应变和应力均由三个分量来确定：

(5)

式中，εx—沿x坐标方向的应变；εy—沿x坐标方向的应变；μ—泊松比;γxy—沿y坐标方向的应变;E—弹性模量,MPa。

4.1 计算条件

材料的计算参数见表7。

表7 计算参数表

4.2 位移和应力计算结果

由于受到坝体自重的影响,坝体沿着心墙及防渗墙为分界线,向上、下游产生较大变形,图5和图6分别为坝体竣工期间的竖向、水平位移云图,图7、图8分别为坝体蓄水期间的竖向、水平位移云图。

图5 土坝竖向位移云图

图6 土坝水平位移云图

图7 土坝竖向位移云图

图8 土坝水平位移云图

4.2.1 坝体位移和应力

从以上图中可看出上、下游水平位移最大值为14.0mm、13.0mm。心墙部位产生竖向最大位移,为214.0mm,坝高的0.65%为垂直沉降量。研究坝体应力分布规律,可以得出其应力分布从坝基向坝坡逐渐减小,从心墙向两侧逐渐减小,其等值线与坝坡平行。

竣工期,坝体水平方向大应力为0.875MPa、小应力别0.93MPa。坝体竖直方向应力为0.597MPa。蓄水期,坝体水平方向大、小应力分别为0.633MPa和0.082MPa,竖直方向应力较竣工期小,为0.356MPa。

通过对比发现：坝体竣工期大主应力与垂直应力基本相等,同时也适用于蓄水期坝体盈利变化,并与坝体的上覆自重较为接近。此外,小主应力逐渐成水平方向,这主要是因为坝体结构受力均衡的结果。

4.2.2 粘土心墙位移

粘土心墙竣工期的水平位移较小,最大值为13.0mm。蓄水期,粘土心墙水平位移最大值增至30.0mm,位于心墙顶部,其值在通常范围内是允许的。竣工期心墙垂直位移最大值为312.0mm,蓄水期为218.0mm,均发生在心墙的中上部。粘土心墙水平位移与基础防渗墙水平位移在沿高度方向上能够表现光滑连续,通过这一点可以得出接头部位不会产生剪切破坏和错动。

4.2.3 混凝土防渗墙应力

竣工期和蓄水期混凝土防渗墙竖直方向应力最大值、水平方向应力最大值为0.8MPa、0.6MPa。通过对两种状态下的应力最大值比较分析,蓄水期的心墙各点静水压力小于该处的垂直应力,该位置将不会产生水力劈裂、破坏现象。

坝体工程施工期间,必须对结构的应力应变、较大变形及其位移变化、原型观测及数据等深入分析并及时修正,并根据计算结果和参数调整不断进行校核,以确保成果的准确性和合理性。同时,可以作为工程修正设计和制定工程措施的重要依据,保障工程设计、施工和运行管理的顺利进行。

5 结语

(1)通过对土坝坝体结构设计进行研究,确定了主要建筑物12项设计项目研究内容及其防汛标准,设计了土坝挡水建筑物的设计参数,通过构建正常蓄水位渗流、设计水位渗流和校核水位渗流计算模型,对水位降落期的安全系数计算公式进行了研究,确定并计算了坝体的稳定性计算参数及其施工条件下的安全系数公式,通过各组合荷载相互作用,土坝稳定性满足设计要求。

(2)通过有限元分析,采用总应力法分别对坝基、坝体进行应变及应力计算。坝体的应力分布从坝基开始逐渐向坝坡减小,切等值线与坝坡基本呈平行状态。坝体在竣工期和蓄水期条件下,粘土心墙与混凝土防渗墙结构的应力基本保持一致,垂直应力与水平方向应力基本一致,但是位移出现较大变化,通过位移变化可以反馈确定接头部位的破坏情况。

(3)通过理论计算和有限元计算对土坝坝体的稳定性进行定量计算,两计算结果总体趋势基本保持一致,且计算结果之间的差异较小,可以作为进行工程设计和施工的科学依据,并且可以作为工程修正设计和制定工程措施的重要依据,保障工程设计、施工和运行管理的顺利进行。

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