帮东河水库大坝工程技术方案比选

梁 坚

(云南省昆明市水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650231)

1 概述

1.1 工程概况

拟建帮东河水库位于云南省临沧市镇康县忙丙乡麦地河上，建设目的是解决当地农业灌溉用水及集镇和农村生活用水。水库总库容1396×104m3，为Ⅲ等中型水库，其中挡水大坝坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高超过70m，按2级建筑物设计。坝顶高程1631.60m，坝顶宽10m，坝顶长279m，最大坝高87.2m。上游坝坡坡比为1∶1.4，防渗面板为C25钢筋混凝土，厚度为0.35～0.63m，面板垂直分缝宽度为9m，趾板厚度70cm，宽度8m；下游坝坡分3级，坡比均为1∶1.4。

坝体筑料自上游至下游分为四区：垫层区(2A区)水平宽度3.0m；趾板与面板交接部设置特殊垫层区即2B区；过渡层区(3A区)水平宽度4.0m；主堆石区(3B区)；下游堆石区(3C区)位于坝体下游侧，其中3C区是否设置取决于右岸坝基坍滑堆积体开挖料能否利用。

工程区地震动峰值加速度为0.2g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期为0.45s，工程按Ⅷ度设防。

1.2 坝基地质条件及大坝建基面

坝址区分布地层地表主要为第四系全新统冲洪积层和残坡积层、坍滑堆积体，下伏基岩为泥盆系下统王家村组和沙坝脚组。河床第四系全新统冲洪积层砂卵砾石夹漂石，厚度3.0～9.70m，粒径0.2～60mm，夹粒径100～200cm的漂石。岸坡第四系全新统残坡积层岩性主要为粉质土砾，主要分布于左岸坡，厚度2.0～7.0m。坍滑堆积体分布于右岸，岩性主要为含砾粉质粘土，夹粉质土砾、块石、滚石，岩性成分较杂乱，最大厚度约25.0m，总方量约25×104m3。经分析计算，坍滑堆积体现状抗滑稳定安全系数小于1.0，处于不稳定状态，之所以未发生滑动，是因坡脚分布的岩体形成阻滑体，阻止了上部松散堆积体滑动。坝基基岩为灰黑、灰白色粉砂质泥岩、砂岩，呈互层状分布，以粉砂质泥岩为主。左岸强风化带埋深为3.0～7.0m，厚度5.0～30.7m，弱风化带埋深12.0～33.70m，最大揭露厚度为78.15m，未揭穿；河床段强风化带埋深为3.0～9.70m，厚度0～8.6m，弱风化带埋深4.6～11.8m，最大揭露厚度为49.4m，未揭穿；右岸强风化带埋深为0.0～30.0m，厚度10.0～20.0m，弱风化带埋深14.0～40.0m，最大揭露厚度为112.7m，未揭穿。趾板及下游0.4倍坝高范围建基面为强～弱风化岩体，为提高岩体的完整性，对趾板基础强风化岩体采取固结灌浆处理。其他部位坝基为强风化上部岩体。

1.3 筑坝材料

表1 南水模型参数

表2 动力计算参数

1.4 大坝填筑与施工

大坝分四期填筑，第一期为度汛坝体，上游抬头坝顶高程1592.00m，下游高程1557.00，填筑时间为第三年1月至4月，历时4个月；第二期上游高程1592.00，下游高程1580.00m，填筑时间为第三年5月至10月，历时6个月；第三期填筑至高程1615.00m，填筑时间为第三年11月至第四年4月，历时6个月；第四期填筑至坝顶高程，填筑时间为第四年5月至10月，历时6个月。总填筑时间22个月。

面板浇筑时间3个月，蓄水至正常蓄水位1628.05m时间3个月。

2 大坝有限元静动力分析

计算采用的软件为三维有限元静动力通用程序TOSSD3。为寻求最优的大坝设计方案，对如下三种方案进行比较分析：

方案1：右岸坍滑堆积体全部清除，开挖渣料不作为坝料利用。

方案2：坍滑堆积体全部清除，开挖渣料部分利用作为坝体3C区的填筑料。

方案3：对右岸坍滑堆积体只清除表层约2m。

通过对上述三种方案进行比较，分析其对坝体应力变形尤其是面板应力变形特性以及周边缝和垂直缝变形的影响。

2.1 计算参数

2.1.1 混凝土面板

防渗面板为C25混凝土，按线弹性模型考虑。根据SL5057- 2009《混凝土结构设计规范》，其弹性模量、泊松比和密度分别为E=28.0GPa，μ=0.167，ρ=2.45g/cm3。轴心抗压、抗拉强度设计值分别为11.9MPa、-1.27MPa。

2.1.2 筑坝坝料和坍滑堆积体

静力本构模型计算参数均通过静力三轴CD试验确定。对动力本构模型计算参数，主堆石料3B和右岸坍滑堆积体通过动力三轴试验确定，其它材料的参数则通过类比确定。计算采用的参数见表1～2。

2.2 静动力及坝坡稳定分析

根据大坝静动力及坝坡稳定计算结果分析如下：

(1)方案1竣工期、蓄水期及蓄水期遇8°地震，坝体及面板应力应变不大，周边缝和垂直缝的变形较小，坝坡抗滑稳定满足要求，为最佳方案。

(2)方案2存在的问题：①蓄水期发生地震的情况下下游坝坡抗滑稳定安全系数小于规范要求，存在失稳破坏的可能性；②3C区料渗透系数在10-6cm/s数量级，施工期产生的超静孔压较小，在运行期产生的主固结变形也较小，但在运行期会产生一定的次固结变形(流变变形)，从而影响防渗体系的安全；③在3B主堆石料与3C次堆石料的接触部位出现了明显的拱效应，在运行过程中，随拱效应的逐渐释放，将会产生较大的流变变形。

(3)方案3存在的问题：①竣工期和蓄水期坝体最大沉降分别为119.7cm和121.82cm，为大坝高度+覆盖层的1.41%，变形过大；②坍滑堆积体渗透系数在10-4～10-5cm/s数量级，虽然在施工期其主固结变形已基本完成，但在运行期同样会产生一定的次固结变形(流变变形)，从而也影响防渗体系的安全；③震后面板局部部位拉应力大于C25混凝土的抗拉强度，存在拉裂破坏的可能性。

经综合分析，为确保大坝安全，推荐采用方案1，即将右岸坍滑堆积体全部开挖清除，且开挖料不作为坝料利用。

3 结语

帮东河水库大坝为高烈度地震区的高坝，地质条件复杂，为确定大坝基础处理方案和大坝分区设计，采用三维有限元方法分析了竣工期、蓄水期和地震荷载作用下坝体和面板的应力变形特性，获得了与实际情况较为切近的结论，值得类似工程借鉴。