APP下载

混凝土面板堆石坝坝体设计及位移模拟

2018-09-11常陆军

水利科学与寒区工程 2018年8期
关键词:堆石坝垫层坝体

常陆军

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司,新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

新地沟水库位于新疆天山北坡中部,主要以保证灌区的灌溉、防洪及工业供水为主。该水库坝址位于新地乡新地沟河近出山口处,为一座拦河式山区水库,属Ⅳ等小(1)型水库工程。工程由大坝、导流放水冲砂隧洞、溢洪道等组成,总库容500万m3,水库设计洪水标准50 a一遇。经实地考察,该水库大坝可采用三种基本坝型:黏土心墙坝、沥青心墙坝、混凝土面板堆石坝[1]。从天然建筑材料储量、地质地形条件比较,三者均无制约因素,在此从大坝抗震及安全性、施工条件、工程投资等方面进行比较论证[2],确定本工程采用混凝土面板堆石坝坝型,见表1。

表1 三种坝型对比

2 坝址区地质条件

新地沟水库位于新地沟近出山口处,河谷为不对称“U”形,谷底宽度为60~150 m,两岸海拔高程为1786~2000 m,相对高差约210 m,属中山区,并随河流方向呈南高北低,纵坡为6%。库区出露的地层主要为石炭系(C3bgb-2)和第四系松散堆积物。

2.1 石炭系(C3bgb-2)结构

石炭系主要分布在新地沟沟口以南地区,为一套浅海相碎屑岩和碳酸盐岩,岩性为灰、灰黑、灰绿色薄-中厚层状砂岩、灰岩、生物灰岩、砂质灰岩、钙质砂岩、粉砂岩、砂砾岩夹凝灰质粉砂岩,总厚度约350 m。

2.2 第四系松散堆积物结构

第四系松散堆积物包括洪积层、堆积层、冲积层。根据地质报告,堆积层孔隙潜水埋深为0.5~1.5 m,局部产生地下水溢出形成泉水,其他岩层透水率均小于1 Lu,属微透水,因此,水库蓄水不会产生邻谷渗漏问题。

3 混凝土面板堆石坝坝体设计

3.1 坝坡设计

(1)坝体上游坝坡设计为1∶1.60,钢筋混凝土面板防渗,混凝土板底部设10 cm厚M10砂浆垫层;下游坝坡设计为1∶1.55,设计预制混凝土网格护坡,内填干砌石,设两级台阶。其中面板厚度d计算见式(1)[3],经计算得出d的范围在0.35~0.45 m之间。

d=0.3+0.003H

(1)

式中:H为坝体最大水头,m。

为提高混凝土面板堆石坝抗震性及安全性,本项目混凝土面板配置单层双向钢筋,起限裂、控制温度裂缝作用,含钢筋率为每向0.4%。为适应坝体变化,对两岸坝肩附近面板设张性垂直缝,间距6.0 m;坝体上压性垂直缝间距为12.0 m,垂直缝和周边接缝均设计两道止水[4]。

(2)坝顶设1.2 m高钢筋混凝土防浪墙,坝顶高程1751.80 m,最大坝高65.98 m,坝顶长470.0 m,坝顶宽6.0 m,设2%坡倾向下游,铺设10 cm厚沥青路面。

3.2 坝体分区

根据混凝土面板堆石坝分区原则,坝体分区自上游起依次为垫层料、过渡料、主堆石料、次堆石料、弃料堆石区。

(1)垫层料区:位于混凝土面板下部,起着支撑面板、均匀传递水压力、防止面板和伸缩缝破坏的作用[5]。本项目要求垫层料自身渗透稳定,不会产生渗透变形破坏,确定水平宽度均为3.0 m。垫层料沿两岸基岩接触面向下游适当扩大,延长长度为8 m,dmax=80 mm,小于5 mm含量为30%~50%,小于0.075 mm含量不大于8%,渗透系数控制在10-3~10-4cm/s,设计相对紧密度dr≥0.85。

(2)过渡料区:位于垫层区下部,起着均匀传递水压力、对垫层起反滤保护作用。并防止垫层区中的细料被冲蚀带走而引起沉陷变形,水平宽度为4.0 m。要求dmax<150 mm,级配连续,设计相对紧密度dr≥0.85。

(3)主堆石料区:砂砾料区位于过渡料区下游,为坝体的主要承力区,坝体填筑控制指标砂砾料相对密度为dr≥0.85。

3.3 坝基处理

河床段及左岸阶地坝基设计采用混凝土防渗墙,深入基岩面1 m以上,设计墙厚60 cm;基岩面深度1 m以下采用帷幕灌浆防渗,布置一排灌浆孔,孔距2.0 m,控制灌浆深度至基岩面以下5 Lu 线位置[6],本工程帷幕灌浆最大处理深度25 m(坝体断面见图1)。

图1 坝体断面结构示意图

4 位移模拟分析

坝体设计完成后,利用ANSYS有限元软件对坝体各时期的位移进行模拟,以保证坝体的安全性及稳定性,也验证设计是否科学合理。

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 模拟参数选取

为方便计算,将坝体化为平面应变体系,顺水方向为X轴,底部边界为固定约束。静力计算分两个工况:竣工期、稳定蓄水期。坝体各分区力学参数见表2。

表2 各分区力学参数选取

4.1.2 建立模型

模型遵循“库伦-摩尔”准则,面板采用线性本构模型。模型构建采用8节点四边形单元,共有结点19 595个,块体个数6420,具体模型见图2。

图2 有限元模拟模型

4.2 位移量模拟分析

4.2.1 竣工期坝体位移量分析

由图3可知,大坝竣工后竖直方向沉降量最大约为65.91 mm;水平方向位移量最大为10.77 mm,均符合相关规范要求。坝体建成后通过实地观测,其竖直沉降量最大为67.10 mm,水平位移量最大值11.21 mm,均和模拟值相差无几,说明了模拟的准确性。

图3 竣工期竖直(左)和水平方向(右)位移量

4.2.2 正常蓄水期坝体位移量分析

在蓄水期(见图4),坝体竖直方向最大沉降量为80.48 mm,比竣工期增加了14.57 mm,位于大坝顶部;水平方向位移量最大为10.27 mm,相比于竣工期向上游方向移动了0.94 mm,说明在静水压力作用下,对坝体上游水平位移影响较大,但位移量均符合相关要求。

图4 蓄水期竖直(左)和水平方向(右)位移量

5 结 语

新地沟水库坝体工程是重要项目,参照其他工程设计的混凝土面板堆石坝各项参数,经模拟完全符合各项要求,并符合因地制宜原则。新地沟水库工程建成使用后,各项指标均达到设计要求,运行状况良好,取得了较好的社会经济效益,较好地解决了当地灌溉和防洪问题。

猜你喜欢

堆石坝垫层坝体
土石坝坝体失稳破坏降水阈值的确定方法
基于泡沫混凝土在地面轻质垫层中的具体应用研究
高面板堆石坝变形控制技术分析
周宁县滴水岩水库大坝坝体防渗加固处理
水利工程面板堆石坝填筑施工质量控制
垫层对水泥土搅拌桩桩土应力比影响的有限元分析
换填垫层底面处土的自重应力的计算方法探讨
水库砌石拱坝安全复核及坝体补强加固防渗处理
超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题分析
湖北某混凝土面板堆石坝导流洞水力计算