300m級高土石壩心墻直—斜軸線布置型式選擇中的滲流和靜動力計算分析

田景元,姜媛媛

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

1 研究背景

擬建的某心墻堆石壩高 310m,屬于超高壩,工程規(guī)模超過了國內(nèi)已建和在建的同類型大壩。對大壩的設(shè)計力求建筑技術(shù)可行、長期運行安全可靠、投資最省,因此,大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的每一個方案或細節(jié),都需仔細推敲。土石壩心墻軸線布置有直、斜兩種常用型式,亦即土石壩心墻型式有直心墻和斜心墻兩種型式。因此該心墻堆石壩設(shè)計面臨著這兩種心墻型式的選擇。

據(jù)不完全統(tǒng)計[1],世界上已建和在建的壩高在230m以上的當?shù)夭牧蠅喂灿?12座。12座壩主要采用土心墻堆石壩壩型,防滲體布置一般采用土質(zhì)斜心墻和土質(zhì)直心墻兩種型式。塔吉克斯坦已建成的 300m高的努列克壩、中國在建的 263m高的糯扎渡大壩及墨西哥已建成的 261m高的奇科森大壩均采用直心墻型式;而塔吉克斯坦的 335m高的羅貢(停建)、哥斯達黎加建成的 267m高的博魯卡、印度在建的 260m高的特里、哥倫比亞建成的 247m高的瓜維奧、加拿大建成的 242m高的買加、哥倫比亞建成的 237m高的契伏、美國建成的 230m高的奧羅維爾等壩采用斜心墻型式。

防滲心墻在靜力情況下的應(yīng)力、變形特性和抗水力劈裂性能一直是土石壩工程設(shè)計中受到重點關(guān)注的關(guān)鍵問題之一。一般情況下,與直心墻相比,斜心墻應(yīng)力拱效應(yīng)較小,抗水力劈裂性能較優(yōu),但抗震性能及施工方便性較差些。兩種心墻型式各有優(yōu)缺點。但由于各個大壩工程,其壩料特性、壩區(qū)地形地質(zhì)條件、地震烈度各不相同,因此對于某一具體工程有必要通過滲流和靜、動力計算分析,綜合其它如壩基處理、樞紐布置條件、投資等工程因素,進行心墻方案的選定。

被研究的兩個方案的礫石土心墻堆石壩的順河向剖面見圖1。壩頂高程 2510m,初擬壩頂寬度16.00m,上、下游壩坡坡度分別為 1∶2.0和 1∶1.9?；讕r石為黑云母鉀長花崗巖γ2K5,河床沖積覆蓋層最大厚度約 60m,從下至上總體可分為 3層,第①、③層為漂卵礫石,第 ②層為(砂)卵礫石層。河床部位心墻底部覆蓋層全部挖除,基底設(shè) 6m厚混凝土基座,基座內(nèi)設(shè)置用于基巖帷幕灌漿的廊道。在心墻后的壩基與過渡料和堆石料之間設(shè)置一層2m厚的下游反濾排水層。

壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度;設(shè)防烈度為Ⅷ度,對應(yīng) 100年超越概率 2%的基巖地震動峰值加速度為 205gal。計算采用平面有限元。

圖1 直、斜心墻兩方案的大壩順河向剖面

2 滲流分析

二維模型邊界條件的上游水位取正常蓄水位2500.00m,下游水位取相應(yīng)最低水位 2251.21m。計算所用的滲透參數(shù)根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的建議值擬定(見表1)。對直心墻方案和斜心墻方案進行了壩體壩基滲流特性對比分析,各部位最大坡降及總滲漏量對比見表2。表2表明,兩方案壩體和壩基各區(qū)域水力坡降均未超過允許滲透坡降,壩體及壩基在滲透作用下是穩(wěn)定的。斜心墻方案壩體坡降較直心墻坡降有明顯增大(見圖2),且其單寬總滲流量也約大 10%。從滲流的角度看,兩方案都是可行的,而直心墻方案略優(yōu)。

3 靜力分析

壩體和覆蓋層靜力計算采用了鄧肯張 E-μ模型,計算參數(shù)見表3。

計算時認為心墻不透水,水壓面力施加在心墻上游側(cè)邊界。蓄水過程分為 5級,其中,大壩填筑到2458m時,蓄水至 2420m;大壩填筑全部完成后,蓄水至正常水位 2500m。

最后一級蓄水引起直心墻壩頂水平位移1.21m,斜心墻為 0.99m。兩者之所以有這種量上的差別,是因為斜心墻所受的水壓面力的水平分量略小。由于二維計算無法考慮壩肩的約束作用,實際的水平位移應(yīng)比計算值小。

表1 計算采用的材料參數(shù)

表2 壩體各部位最大滲透坡降對比

圖2 直心墻與斜心墻壩體坡降分布對比

表3 靜力應(yīng)力、應(yīng)變非線性 E-μ模型計算參數(shù)

兩者竣工期和正常蓄水期的累計沉降值較為接近。直心墻蓄水至正常蓄水位時累計沉降最大值為2.91m,發(fā)生在上游堆石中高程與過渡層交界處。由于該處浸水后有效圍壓相對較小,彈性模量隨之相對較小,在上部后期填筑過程中產(chǎn)生較大沉降。斜心墻蓄水至正常蓄水位時累計沉降最大值為2.61m,發(fā)生在下游堆石中高程與過渡層交界處。由于斜心墻壩浸水區(qū)域相對小些,壩體整體上彈性模量稍大,故最大沉降稍小。

從竣工時σ3的等值線(見圖3)可以看出,直心墻在約2420m高程處有微弱的應(yīng)力拱效應(yīng)。該處σ3小于最后一級蓄水后的水壓力 Pw,但水力劈裂判斷一般通過σ2與Pw相比較,在此高程處σ2＞Pw并有相當余度,可見水力劈裂的可能性很小。斜心墻內(nèi)則基本上無應(yīng)力拱效應(yīng)和水力劈裂的可能性。心墻摻礫料的彈性模量相對較大,是應(yīng)力拱效應(yīng)微弱的主要原因。

從靜力分析結(jié)果看,兩方案都是可行的,而斜心墻方案略優(yōu)。

4 動力分析

輸入的地震動時程見圖4。

土體的動本構(gòu)采用 Hardin粘彈性模型,最大動剪切模量 Gmax按下式計算:

圖3 直心墻壩竣工時的σ3(MPa)

式中 Pa——標準大氣壓;

P——靜平均靜圍壓。

動力基本參數(shù)見表4,其中主堆石、過渡料、覆蓋層③為本工程的試驗參數(shù),其它參數(shù)為擬定參數(shù)。

表4 動力計算基本參數(shù)

計算永久位移時,先利用計算出的動應(yīng)力結(jié)合循環(huán)三軸試驗確定的動應(yīng)力與殘余應(yīng)變的關(guān)系求解出單元永久變形,然后將永久變形轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點力,最后求出永久位移。

殘余體應(yīng)變ευr與動剪應(yīng)力 τav的關(guān)系為ευr=Kv(τav/σ0)nv,ευr采用 %的形式。

殘余剪應(yīng)變γr與殘余軸應(yīng)變εd之間的關(guān)系為γr=(1+μ)εd,μ為動泊松比。

而殘余軸應(yīng)變 εd與 τav的關(guān)系為εd=Ka(τav/σ0)na,εd亦采用 %的形式。

但 K(Kv或 Ka)和 n(nv或 na)與σ′3和振次 N有關(guān),可表示為:

上兩式中σ3單位取 kPa。

各材料的ευr、εd所對應(yīng)的 K0、K1、K2和 n0、n1、n2見表5,主堆石、反濾料、過渡料、覆蓋層 ③為本工程試驗參數(shù),其它參數(shù)為擬定參數(shù)。

圖4 輸入的水平和豎向地震動

圖5 各滑弧位置

滑弧穩(wěn)定計算亦采用有限元法,抗剪強度采用非線性指標。

各材料的 c、φ值與靜力的相同。為保守起見,對于處于飽水狀態(tài)的透水土體,抗剪強度指標 c、φ折減系數(shù)取為 90%。

指定滑弧的位置見圖5,各滑弧在直心墻和斜心墻的位置相同。

用加速度放大系數(shù)α1可定性評價壩坡表面散粒體沿表層滑動或滾動的可能性[2],α1為加速度反應(yīng)值與輸入水平地震動的峰值之比的最大值。散粒處由于其臨空周邊廣,地震慣性力在散粒所受的力中占主導,散粒處的 α1越大,其所受的地震慣性越大,滾動或滑動的可能性越大。

表5 各材料永久變形參數(shù)

砌塊逸出安全系數(shù) Ks反映了標準砌塊沿壩坡法向逸出的危險程度,它綜合考慮了水平向和豎向反應(yīng)加速度 αx、αr及坡角 θ對壩坡表面散粒體穩(wěn)定的影響,可定量評價壩坡表面散粒體的穩(wěn)定。

由于斜心墻壩浸水區(qū)域相對小些,壩體整體上動彈性模量稍大,水平加速度放大系數(shù)σx較直心墻壩的略大,壩頂為 2.85(此處最大水平加速度反應(yīng)值為 0.584g),而直心墻壩為 2.78。壩頂?shù)?αx最大,另上游壩坡中等高程表面的 αx也較大。但由于輸入地震加速度峰值僅 0.205g,所以反應(yīng)的加速度并不十分強烈,相應(yīng)地,壩坡各點的砌塊逸出安全系數(shù)Ks一般在1.60左右。上游壩坡中等高程表面的 Ks最小,直心墻的為 1.438,斜心墻的為 1.45,兩方案 Ks沒有顯著的差別。

直心墻壩頂永久沉降最大,為 1.80,上游堆石永久沉降大于下游;水平永久位移最大值為0.71,位于下游壩坡表面 2480m高程。直心墻壩震后永久位移比斜心墻稍大。

各滑弧的穩(wěn)定系數(shù) Fs在動力情況下都大于1.0(見表6)。斜心墻壩上游靠壩頂?shù)幕?4)的 Fs最小,為 1.04;直心墻滑弧 4)的 Fs=1.15。兩者的差別主要是由正常蓄水期靜力的 Fs底數(shù)造成的,其分別為 1.96和 1.80。心墻摻合料的 φ值較低,為35°。滑弧 9)穿過斜心墻的長度雖然較大,但由于蓄水后水壓面力(若考慮流固耦合時則為滲透力)是基本垂直滑動方向的,因此其 Fs較大,正常蓄水期為 3.32,地震時為 2.22。

綜上所述,在地震情況下,斜心墻壩加速度放大系數(shù)比直心墻壩略大,但砌塊、滑弧穩(wěn)定系數(shù)與直心墻壩相當,永久變形比直心墻壩略小,綜合來看,抗震性能兩種壩型相當。壩頂反應(yīng)相對強烈,可在靠近壩頂部位內(nèi)用土工格柵加固土體,提高其 c、φ強度指標值,也就提高了滑弧安全系數(shù)。在圍堰高程以上采用大塊石或砌塊護坡,因砌塊本身的穩(wěn)定性較好。另心墻壩頂永久沉降最大達 1.80m,只需預留相應(yīng)超高即可。

由于壩址區(qū)的地震烈度并不高,動力反應(yīng)都不很強烈,因此大壩抗震性能不是制約心墻型式選擇的主要因素。

表6 直、斜心墻壩各滑弧的穩(wěn)定系數(shù) Fs

5 心墻布置形式選擇

兩個壩體結(jié)構(gòu)布置方案在地形地質(zhì)條件的適宜性、樞紐建筑物布置條件、施工特性和施工條件等方面基本沒有大的差異,均有在同規(guī)模的大壩中采用的設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗。通過滲流、壩體壩基的靜力與動力計算(包括壩坡穩(wěn)定)的分析表明,兩個方案均成立,其量值均符合心墻堆石壩的一般規(guī)律和變化范圍。防滲心墻仍有較大的安全余度,不會發(fā)生水力劈裂破壞。斜心墻抗水力劈裂能力略好,而滲透坡降、滲流量略高,抗震性能兩種壩型相當。兩方案的選擇,還得從投資上進行比較。

從圖1可見,斜心墻方案的心墻基底混凝土基座在順河向上略長,于是基礎(chǔ)開挖和處理范圍、壩體填筑工程量等略大,導致兩個方案的投資略有差異,直心墻方案較斜心墻方案投資約低 5%。

綜上比較,各方案總體差異不大,直心墻方案略優(yōu),故推薦采用土質(zhì)直心墻堆石壩方案。

6 結(jié)束語

對于壩高超過 300m的超高土石壩,大壩的質(zhì)量和安全相當重要。本文所研究的大壩的滲控措施要求嚴格,壩軸線防滲帷幕覆蓋了滲透系數(shù)大于1Lu的基巖。為了改變黏土心墻料偏軟易導致心墻產(chǎn)生較大變形甚至開裂的情況,對心墻料采取了摻礫措施,以增大其變形模量。另為了提高大壩的抗震性能,對壩頂采取了用土工格柵加固土體和預留超高等措施。有限元計算為這些措施的采取及復核提供了依據(jù)。

通過有限元計算,論證了兩心墻壩型方案都是可行的。直心墻壩型的選定對工程投資的影響相對工程總投資(200億以上)雖然不大,但絕對數(shù)字并不小,因此選定直心墻方案,可為國家節(jié)省大量建設(shè)資金。我國今后還有多個高度超過 300m的超高土石壩待修建,每個大壩所處的工程條件都不完全一樣,應(yīng)對心墻型式的選擇進行包括滲流和靜、動力計算在內(nèi)的全面分析,以達到“技術(shù)可行、投資最省”的目的。

[1]陳宗梁.世界超級高壩[M].北京:中國電力出版社,1998:1-3.

[2]田景元,張志偉.大崗山面板堆石壩加速度放大系數(shù)對材料動參數(shù)和輸入地震動的敏感性分析[J].水電站設(shè)計,2006,22(4):20-22.