膠凝砂礫石壩的設計準則（可編輯）

1、膠凝砂礫石壩的設計準則 膠凝砂礫石壩的設計 準則 中國大壩協(xié)會秘書處 鄭璀瑩 、賈金生 、 楊 會臣 、馬鋒玲、徐 耀、馮 煒1 概述 膠凝砂礫石筑壩技術是 國際上近年發(fā)展起來的 新型筑壩技術,其特點 是采用 膠凝材料和砂礫石材料( 包括砂、石、礫石等) 拌合筑壩,使用高效率 的土石方運輸機械和壓實機械施工, 具有安全可靠、經濟性 好、施工工藝簡單、速 度快、環(huán)境友好 等 優(yōu) 點 : (1 )膠凝砂礫石具有一定的抗沖刷能力,壩頂過水也不至于潰壩; (2 )可以充分利用當?shù)刂?材料,減少棄料,水泥 摻量少,不僅節(jié)約成本 ,而且大幅減少大壩施工對環(huán)境的影響; (3) 對施工工藝要求較低 , 大幅

2、度簡化流程, 縮短工期。近年在日本、土耳其、 希臘、法國、菲律賓等 國家的永久工程得到應 用。 我國對該壩技術的研究始于上世紀 90 年代, 通過對筑壩材料特性、 大壩受力特性、 防滲體系、施工工藝等的系列研究,2004 年建成了第一座膠凝砂礫石壩圍堰,即壩高 16.3m 的福建尤溪街面水電站下 游圍堰。之后,膠凝砂 礫石筑壩技術在福建洪 口、云南功果橋、貴州沙沱、四川飛 仙關等圍堰工程中得到 陸續(xù)應用。由于缺少該 壩型設計的行業(yè)技術標準,近年多座 中小型水庫大壩將膠凝 砂礫石壩作為備選壩型 之一,但尚沒有建成永久工程。 根據(jù)國內外工程實踐, 目 前,膠凝砂礫石圍堰 工程和大壩工程的設計 通常

3、采 用經驗設計,多參照混凝 土重力壩的設計方法和 控制指標體系。 基 于 國 際 已 建 膠 凝 砂礫石壩工程的經驗,通 過對材料性能、壩體結 構受力特性和施工工法 的研究,我國自 2004 年來陸續(xù)建成了福建街面、 福建洪口、 云南功果橋、 貴州沙陀、 四川飛仙關等膠凝砂礫石圍堰工程 ,取得了一定的技術進 展,但與國際當前研究 發(fā)展水平對比來看 還有一定的差距, 對于膠凝砂礫石壩 作為 永久工程的建設, 尤其需要行業(yè)標準,明確膠凝砂礫石壩的設 計方法,并建立控制指 標體系。本調研基于 膠 凝 砂 礫 石 壩 技術導則編制工作開展, 旨在對國 際 已 建 工 程 和 國 內 擬 建 工 程 的

4、 設 計 準 則 和 研 究 進 展進行調研。 405本次調研通過搜集、整 理國內外學術期刊、國 際會議論文集和相關研 究報告 、碩 士和 博 士 論 文 中 有 關 膠 凝 砂 礫 石 筑 壩 技 術 的 相 關 內 容 , 對 膠 凝 砂 礫 石 壩 設 計 準 則及結構設計 等 方 面 進 行 歸 納 、 總 結 、 提 煉 , 以 期 為 國 內 專 家 了 解 該 新 壩 型設計 技術進展 ,以及為后續(xù)研究工作提供參考。 2 膠 凝 砂礫 石壩 斷面 設計 2.1. 允許應力和材料設計 強度 根據(jù)材料試驗,膠凝砂 礫石是一種彈塑性材料 ,性能與碾壓混凝土類 似,但 是強度、彈性模量等

5、性能 指標相對較低。由于膠 凝材料的膠結作用, 膠 凝 砂 礫 石 材料通常按照 膠 結 體 來 考 慮 , 壩 體 中 膠 凝 砂 礫 石 的 允 許 應 力 不 超 過 膠 凝 砂 礫 石 的 材料強度。 根據(jù)日本膠凝砂礫石壩技術導則 和 tobetsu 大壩的設計, 膠凝砂礫石設計強度采用 600mm 的圓柱體試件 90 天齡期的彈性極限強度, 要求設計和校核工況 (不?300含地震情況) 壩體最大主應力不超過 膠凝砂礫石 材料的設計強度。tobetsu 膠凝砂礫石壩 的設計強度為 2.5mpa (90d) , 根據(jù)已開 展的膠凝砂礫石材料 試驗數(shù)據(jù) 和經驗值推導, 該強度 相當于 15

6、0mm 立方體試件 90d 的抗壓強度 6.2mpa 。 世界已建最高的膠 凝砂礫石壩為土耳其的 cindere 壩,最大壩高 107m 。該壩的設計強度為 6mpa (180d ) 。 該壩滿足應力、 穩(wěn)定條件的最優(yōu)斷面為上游 1:0.4 、 下游1:0.8 的斷面, 為了增加安全余度, 最終采用上下游坡比均為 1:0.7 的對稱斷面, 根據(jù)應 力 計 算 分析 結 果 ,正常 運 行 情 況下 , 最 大壓應 力 發(fā) 生 在壩 踵 部 位,為 1.31mpa ;設 計 洪 水 情況 下 , 最大壓 應 力 發(fā) 生在 壩 踵 部位, 為 1.44mpa ; 正常 運行 遭 遇 設 計 地震

7、工 況 下 ,壩 踵 最 大壓應 力 為 1.97mpa 。根 據(jù)推 算 , 該 工程 采用的膠凝 砂 礫 石 材 料的抗壓安全系數(shù) 與我國混凝土重力壩壩體混凝土抗壓 安全系數(shù)取值接近。 膠凝砂礫石 強度較低, 根據(jù)當前我國膠凝砂礫 石筑壩關鍵技術研究和 實踐, 采用的設計強度為 150mm 立方體試件 180d 的極限抗壓強度。 按正常工作狀態(tài)下內部膠凝砂礫石不產生拉應 力來設計,即內部膠凝 砂礫石一直處于受壓工 作狀態(tài)。 參照碾壓混凝土壩設計相關 規(guī)定, 膠 凝 砂 礫 石 的 允 許 壓 應 力 按 膠 凝 砂 礫 石 的 極 限 強 度 除以抗壓安全系數(shù)確定。 膠凝砂礫石的抗壓安全系數(shù)

8、是膠凝砂礫石壩設計的重要指標。 406材料的抗壓強度安全系 數(shù),需要根據(jù)大量的工 程實例進行統(tǒng)計。當前 ,膠凝 砂礫石筑壩技術應用正處 在初級階段,國內尚無 膠凝砂礫石壩的實際 工 程 資 料 可 供 參考。 為了便于應用,當 前可根據(jù)試驗室數(shù)據(jù), 按照保證足夠安全余度 的原則,通過比較分析, 參 照 混 凝 土 的 抗 壓 強 度 安 全 系 數(shù) 選 取 。 我 國 混 凝 土 重 力 壩 設計 規(guī)范(sl319-2005) 規(guī)定的 壩體混凝土抗壓安全系數(shù), 基本組合不小于 4.0, 特殊組合 (不含地震情況)不小于 3.5。參照壩體原型混凝土強度與室內試件混凝土強度的關系 : rf cc

9、c c c c c 1 2 3 4 5r 為壩體原型混凝土抗壓強度; cf 為室內 150mm 立方 體試件 90d 保證率 80% 條件下的抗壓強度;cc 為試件形狀系數(shù),即 長直強度與立方體強度之 比; 1c 為尺寸系數(shù),即大試 件與 150mm 立方體小 試件強度比值; 2c 為濕篩系數(shù); 3c 為實際使用齡期與 90d 齡期抗壓強度比值; 4c 為時間效應系數(shù)。 5可根據(jù)室內試驗膠凝砂礫石的抗壓強度,來 推 導壩體 膠凝砂礫石原型抗壓強度。根據(jù) 上式及室內試驗數(shù) 據(jù) , 在保證壩體材料原 型抗壓強度具有相同的 安全度的情況下, 當膠凝砂礫石壩材料抗壓安全系數(shù)取基本組合為 3.7, 特殊

10、組合 (不含地震情況)為 3.2 時, 與重力壩壩體混凝土安全系數(shù)相當。 考慮到膠凝砂礫石壩可供借鑒的實際工程經驗不足, 目前參照混凝土 的相關取值, 即抗壓安全系數(shù)在基本組 合不小于 4.0,特殊組合 (不含地震情況) 不小于 3.5, 以保證膠凝砂礫石壩材料強度安全儲備高于混凝土重力壩。 將日本膠凝砂礫石壩技術導則規(guī)定的 ?300600mm 的圓柱體試件 90 天齡 期的彈性極限強度按照上式進行換算, 相當于采用 150mm 立方體試件 180 天齡期的極限抗壓強度 為 設 計 強 度 時 , 材料抗壓安全系數(shù)在 設計和校核工況(不含 地震情況)時為 3.7 。 我國 當前研究建議的 膠凝

11、砂礫石壩材料抗壓安全系數(shù)取值與日本標準 、 土耳其 cinder 壩采用的標準 基本一致。 擬建的我國第一座膠凝 砂礫石壩工 程 ? 山 西 守 口 堡 水 庫 膠 凝 砂 礫 石 壩 , 采 用上下游等坡比的梯形斷面,上下游坡比為 1:0.6 。采用材料力學法和有限元法進行應力計算,總體上來看, 膠凝砂礫石壩應力水平 較低。由于有限元法存 在角緣處應力407集中,采用材料力學和等效有限元應力結果,則 5mpa 設計強度可 滿足要求。該工程設計強度采用 6mpa (180d) ,壩體內部膠凝砂礫石的允許壓應力在基本組合時為1.5mpa ,特殊組合(不含地震情況)時為 1.7mpa 。 表 2-

12、1 守 口堡 膠凝砂 礫石 壩設 計強度 計算 計算方法 膠凝砂礫石最大壓應力(mpa ) 設計強度要求 (mpa ) 基本組合 1.09 4.36 材料力學法 特殊組合 1.16 4.06 基本組合 1.62 6.48 有限元方法 特殊組合 1.74 6.09 基本組合 0.86 3.44 有限元等效應力 特殊組合 0.89 3.12 根據(jù)調研資料,整理了部分膠凝砂礫石工程的膠凝砂礫石 設計強度如表 2-2。 表 2-2 部 分膠 凝砂礫 石圍 堰和 大壩工 程的 設計強 度 設計強度工程名稱 國家 壩高(m ) (mpa ) 沙沱水電站二期下游圍堰 中國 14 4(28d ) 飛仙關水電站

13、一期縱向圍堰 中國 12 4(28d ) cindere 大壩 土耳其 107 6(180d ) 守口堡水庫大壩* 中國 60.4 6(180d ) tobetsu 大壩* 日本 52 2.5(90d ) ano mera 大壩 希臘 32 5(90d ) marathia 大壩 希臘 28 5(90d ) 多米尼moncion 反調節(jié)壩 28 9(90d ) 加 * 守口堡水庫大壩:擬建,計劃 2013 年正式開工。 *設計強度采用 300mm 600mm 的圓柱體 試件 90 天齡期的彈性極限強度。 2.2. 斷面設計 膠凝砂礫石是具有一定強度的干硬凝聚體, 和碾壓混凝土類似, 是彈塑性材

14、料。然而,與混凝土材料相 比,膠凝砂礫石強度較 低,因此考慮應力穩(wěn)定 等要求,壩體斷面相對較肥大,這符 合“宜材適構”的設計 理念。從目前已建膠凝 砂礫石壩工程來看,多采用上下游等 坡比的對稱梯形斷面。 與傳統(tǒng)的重力壩三角形 斷面相比,對稱梯形斷面在受力特性 方面具有明顯優(yōu)勢,即 在不同荷載工況下,壩 底應力分布變408化不大,壩體內部的應力水平較低,且分布較均勻。圖 1 給出了混凝土重力壩與膠凝砂礫石壩在滿庫和空庫工況下建基面的應力分布情況。(a ) 混凝土重力壩 (上 游直立、 下游坡比 1:0.8 ) (b) 膠凝砂礫石壩 ( 上下游坡比 1:0.7 ) 圖 2-1 滿 庫和 空庫 條

15、件下 壩底 應力分 布 膠凝砂礫石壩斷面設計 目前 一般采用經驗設計 ,即根據(jù)膠凝砂礫石筑 壩材料 情況 、壩基地質條件和水 文條件等,參照類似工 程斷面,初步擬定幾組 上下游坡比組合, 再進行應力、 穩(wěn)定復核, 綜合考慮安全性和經濟性, 經方案比選確定最終斷面。 (1)已 建工程 斷面 已建部分膠凝砂礫石工程的斷面情況 統(tǒng)計 見表 2-3,工程斷面示意 圖見圖 2-2?2-9。 表 3 已建 部分 膠凝砂礫 石圍 堰和大 壩工 程的上 下游 坡比 坡比 壩高 壩頂長 工程名稱 國家 建成年 上游 下游 (m ) (m ) (1:m ) (1:n ) 洪口水電站上游圍堰 中國 2006 35.

16、5 - 1:0.3 1:0.75 街面水電站下游圍堰 中國 2004 16.3 49.5 1:0.4 1:0.4 圍德山水庫一期圍堰 日本 2000 14.5 140 1:1.2 1:1.2 堰沙沱水電站二期下游 工中國 2009 14 132.5 1:0.6 1:0.6 圍堰 程 飛仙關水電站一期 中國 2011 12 335 1:0.6 1:0.6 縱向圍堰 大 cindere 大壩 土耳其 2008 107 281 1:0.7 1:0.7 壩tobetsu 大壩 日本 2010 52 432 1:0.8 1:0.8 4091:0.41:0.41:0.751:1.0工 can-asujan

17、 大壩 菲律賓 2004 44 145 1:0.6 1:0.6 程 億首大壩 日本 2012 39 400 1:0.8 1:0.8 長島水庫攔沙壩 日本 2000 34 - 1:0.6 1:0.7 ano mera 大壩 希臘 1997 32 150 1:0.5 1:0.5 太保大壩 日本 - 30 110.5 1:0.8 1:0.8 marathia 大壩 希臘 1993 28 265 1:0.5 1:0.5 多米 moncion 反調節(jié)壩 2001 28 270 1:0.7 1:0.7 尼加 mykonos i 大壩 希臘 - 25 - 1:0.5 1:0.5 183.30183.3018

18、3.30183.30下游上游上游 下游3 310kn/m 10kn/m?0 0320.5kn/mg038gn23.0%3 324kn/m24kn/m3h 12.8kn/m hf167.50167.00 167.008.528.528.52 8.52作為下游圍堰 作為下游壩趾量水堰工況1 工況2圖 2-2 尤 溪街 面樞紐 下游 圍堰 3過水標準:p10 %,全年,q4180m /s83.05圍堰軸線堰頂c 20常態(tài)砼厚 50 0mm22 90076.50376.17 擋水標準:枯水期10-4月,p10 %,q1350m /s24 36071.50c 20砼預制塊c 20砼預制塊365.17 p

19、10 %,全年,q4180m /s上游面富漿區(qū)360.44 枯水期10-4月,p10 %,q1350m /scsg 堰體49.70原地面線48.50原地面線41.00基礎富漿級配csg 砼墊層厚 50 0mm說明:圖中高程單位以 m 計,其他單位以 mm 計 圖 2-3 洪 口水 電站上 游膠 凝砂 礫石圍 堰典 型斷面 示意 圖 4101:1.01:0.41:0.41:0.324 120022 1200 圖 2-4 貴 州沙 沱水電 站二 期下 游圍堰 典型 剖面圖 (橫 0+066.00 )圖 2-5 飛 仙關 水電站 一期 縱向 圍堰剖 面示 意圖圖 2-6 日本 nagashima 壩

20、 剖面 圖 411常態(tài)混 凝土圖 2-7 希臘 ano mera 壩 剖面 圖圖 2-8 土 耳其 cindere 壩 剖面 圖412圖 2-9 日本 tobetsu 壩 典 型斷 面 圖 (2)土 耳其 cindere 壩 的斷 面設計 土耳其的 cindere 壩是 目前世界上已建最高的膠凝砂礫石壩,最大壩高 107m ,壩頂長 280.58m ,寬 10m ,2008 年建成 。膠凝砂礫石壩壩體采用上、下游壩坡為 1:0.7 的對稱梯形斷面, 壩體上游面設置防滲面板和排水系統(tǒng), 壩體內部不做防滲處理。 cindere 壩位于強震區(qū) , 大壩的穩(wěn)定分析和結構計算主要采用兩種方法: (1)采

21、用傳統(tǒng)重力壩計算分析方法進行壩坡優(yōu)化和壩體體型確定; (2 ) 采 用 有 限 元 法 確 定強度要求。設計原則為: 1 根據(jù)正常運行工況、 運行 基準地震 (operatiing basis earthquake, obe ) 工況下的穩(wěn)定和強度要求優(yōu)化壩體斷面,確定材料水泥用量; 2 根據(jù)最大可信地震 (mce ) 工況下壩體的抗傾 覆、 抗滑穩(wěn)定對斷面進行校核,確保最大可信地震發(fā)生時不至于出現(xiàn)嚴重破壞或潰壩; 3 通過溫度應力計算,確定橫縫間距,以避免溫度裂縫,確保夏季施工 。 cindere 壩 設 計 時 , 上 游 坡 比 取 值 范 圍 在 1:0.4-1:0.7 , 下 游 坡

22、 比 取 值 范 圍 在1:0.7-1:1.0 ,對每個坡比組合體型方案,進行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、建基面壓應力,以及壩體方量的對比分析,每個體型方案采用的荷載工況為: 工況 1:施工期 工況 2:建成空庫遭遇 運行基準地震(obe),obe 峰值水平加速 度為 0.2g 工況 3:設計洪水工況 413工況 4:正常運行遭遇 運行基準地震(obe),obe 峰值水平加速 度為 0.2g 工況 5: 正常運行遭遇最大可信地震 (mce),mce 峰值水平加速 度為 0.3g (該工況只進 行穩(wěn)定復核) 工況 6:校核洪水工況 地震荷載采用擬靜力法確定。 應力、穩(wěn)定計算分析采用的公式如下: 1

23、)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù) mrfsomo mr mofs?o其中: 為抗傾覆安全系數(shù), 為抗傾覆彎矩之和, 為傾覆彎矩之和。 2)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) catannfssh 其中,fs 為抗滑安全系數(shù),c 為基巖粘聚力,a 為壩基接觸面面積, n 滑動s面法向力之和, h 為剪切滑動力之和。3)承載應力 nm *c1,2a i其中,為最大、 最小承 載應力,m 為法向力偏心彎矩之和 (m ),cn ?e1,2為作用位置到截面中性軸之間的距離,i 為截 面慣性矩。 cindere 壩 壩 基 基 巖 的 內 摩 擦 角 為 25-35 , 粘 聚 力 為 0.2-0.3mpa ,彈性模量為8-9mpa

24、。對 cindere 壩不同上下游坡比方案進行穩(wěn)定計算,滿足穩(wěn)定要求的最優(yōu)斷面為上游 1:0.4 、下游 1:0.8 ,該斷面在正常運行遭遇 運行基準地震(obe )工況下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.27, 略大于規(guī)定要求的 1.2。 該工程最終采用上下游坡比均為1:0.7 的對稱斷面,壩 體方量比最優(yōu)方案增加約 11% ,但壩體的穩(wěn)定和應力情況獲得改善, 正常運行遭遇 運行基準地震 (obe ) 工 況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.396, 最大可信地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.050,壩基應力降低 21% 。 上下游坡為 1:0.7414時,各工況的穩(wěn)定、應力計算結果如 表 2-4。 表 2

25、-4 cindere 壩 應 力 穩(wěn)定 計算結 果 抗傾覆 抗剪斷 壩趾應力 壩踵應力 計算工況 安全系數(shù) 安全系數(shù) (kpa ) (kpa ) 工況 1:施工期-1681.2 -1490.2 工況 2: 建成空庫遭遇 運行基準地震 (obe ) 10.04 2.974 -1197.9 -1973.5 工況 3:正常運行工況 2.675 3.858 -1122.3 -1311.8 工況 4: 正常運行遭遇 運行基準地震 (obe ) 2.166 1.396 -637.9 -1835.8 工況 5:正常運行遭遇最大 可信地震 1.974 1.050 -383.5 -2111.0 工況 6:洪水工

26、況 2.478 2.898 -1039.8 -1439.8 采用有限元法對應力和 穩(wěn)定進行計算分析,復 核了壩基面各節(jié)點的抗 滑穩(wěn)定 安全系數(shù)。對剪應力較大 區(qū)域,采用增加水泥用 量的方法增大該區(qū)域的 抗滑穩(wěn)定性。對于應力集中造成的局 部高應力區(qū),認為不作 為壩體材料強度選擇的 控制性因素,壩體材料的強度根據(jù)應力分布情況綜合考慮確定。 (3)日 本膠凝 砂礫 石壩 的斷 面設計 根據(jù)日本膠凝砂礫石壩技術導則,大壩穩(wěn)定 計算采用按抗剪強度公式 : fsf v/h 要求設計地震工況下, 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于 1.5; 校核地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于 1.2。這與日本混凝土重力壩的控制標準一

27、致。 材料分區(qū)和各分區(qū)材料 的強度要求根據(jù)有限元 法應力計算結果確定, 對最不 利荷載工況下的有限元應 力乘以相應的安全系數(shù) ,來確定不同分區(qū)壩體 材料的強度要求。設計地震工況,不同分區(qū)材料最低強度為有限元應力的 1.5 倍;校核地震工況,不同分區(qū)材料最低強度為有限元應力的 1.2 倍。 應力、穩(wěn)定計算時考慮的荷載如圖 2-10。 415圖 2-10 計 算分 析 考慮的 荷載圖 2-11 不 同 工況應 力分 布和 材 料最 低強 度要求圖 2-12 日本 tobetsu 壩 材料 強度要 求和 分區(qū)示 意圖 416(4)我國膠凝 砂礫 石壩 斷面 設計 準則 應力、穩(wěn)定計算方法和 控制指標

28、,是膠凝砂礫 石壩斷面設計的關鍵。 我 國 前 期建設的膠凝砂礫石圍堰 工程一般參照重力壩規(guī) 范進行應力穩(wěn)定復核。 在編制膠凝砂礫石壩技術導則過程中, 基于對土耳其 cindere 壩和日本導則的對比研究, 并結合守口堡工程的應用研究,相應的設計準則 研究取得了一定進展。 根據(jù)已有資料, 對 cindere 壩抗滑穩(wěn)定穩(wěn)定計 算結果按照我國重力壩規(guī)范確定的公式進行復核。 根據(jù) 表 2-4 中工況 3 和工況 6, 已知自重、 靜水壓力和揚壓力, 可推算豎向、水平向泥沙壓 力等荷載。根據(jù)確定的 靜荷載 , 可 推 算 各 地 震 工 況 的 地 震 荷載。 根據(jù)推導 ,cindere 壩地震慣性

29、力采用如下公式計算:fga (a 為地震動加速h h度) 。 為與我國重力壩規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全指標進行對比, 按我國規(guī)范對地震荷載重新進行計算, 并根據(jù)其他荷載及參數(shù), 對 cindere 壩上游 1:0.4 、 下游 1:0.8 和上下游 1:0.7 兩個斷面計算 抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù),如表 2-5。 表 2-5 cindere 壩 設 計 抗剪 斷安全 系數(shù) (地震 荷載 按我國 規(guī)范 計算) 抗剪斷安全 系數(shù) 抗剪斷安全系數(shù) 計算工況 (上、下游 1:0.7 ) (上游 1:0.4 、下游 1:0.8 ) 工況 2:建成空庫遭遇 運行基準 2.972 2.959 地震(obe ) 工況

30、 3:正常運行工況 3.858 2.840 工況 4:正常運行遭遇 運行基準 2.775 2.233 地震 (obe ) 工況 5:正常運行遭遇最大可信地震2.408 1.817 (mce ) 工況 6:設計洪水工況 2.898 2.118 cindere 壩斷面設計過 程中, 曾不同上下游坡比方案進行穩(wěn)定計算, 滿足穩(wěn)定要求的最優(yōu)斷面為上游 1:0.4 、 下游 1:0.8, 該斷面在正常運行遭遇 運行基準地震 (obe )工況下, 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.27, 略大于規(guī)定要求的 1.2。 該斷面按照我國規(guī)范計算得到的抗剪斷安全系數(shù), 在正常運行工況下為 2.84, 略小于 sl319-2

31、005 規(guī)定的基本組合 k 不小于 3.0; 在正常運行遭遇 運行地震工況下為 2.233, 略小于 sl319-2005規(guī)定的特殊組合(2)k 不小于 2.3。 日本膠凝砂礫石技術導 則中,穩(wěn)定計算采用抗 滑穩(wěn)定安全公式,控制 標準與 混凝土重力壩一致。 417通過守口堡工程的應用研究,并與日本 csg 設計準則、土耳其 cindere 壩設計準則進 行對比分析, 研究 提出了我國膠凝砂礫石壩設計準則: 1) 膠凝砂礫石是具有一定強度的膠結材料, 在水壓力和其他荷載作用下, 膠凝砂礫石壩主要依靠自重 產生的抗滑力來滿足穩(wěn) 定要求,抗滑穩(wěn)定通常 是控制性的因素?？够€(wěn)定計算可參 照重力壩的計算

32、分析方 法,壩基面抗滑穩(wěn)定計 算應采用抗剪斷強度公式或抗剪強度 公式,碾壓層的抗滑穩(wěn) 定計算應采用抗剪斷強 度公式,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于 表 2-6、表 2-7 所列的控制指標值。 膠凝砂礫石與基巖、 墊層接觸面,以及層面的抗剪 參數(shù)尚無大量實際工程 的經驗值可供參考,需 要根據(jù)進行試驗測定,并根據(jù)工程重要性合理選用設計值。 表 2-6 壩 基面 、層 (縫 )面 抗滑穩(wěn) 定安 全系數(shù) k 荷載組合 k 基本組合 3.0 (1 ) 2.5 特殊組合 (2 ) 2.3 表 2-7 壩 基面 、層 (縫 )面 抗滑穩(wěn) 定安 全系數(shù) k 壩的級別 荷載組合 1 2 3 4 5 基本組合 1.10

33、1.05 1.05 1.05 1.05 (1 ) 1.05 1.00 1.00 1.00 1.00 特殊組合 (2 ) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 2) 應力計算采用 材料力學法的計算成果為依據(jù), 采用有限元法進行復核。 要求在任何工況下,膠凝砂 礫石壩壩體最大主壓應 力應小于材料允許壓應 力,保護層拉應力應小于材料的允許 拉應力,內部膠凝砂礫 石不出現(xiàn)主拉應力。運 用期各種荷載組合下,壩踵垂直應力 不應出現(xiàn)拉應力,壩趾 垂直應力應小于壩基允 許壓應力;施工期壩踵垂直應力應小于材料允許壓應力,壩趾垂直應力不允許出現(xiàn)拉應力。 根據(jù)上述設計準則, 對 守口堡膠凝砂礫石壩 穩(wěn)

34、定進行了計算分析(見 表 2-8),應力計算采用 材料力學法的計算成果(見表 2-9)為依據(jù),采用有限元法進行復核。通過大量結構計算分析, 守口堡膠凝砂礫石壩推薦采用上下游坡比為 1:0.6 的等腰梯形斷面(如圖 2-11)。418表 2-8 守 口堡 壩基 抗滑 穩(wěn)定 安全計 算結 果 荷載工況 抗剪斷安全系數(shù) 抗剪安全系數(shù) 基本組合 4.07 1.31 特殊組合(1) 校核洪水位 3.81 1.25 特殊組合(2) 地震工況 3.64 1.18 表 2-9 守 口堡 膠凝砂 礫石 壩應 力計算 結果 u d u d u d u d y y x x 1 1工況 (kpa ) (kpa ) (

35、kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) 施工期 746 746 -448 448 269 269 1015 1015正常蓄水位 537 798 -113 479 417 287 605 1085 設計洪水位 534 794 -110 477 416 286 600 1080校核洪水位 540 824 -114 494 418 296 609 1120地震工況 485 850 -81 510 398 306 534 1156 圖 2-11 守 口 堡膠凝 砂礫 石壩 典型斷 面圖 2.3. 對基礎的要求 傳統(tǒng)混凝土重力壩對于 建基面要求高,需要修 建 在

36、 弱風化 至新鮮 巖 基 上 。 膠 凝砂礫石壩斷面大,壩底 應力水平低,作用壩基 的垂直荷載分布均勻且 在滿庫和空庫作用下不發(fā)生過大變化,對基巖具有更好的適應性。 街面水電站下游膠凝砂 礫石圍堰 作 為 堆 石 大 壩 的 下 游 坡 腳 和 量 水 堰 。 該 量 水 堰(圍堰) 基 巖 巖 性 為 重 結 晶 堅 硬 泥 巖 , 建 設 中 將 河 床 段 挖 除 砂 卵 石 層 直 接 建 于 較 平419整的基巖面,基巖為弱微風化巖石。 土耳其 cindere 壩的基 巖主要由云母片巖、 白 堊片巖等變質巖構成。 云母片巖的彈性模量為 約為 9.2gpa (干) 和 2.75-3.7

37、gpa (飽和) , 片巖的軸壓強度為 4.7-24.3mpa(干 )和 3.3-15.3mpa (飽 和) 。壩 址無 大的 、需 做特 別處 理的 剪切 破碎 帶和 斷層通過。該壩對巖屑沉積層 和河床覆蓋層進行了開 挖處理,建基面開挖要 求滿足的基巖參數(shù): 內摩擦角25-35 , 粘聚力 c200-300kpa , 彈性模量 e 8-9mpa 。 開挖后的m基巖沒進行固結灌漿處理, 防滲采取灌漿帷幕。 基礎底部混凝土采用 1m 厚的常態(tài)混凝土,之后進行 膠凝砂礫石的施工。 我國正在編制的技術導 則提出 : 對 于 中 低 膠 凝 砂 礫 石 壩 , 可 建 在 新 鮮 、 微 風 化或弱風

38、化基巖上,在滿足壩基強度和穩(wěn)定的條件下,可適當降低要求。 2.4. 斷面設計中的 構造要求 膠凝砂礫石中,膠凝材料用量較少,因此,絕熱溫聲低、不同強度等級之間材料強度差別相對較小。壩體構造需充分考慮材料的特性,并滿足快速施工的要求。根據(jù)計算分析和實際工程經驗,膠凝砂礫石壩體內部通常采用同一標號的膠凝砂礫石,施工采用大面積攤鋪碾壓的方式,一般不需進行溫控,壩體分縫設計也可大大簡化。 膠凝砂礫石壩一般不設縱縫, 橫縫設置主要 受壩基地形地質條件、 壩體布置、壩體斷面尺寸、施工強度等因素影響,條件允許時可不設或盡量減少設橫縫;對于中低壩工程,可根據(jù)實際工程情況盡量減少廊道數(shù),廊道可采用常態(tài)混凝土、混

39、凝土預制構件等形成。 滲透溶蝕試驗表明,膠凝砂礫石具備一定的抗?jié)B能力,對于圍堰等臨時工程,可采用膠凝砂礫石本體防滲。 對于永久工程, 由于膠凝砂礫石的膠凝材料用量較低,長期耐久性指標相對較低,為了保障大壩長期運行安全,大壩上下游面水下部分需設置防滲層,壩面應設保護層,保護層設置可與防滲層結合考慮 。膠凝砂礫石壩 壩體結構設計體現(xiàn) 壩體功能分開的原則 ,即壩體 膠凝砂礫石主要滿足大壩應力與穩(wěn)定的要求,而不必考慮 材料的 抗?jié)B能力和耐久性; 在壩體膠凝砂礫石外部設置保護和防滲層, 來滿足大壩的防滲 和耐久性要求,兩者 聯(lián)合實現(xiàn)壩體穩(wěn)定和擋水功能。 壩面保護層可依據(jù)工程實際、施工條件等采用常態(tài)混凝土

40、、碾壓混凝土、富漿膠凝砂礫石和堆石混凝土等,厚度根據(jù)壩體耐久性要求和施工要求,通過計算分析,并結420合相關工程經驗確定。壩面保護層應設置橫縫,橫縫間距設置要求與混凝土壩、碾壓混凝土壩類似,一般為15-20m 。鋼筋混凝土 面板、瀝青材料、合成橡膠及復合土工膜也可用作上游面防滲層。 希臘的 mykonos i 和多 米尼加的 moncion 反調節(jié)壩等采用混凝土面板防滲,防滲面板設計要求與面板堆石壩類似,厚度一般為 30cm 。日本的膠凝砂礫石壩工程,包括 nagashima 攔沙壩 、tobetsu 壩等, 一般 在壩面采用常態(tài)混凝土防滲保護層, 厚度一般為 1.5-3.0m 。 土 耳其的

41、 cindere 壩壩面 采用常態(tài)混凝土作為保護層, 上游面采用內置式 pvc 土工膜防滲,pvc 土工膜鋪設 在混凝土保護層上, 外蓋預制混凝土塊保護。圖 2-12 日本 tobetsu 膠 凝砂 礫石壩 斷面 及細部 結構 圖 表 2-7 已 建部 分膠凝 砂礫 壩 的 上游防 滲形 式 工程名稱 國家 壩高(m ) 上游面防滲形式 tobetsu 大壩 日本 52 預制混凝土板+ 常態(tài)混凝土 億首 (okukubi) 大壩 日本 39 混凝土面板 多米 moncion 反調節(jié)壩 28 混凝土面板(30cm ) 尼加 mykonos i 大壩 希臘 25 混凝土面板 守口堡大壩 中國 60

42、.4 二級配碾壓混凝土 3 結論 和建 議 膠凝砂礫石是一種強度較低的膠結材料,膠凝砂礫石壩從承載的角度來說,主要依靠自身重力來維持穩(wěn)定,從設計準則上來說,可以在兼顧材料和壩型特點的基礎上,參照重力 壩的設計規(guī)范來制定技術導則,以指導永久工程應用。 在未來實踐421中,需要根據(jù)實際工程經驗,進一步論證膠凝砂礫石壩的設計準則,不斷修訂技術導則,以確保這種新壩型的健康、有序發(fā)展。 目前, 我國對膠凝砂礫石筑壩 技術的研究尚處于 初級階段,雖然在福建洪口、云南功果橋、貴州沙沱等工程的圍堰中得到了一定應用,但整體落后于國際水平,急需通過 聯(lián)合 攻關,通過創(chuàng)新研究 和實際工程建設, 進一步完善設計理論,

43、 形成配套的技術和設備,使這種新型筑壩技術能夠 服務于 我國面廣量大的中小型水利水電工程建設。 圍繞膠凝砂礫石壩的設計, 建議未來 開展如下研究: (1) 膠凝砂礫石 層面抗剪性能和抗滑穩(wěn)定 指標體系; (2) 膠凝砂礫石三軸試驗和本構模型 ; (3) 膠凝砂礫石損傷破壞機理; (4) 膠凝砂礫石壩的動力響應 等。 參考文 獻 1 raphael, j.m., the optimun gravity dam a, rapid construction of concrete dams c, asce, 1970. 221-224 th2 londe p., discussion of q.62

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