膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（可編輯）

1、膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則 中國(guó)大壩協(xié)會(huì)秘書處 鄭璀瑩 、賈金生 、 楊 會(huì)臣 、馬鋒玲、徐 耀、馮 煒1 概述 膠凝砂礫石筑壩技術(shù)是 國(guó)際上近年發(fā)展起來的 新型筑壩技術(shù),其特點(diǎn) 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(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械施工, 具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)性 好、施工工藝簡(jiǎn)單、速 度快、環(huán)境友好 等 優(yōu) 點(diǎn) : (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(dāng)?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(duì)環(huán)境的影響; (3) 對(duì)施工工藝要求較低 , 大幅

2、度簡(jiǎn)化流程, 縮短工期。近年在日本、土耳其、 希臘、法國(guó)、菲律賓等 國(guó)家的永久工程得到應(yīng) 用。 我國(guó)對(duì)該壩技術(shù)的研究始于上世紀(jì) 90 年代, 通過對(duì)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(shù)在福建洪 口、云南功果橋、貴州沙沱、四川飛 仙關(guān)等圍堰工程中得到 陸續(xù)應(yīng)用。由于缺少該 壩型設(shè)計(jì)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),近年多座 中小型水庫(kù)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(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐, 目 前,膠凝砂礫石圍堰 工程和大壩工程的設(shè)計(jì) 通常

3、采 用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),多參照混凝 土重力壩的設(shè)計(jì)方法和 控制指標(biāo)體系。 基 于 國(guó) 際 已 建 膠 凝 砂礫石壩工程的經(jīng)驗(yàn),通 過對(duì)材料性能、壩體結(jié) 構(gòu)受力特性和施工工法 的研究,我國(guó)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(guān)等膠凝砂礫石圍堰工程 ,取得了一定的技術(shù)進(jìn) 展,但與國(guó)際當(dāng)前研究 發(fā)展水平對(duì)比來看 還有一定的差距, 對(duì)于膠凝砂礫石壩 作為 永久工程的建設(shè), 尤其需要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),明確膠凝砂礫石壩的設(shè) 計(jì)方法,并建立控制指 標(biāo)體系。本調(diào)研基于 膠 凝 砂 礫 石 壩 技術(shù)導(dǎo)則編制工作開展, 旨在對(duì)國(guó) 際 已 建 工 程 和 國(guó) 內(nèi) 擬 建 工 程 的

4、 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 和 研 究 進(jìn) 展進(jìn)行調(diào)研。 405本次調(diào)研通過搜集、整 理國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊、國(guó) 際會(huì)議論文集和相關(guān)研 究報(bào)告 、碩 士和 博 士 論 文 中 有 關(guān) 膠 凝 砂 礫 石 筑 壩 技 術(shù) 的 相 關(guān) 內(nèi) 容 , 對(duì) 膠 凝 砂 礫 石 壩 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 等 方 面 進(jìn) 行 歸 納 、 總 結(jié) 、 提 煉 , 以 期 為 國(guó) 內(nèi) 專 家 了 解 該 新 壩 型設(shè)計(jì) 技術(shù)進(jìn)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(shè)計(jì) 2.1. 允許應(yīng)力和材料設(shè)計(jì) 強(qiáng)度 根據(jù)材料試驗(yàn),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(qiáng)度、彈性模量等

5、性能 指標(biāo)相對(duì)較低。由于膠 凝材料的膠結(jié)作用, 膠 凝 砂 礫 石 材料通常按照 膠 結(jié) 體 來 考 慮 , 壩 體 中 膠 凝 砂 礫 石 的 允 許 應(yīng) 力 不 超 過 膠 凝 砂 礫 石 的 材料強(qiáng)度。 根據(jù)日本膠凝砂礫石壩技術(shù)導(dǎo)則 和 tobetsu 大壩的設(shè)計(jì), 膠凝砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用 600mm 的圓柱體試件 90 天齡期的彈性極限強(qiáng)度, 要求設(shè)計(jì)和校核工況 (不?300含地震情況) 壩體最大主應(yīng)力不超過 膠凝砂礫石 材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。tobetsu 膠凝砂礫石壩 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 2.5mpa (90d) , 根據(jù)已開 展的膠凝砂礫石材料 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 和經(jīng)驗(yàn)值推導(dǎo), 該強(qiáng)度 相當(dāng)于 15

6、0mm 立方體試件 90d 的抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)強(qiáng)度為 6mpa (180d ) 。 該壩滿足應(yīng)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(duì)稱斷面, 根據(jù)應(yīng) 力 計(jì) 算 分析 結(jié) 果 ,正常 運(yùn) 行 情 況下 , 最 大壓應(yīng) 力 發(fā) 生 在壩 踵 部 位,為 1.31mpa ;設(shè) 計(jì) 洪 水 情況 下 , 最大壓 應(yīng) 力 發(fā) 生在 壩 踵 部位, 為 1.44mpa ; 正常 運(yùn)行 遭 遇 設(shè) 計(jì) 地震

7、工 況 下 ,壩 踵 最 大壓應(yīng) 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(guó)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(qiáng)度較低, 根據(jù)當(dāng)前我國(guó)膠凝砂礫 石筑壩關(guān)鍵技術(shù)研究和 實(shí)踐, 采用的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 150mm 立方體試件 180d 的極限抗壓強(qiáng)度。 按正常工作狀態(tài)下內(nèi)部膠凝砂礫石不產(chǎn)生拉應(yīng) 力來設(shè)計(jì),即內(nèi)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(shè)計(jì)相關(guān) 規(guī)定, 膠 凝 砂 礫 石 的 允 許 壓 應(yīng) 力 按 膠 凝 砂 礫 石 的 極 限 強(qiáng) 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(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。 406材料的抗壓強(qiáng)度安全系 數(shù),需要根據(jù)大量的工 程實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)前 ,膠凝 砂礫石筑壩技術(shù)應(yīng)用正處 在初級(jí)階段,國(guó)內(nèi)尚無 膠凝砂礫石壩的實(shí)際 工 程 資 料 可 供 參考。 為了便于應(yīng)用,當(dāng) 前可根據(jù)試驗(yàn)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(qiáng) 度 安 全 系 數(shù) 選 取 。 我 國(guó) 混 凝 土 重 力 壩 設(shè)計(jì) 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(qiáng)度與室內(nèi)試件混凝土強(qiáng)度的關(guān)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(qiáng)度; cf 為室內(nèi) 150mm 立方 體試件 90d 保證率 80% 條件下的抗壓強(qiáng)度;cc 為試件形狀系數(shù),即 長(zhǎng)直強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之 比; 1c 為尺寸系數(shù),即大試 件與 150mm 立方體小 試件強(qiáng)度比值; 2c 為濕篩系數(shù); 3c 為實(shí)際使用齡期與 90d 齡期抗壓強(qiáng)度比值; 4c 為時(shí)間效應(yīng)系數(shù)。 5可根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)z凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度,來 推 導(dǎo)壩體 膠凝砂礫石原型抗壓強(qiáng)度。根據(jù) 上式及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù) 據(jù) , 在保證壩體材料原 型抗壓強(qiáng)度具有相同的 安全度的情況下, 當(dāng)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(shí), 與重力壩壩體混凝土安全系數(shù)相當(dāng)。 考慮到膠凝砂礫石壩可供借鑒的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不足, 目前參照混凝土 的相關(guān)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(qiáng)度安全儲(chǔ)備高于混凝土重力壩。 將日本膠凝砂礫石壩技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的 ?300600mm 的圓柱體試件 90 天齡 期的彈性極限強(qiáng)度按照上式進(jìn)行換算, 相當(dāng)于采用 150mm 立方體試件 180 天齡期的極限抗壓強(qiáng)度 為 設(shè) 計(jì) 強(qiáng) 度 時(shí) , 材料抗壓安全系數(shù)在 設(shè)計(jì)和校核工況(不含 地震情況)時(shí)為 3.7 。 我國(guó) 當(dāng)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(biāo)準(zhǔn) 、 土耳其 cinder 壩采用的標(biāo)準(zhǔn) 基本一致。 擬建的我國(guó)第一座膠凝 砂礫石壩工 程 ? 山 西 守 口 堡 水 庫(kù) 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(xué)法和有限元法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,總體上來看, 膠凝砂礫石壩應(yīng)力水平 較低。由于有限元法存 在角緣處應(yīng)力407集中,采用材料力學(xué)和等效有限元應(yīng)力結(jié)果,則 5mpa 設(shè)計(jì)強(qiáng)度可 滿足要求。該工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用 6mpa (180d) ,壩體內(nèi)部膠凝砂礫石的允許壓應(yīng)力在基本組合時(shí)為1.5mpa ,特殊組合(不含地震情況)時(shí)為 1.7mpa 。 表 2-

12、1 守 口堡 膠凝砂 礫石 壩設(shè) 計(jì)強(qiáng)度 計(jì)算 計(jì)算方法 膠凝砂礫石最大壓應(yīng)力(mpa ) 設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求 (mpa ) 基本組合 1.09 4.36 材料力學(xué)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(yīng)力 特殊組合 0.89 3.12 根據(jù)調(diào)研資料,整理了部分膠凝砂礫石工程的膠凝砂礫石 設(shè)計(jì)強(qiáng)度如表 2-2。 表 2-2 部 分膠 凝砂礫 石圍 堰和 大壩工 程的 設(shè)計(jì)強(qiáng) 度 設(shè)計(jì)強(qiáng)度工程名稱 國(guó)家 壩高(m ) (mpa ) 沙沱水電站二期下游圍堰 中國(guó) 14 4(28d ) 飛仙關(guān)水電站

13、一期縱向圍堰 中國(guó) 12 4(28d ) cindere 大壩 土耳其 107 6(180d ) 守口堡水庫(kù)大壩* 中國(guó) 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(diào)節(jié)壩 28 9(90d ) 加 * 守口堡水庫(kù)大壩:擬建,計(jì)劃 2013 年正式開工。 *設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用 300mm 600mm 的圓柱體 試件 90 天齡期的彈性極限強(qiáng)度。 2.2. 斷面設(shè)計(jì) 膠凝砂礫石是具有一定強(qiáng)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(qiáng)度較 低,因此考慮應(yīng)力穩(wěn)定 等要求,壩體斷面相對(duì)較肥大,這符 合“宜材適構(gòu)”的設(shè)計(jì) 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(duì)稱梯形斷面。 與傳統(tǒng)的重力壩三角形 斷面相比,對(duì)稱梯形斷面在受力特性 方面具有明顯優(yōu)勢(shì),即 在不同荷載工況下,壩 底應(yīng)力分布變408化不大,壩體內(nèi)部的應(yīng)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(kù)和空庫(kù)工況下建基面的應(yīng)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(kù)和 空庫(kù) 條

15、件下 壩底 應(yīng)力分 布 膠凝砂礫石壩斷面設(shè)計(jì) 目前 一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) ,即根據(jù)膠凝砂礫石筑 壩材料 情況 、壩基地質(zhì)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(jìn)行應(yīng)力、 穩(wěn)定復(fù)核, 綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性, 經(jīng)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(jì) 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(zhǎng) 工程名稱 國(guó)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(guó) 2006 35.

16、5 - 1:0.3 1:0.75 街面水電站下游圍堰 中國(guó) 2004 16.3 49.5 1:0.4 1:0.4 圍德山水庫(kù)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(guó) 2009 14 132.5 1:0.6 1:0.6 圍堰 程 飛仙關(guān)水電站一期 中國(guó) 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(zhǎng)島水庫(kù)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(diào)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(biāo)準(zhǔn):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(biāo)準(zhǔn):枯水期10-4月,p10 %,q1350m /s24 36071.50c 20砼預(yù)制塊c 20砼預(yù)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(chǔ)富漿級(jí)配csg 砼墊層厚 50 0mm說明:圖中高程單位以 m 計(jì),其他單位以 mm 計(jì) 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(guān) 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(shè)計(jì) 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(zhǎng) 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(duì)稱梯形斷面, 壩體上游面設(shè)置防滲面板和排水系統(tǒng), 壩體內(nèi)部不做防滲處理。 cindere 壩位于強(qiáng)震區(qū) , 大壩的穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算主要采用兩種方法: (1)采

21、用傳統(tǒng)重力壩計(jì)算分析方法進(jìn)行壩坡優(yōu)化和壩體體型確定; (2 ) 采 用 有 限 元 法 確 定強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)原則為: 1 根據(jù)正常運(yùn)行工況、 運(yùn)行 基準(zhǔn)地震 (operatiing basis earthquake, obe ) 工況下的穩(wěn)定和強(qiáng)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(duì)斷面進(jìn)行校核,確保最大可信地震發(fā)生時(shí)不至于出現(xiàn)嚴(yán)重破壞或潰壩; 3 通過溫度應(yīng)力計(jì)算,確定橫縫間距,以避免溫度裂縫,確保夏季施工 。 cindere 壩 設(shè) 計(jì) 時(shí) , 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(duì)每個(gè)坡比組合體型方案,進(jìn)行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、建基面壓應(yīng)力,以及壩體方量的對(duì)比分析,每個(gè)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(kù)遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)地震(obe),obe 峰值水平加速 度為 0.2g 工況 3:設(shè)計(jì)洪水工況 413工況 4:正常運(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)地震(obe),obe 峰值水平加速 度為 0.2g 工況 5: 正常運(yùn)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(jìn) 行穩(wěn)定復(fù)核) 工況 6:校核洪水工況 地震荷載采用擬靜力法確定。 應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)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(dòng)s面法向力之和, h 為剪切滑動(dòng)力之和。3)承載應(yīng)力 nm *c1,2a i其中,為最大、 最小承 載應(yīng)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(nèi) 摩 擦 角 為 25-35 , 粘 聚 力 為 0.2-0.3mpa ,彈性模量為8-9mpa

24、。對(duì) cindere 壩不同上下游坡比方案進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)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(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)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(duì)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(yīng)力情況獲得改善, 正常運(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)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(yīng)力降低 21% 。 上下游坡為 1:0.7414時(shí),各工況的穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如 表 2-4。 表 2

25、-4 cindere 壩 應(yīng) 力 穩(wěn)定 計(jì)算結(jié) 果 抗傾覆 抗剪斷 壩趾應(yīng)力 壩踵應(yīng)力 計(jì)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(kù)遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)地震 (obe ) 10.04 2.974 -1197.9 -1973.5 工況 3:正常運(yùn)行工況 2.675 3.858 -1122.3 -1311.8 工況 4: 正常運(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)地震 (obe ) 2.166 1.396 -637.9 -1835.8 工況 5:正常運(yùn)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(duì)應(yīng)力和 穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析,復(fù) 核了壩基面各節(jié)點(diǎn)的抗 滑穩(wěn)定 安全系數(shù)。對(duì)剪應(yīng)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(duì)于應(yīng)力集中造成的局 部高應(yīng)力區(qū),認(rèn)為不作 為壩體材料強(qiáng)度選擇的 控制性因素,壩體材料的強(qiáng)度根據(jù)應(yīng)力分布情況綜合考慮確定。 (3)日 本膠凝 砂礫 石壩 的斷 面設(shè)計(jì) 根據(jù)日本膠凝砂礫石壩技術(shù)導(dǎo)則,大壩穩(wěn)定 計(jì)算采用按抗剪強(qiáng)度公式 : fsf v/h 要求設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)一

27、致。 材料分區(qū)和各分區(qū)材料 的強(qiáng)度要求根據(jù)有限元 法應(yīng)力計(jì)算結(jié)果確定, 對(duì)最不 利荷載工況下的有限元應(yīng) 力乘以相應(yīng)的安全系數(shù) ,來確定不同分區(qū)壩體 材料的強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)地震工況,不同分區(qū)材料最低強(qiáng)度為有限元應(yīng)力的 1.5 倍;校核地震工況,不同分區(qū)材料最低強(qiáng)度為有限元應(yīng)力的 1.2 倍。 應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算時(shí)考慮的荷載如圖 2-10。 415圖 2-10 計(jì) 算分 析 考慮的 荷載圖 2-11 不 同 工況應(yīng) 力分 布和 材 料最 低強(qiáng) 度要求圖 2-12 日本 tobetsu 壩 材料 強(qiáng)度要 求和 分區(qū)示 意圖 416(4)我國(guó)膠凝 砂礫 石壩 斷面 設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則 應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算方法和 控制指標(biāo)

28、,是膠凝砂礫 石壩斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 我 國(guó) 前 期建設(shè)的膠凝砂礫石圍堰 工程一般參照重力壩規(guī) 范進(jìn)行應(yīng)力穩(wěn)定復(fù)核。 在編制膠凝砂礫石壩技術(shù)導(dǎo)則過程中, 基于對(duì)土耳其 cindere 壩和日本導(dǎo)則的對(duì)比研究, 并結(jié)合守口堡工程的應(yīng)用研究,相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 研究取得了一定進(jìn)展。 根據(jù)已有資料, 對(duì) cindere 壩抗滑穩(wěn)定穩(wěn)定計(jì) 算結(jié)果按照我國(guó)重力壩規(guī)范確定的公式進(jìn)行復(fù)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(yáng)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(dǎo) ,cindere 壩地震慣性

29、力采用如下公式計(jì)算:fga (a 為地震動(dòng)加速h h度) 。 為與我國(guó)重力壩規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比, 按我國(guó)規(guī)范對(duì)地震荷載重新進(jìn)行計(jì)算, 并根據(jù)其他荷載及參數(shù), 對(duì) cindere 壩上游 1:0.4 、 下游 1:0.8 和上下游 1:0.7 兩個(gè)斷面計(jì)算 抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù),如表 2-5。 表 2-5 cindere 壩 設(shè) 計(jì) 抗剪 斷安全 系數(shù) (地震 荷載 按我國(guó) 規(guī)范 計(jì)算) 抗剪斷安全 系數(shù) 抗剪斷安全系數(shù) 計(jì)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(kù)遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn) 2.972 2.959 地震(obe ) 工況

30、 3:正常運(yùn)行工況 3.858 2.840 工況 4:正常運(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn) 2.775 2.233 地震 (obe ) 工況 5:正常運(yùn)行遭遇最大可信地震2.408 1.817 (mce ) 工況 6:設(shè)計(jì)洪水工況 2.898 2.118 cindere 壩斷面設(shè)計(jì)過 程中, 曾不同上下游坡比方案進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)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(yùn)行遭遇 運(yùn)行基準(zhǔn)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(guó)規(guī)范計(jì)算得到的抗剪斷安全系數(shù), 在正常運(yùn)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(yùn)行遭遇 運(yùn)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(shù)導(dǎo) 則中,穩(wěn)定計(jì)算采用抗 滑穩(wěn)定安全公式,控制 標(biāo)準(zhǔn)與 混凝土重力壩一致。 417通過守口堡工程的應(yīng)用研究,并與日本 csg 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、土耳其 cindere 壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn) 行對(duì)比分析, 研究 提出了我國(guó)膠凝砂礫石壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則: 1) 膠凝砂礫石是具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)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(chǎn)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。抗滑穩(wěn)定計(jì)算可參 照重力壩的計(jì)算

32、分析方 法,壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì) 算應(yīng)采用抗剪斷強(qiáng)度公式或抗剪強(qiáng)度 公式,碾壓層的抗滑穩(wěn) 定計(jì)算應(yīng)采用抗剪斷強(qiáng) 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(biāo)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(shí)際工程 的經(jīng)驗(yàn)值可供參考,需 要根據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定,并根據(jù)工程重要性合理選用設(shè)計(jì)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(jí)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(yīng)力計(jì)算采用 材料力學(xué)法的計(jì)算成果為依據(jù), 采用有限元法進(jìn)行復(fù)核。 要求在任何工況下,膠凝砂 礫石壩壩體最大主壓應(yīng) 力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng) 力,保護(hù)層拉應(yīng)力應(yīng)小于材料的允許 拉應(yīng)力,內(nèi)部膠凝砂礫 石不出現(xiàn)主拉應(yīng)力。運(yùn) 用期各種荷載組合下,壩踵垂直應(yīng)力 不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力,壩趾 垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基允 許壓應(yīng)力;施工期壩踵垂直應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力,壩趾垂直應(yīng)力不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 對(duì) 守口堡膠凝砂礫石壩 穩(wěn)

34、定進(jìn)行了計(jì)算分析(見 表 2-8),應(yīng)力計(jì)算采用 材料力學(xué)法的計(jì)算成果(見表 2-9)為依據(jù),采用有限元法進(jìn)行復(fù)核。通過大量結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì) 算結(jié) 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(yīng) 力計(jì)算 結(jié)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(shè)計(jì)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(duì)基礎(chǔ)的要求 傳統(tǒng)混凝土重力壩對(duì)于 建基面要求高,需要修 建 在

36、 弱風(fēng)化 至新鮮 巖 基 上 。 膠 凝砂礫石壩斷面大,壩底 應(yīng)力水平低,作用壩基 的垂直荷載分布均勻且 在滿庫(kù)和空庫(kù)作用下不發(fā)生過大變化,對(duì)基巖具有更好的適應(yīng)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(jié) 晶 堅(jiān) 硬 泥 巖 , 建 設(shè) 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(fēng)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(zhì)巖構(gòu)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(qiáng)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(duì)巖屑沉積層 和河床覆蓋層進(jìn)行了開 挖處理,建基面開挖要 求滿足的基巖參數(shù): 內(nèi)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(jìn)行固結(jié)灌漿處理, 防滲采取灌漿帷幕。 基礎(chǔ)底部混凝土采用 1m 厚的常態(tài)混凝土,之后進(jìn)行 膠凝砂礫石的施工。 我國(guó)正在編制的技術(shù)導(dǎo) 則提出 : 對(duì) 于 中 低 膠 凝 砂 礫 石 壩 , 可 建 在 新 鮮 、 微 風(fēng) 化或弱風(fēng)

38、化基巖上,在滿足壩基強(qiáng)度和穩(wěn)定的條件下,可適當(dāng)降低要求。 2.4. 斷面設(shè)計(jì)中的 構(gòu)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(qiáng)度等級(jí)之間材料強(qiáng)度差別相對(duì)較小。壩體構(gòu)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(jì)算分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),膠凝砂礫石壩體內(nèi)部通常采用同一標(biāo)號(hào)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(jìn)行溫控,壩體分縫設(shè)計(jì)也可大大簡(jiǎn)化。 膠凝砂礫石壩一般不設(shè)縱縫, 橫縫設(shè)置主要 受壩基地形地質(zhì)條件、 壩體布置、壩體斷面尺寸、施工強(qiáng)度等因素影響,條件允許時(shí)可不設(shè)或盡量減少設(shè)橫縫;對(duì)于中低壩工程,可根據(jù)實(shí)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(yù)制構(gòu)件等形成。 滲透溶蝕試驗(yàn)表明,膠凝砂礫石具備一定的抗?jié)B能力,對(duì)于圍堰等臨時(shí)工程,可采用膠凝砂礫石本體防滲。 對(duì)于永久工程, 由于膠凝砂礫石的膠凝材料用量較低,長(zhǎng)期耐久性指標(biāo)相對(duì)較低,為了保障大壩長(zhǎng)期運(yùn)行安全,大壩上下游面水下部分需設(shè)置防滲層,壩面應(yīng)設(shè)保護(hù)層,保護(hù)層設(shè)置可與防滲層結(jié)合考慮 。膠凝砂礫石壩 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)置保護(hù)和防滲層, 來滿足大壩的防滲 和耐久性要求,兩者 聯(lián)合實(shí)現(xiàn)壩體穩(wěn)定和擋水功能。 壩面保護(hù)層可依據(jù)工程實(shí)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(jì)算分析,并結(jié)420合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定。壩面保護(hù)層應(yīng)設(shè)置橫縫,橫縫間距設(shè)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(fù)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(diào)節(jié)壩等采用混凝土面板防滲,防滲面板設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)層, 上游面采用內(nèi)置式 pvc 土工膜防滲,pvc 土工膜鋪設(shè) 在混凝土保護(hù)層上, 外蓋預(yù)制混凝土塊保護(hù)。圖 2-12 日本 tobetsu 膠 凝砂 礫石壩 斷面 及細(xì)部 結(jié)構(gòu) 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(guó)家 壩高(m ) 上游面防滲形式 tobetsu 大壩 日本 52 預(yù)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(diào)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(guó) 60

42、.4 二級(jí)配碾壓混凝土 3 結(jié)論 和建 議 膠凝砂礫石是一種強(qiáng)度較低的膠結(jié)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則上來說,可以在兼顧材料和壩型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,參照重力 壩的設(shè)計(jì)規(guī)范來制定技術(shù)導(dǎo)則,以指導(dǎo)永久工程應(yīng)用。 在未來實(shí)踐421中,需要根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步論證膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,不斷修訂技術(shù)導(dǎo)則,以確保這種新壩型的健康、有序發(fā)展。 目前, 我國(guó)對(duì)膠凝砂礫石筑壩 技術(shù)的研究尚處于 初級(jí)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(yīng)用,但整體落后于國(guó)際水平,急需通過 聯(lián)合 攻關(guān),通過創(chuàng)新研究 和實(shí)際工程建設(shè), 進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)理論,

43、 形成配套的技術(shù)和設(shè)備,使這種新型筑壩技術(shù)能夠 服務(wù)于 我國(guó)面廣量大的中小型水利水電工程建設(shè)。 圍繞膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì), 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(biāo)體系; (2) 膠凝砂礫石三軸試驗(yàn)和本構(gòu)模型 ; (3) 膠凝砂礫石損傷破壞機(jī)理; (4) 膠凝砂礫石壩的動(dòng)力響應(yīng) 等。 參考文 獻(xiàn) 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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