燕山水庫大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燕山水庫大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水庫邊坡穩(wěn)定是水庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水庫安全評估的主要基礎(chǔ)。燕山水庫因大壩較長,右岸壩高遠(yuǎn)高于左岸,采用統(tǒng)一的壩體結(jié)構(gòu)并不合理。而合理的壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)所用壩料并充分考慮壩型、防滲、排水、反濾、護(hù)坡等因素。鑒此,本文在系統(tǒng)分析壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過選取典型壩面,分析了各工況下的壩坡穩(wěn)定情況,盡可能達(dá)到安全可靠和技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化,確保工程安全。1水庫結(jié)構(gòu)1.1分壩壩型燕山水庫擋水建筑物基本壩型采用土石壩。左岸臺(tái)地壩高較低,壩段采用均質(zhì)土壩壩型,主河槽和左岸臺(tái)地壩高較高,壩段采用分區(qū)壩壩型。分區(qū)壩型主要從壩體與圍堰結(jié)合和河槽段截流后工期控制等方面考慮,斜墻壩壩型較心墻壩優(yōu)勢更明顯且斜墻壩方案投資較少,因此選用斜墻壩作為燕山水庫主壩河槽段和左岸階地壩段的典型壩型。1.2全可滿足要求均質(zhì)壩體、粘土斜墻防滲體和圍堰防滲體土料均采用低液限粘土(中重粉質(zhì)壤土)(Q3)填筑。燕山水庫均質(zhì)壩段壩高相對較低,常年壩前無水,采用低液限粘土填筑完全可滿足要求。根據(jù)規(guī)范要求,粘土斜墻防滲體底部厚度不宜小于1/5最大作用水頭。燕山大壩因壩基存在順河大斷層,加上砂礫料缺乏,而土料相對較豐富,防滲體的斷面布置主要依據(jù)壩體開挖填筑料物平衡及天然建材料源情況,同時(shí)考慮圍堰防滲體和壩體粘土斜墻結(jié)合、防滲墻施工及順河大斷層段壩基的后期處理等綜合因素確定。為防止冰凍或干裂,斜墻上游面107.40m高程以上和以下分別設(shè)有厚1.50、0.60m的墊層和反濾保護(hù)層。上游斜墻防滲體坡與壩坡坡比基本一致,下游坡坡比為1∶1.25。1.3水庫外殼材料設(shè)計(jì)(1)防滲料和反濾料第三系粘土質(zhì)砂巖、砂礫巖室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)破壞比降為1.24,按安全系數(shù)3考慮,允許比降僅0.41,與低液限粘土(Q3)防滲料允許比降3～5相比明顯偏小,且該壩料:①偏粗且相變大,具有明顯的不均勻性;②飽和后強(qiáng)度明顯降低,壓縮性明顯增加;③飽和條件下的力學(xué)性質(zhì)亦很差。因此不宜作防滲體和反濾料,僅能用于下游壩殼干燥區(qū)。溢洪道尾水渠開挖的粘土質(zhì)砂礫巖有一定膨脹性,為減少氣候干濕交替對粘土質(zhì)砂礫巖的影響,使用時(shí)在粘土質(zhì)砂礫巖的下游外包厚4.00m的非膨脹頁巖為主風(fēng)化渣料。(2)壩體料可達(dá)性開挖的石渣巖性為不同風(fēng)化程度的馬山口組石英砂巖和安山巖、云夢山組石英砂巖和頁巖。全、強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖混合料的抗剪強(qiáng)度相對較高,壓縮性較低。該壩料因全強(qiáng)風(fēng)化巖比例不同,性質(zhì)可能亦有較大差別,屬較軟弱的堆石料,用于河槽段及臺(tái)地較高壩段下游干燥區(qū)壩殼填筑,可確保較高強(qiáng)度指標(biāo),亦滿足壩坡穩(wěn)定性要求。馬山口組石英砂巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng),基本為弱微風(fēng)化料(為較好的硬巖堆石料),在大壩下游壩殼填筑利用量很大;石英砂巖和微風(fēng)化安山巖主要用于河槽等較高壩段下游壩殼填筑,下游最高尾水位94.14m高程以下壩殼采用該壩料填筑,95.00m高程以上采用其他渣料。1.4壩體結(jié)構(gòu)比選斜墻壩段緊靠粘土斜墻和圍堰防滲體下游設(shè)壩體反濾排水帶,底部通過水平排水帶與下游坡貼坡排水相連共同組成壩體排水系統(tǒng)。在左岸低斜墻壩段,防滲體下游壩殼采用溢洪道開挖的粘土質(zhì)砂礫巖外包頁巖為主的風(fēng)化渣料填筑。壩料級配與天然砂礫料接近,在下游壩殼粘土質(zhì)砂礫巖與上游粘土防滲體和下游壩基土層間僅設(shè)1.00m厚的粗砂層作為壩體反濾排水帶和底部水平排水帶。在壩高較高的臺(tái)地壩段,防滲體下游反濾排水厚1.20m加2.00m厚的砂礫料排水過渡層。該壩段底部水平排水帶在左岸臺(tái)地低液限粘土壩段由0.50m厚反濾粗砂和1.50m厚砂礫料組成,以滿足砂礫料水平排水帶和底部壩基土層及上部壩體間的層間過渡。在河床漫灘壩段,下游壩殼填筑區(qū)高程95.00m以下為硬巖堆石料,以上為風(fēng)化砂頁巖開挖料、河床開采砂礫料及粘土質(zhì)砂礫巖。防滲體下游反濾排水厚1.20m加2.00m厚的砂礫料排水過渡層,在壩殼區(qū)與硬巖相接時(shí)增加了細(xì)堆石料過渡層。河槽壩基為卵石混合土(Q4),底部水平排水帶直接采用與壩基材料相同的砂礫料填筑,水平排水帶厚2.00m,其中下部為0.70m厚的粗砂料,上部為1.30m厚的天然砂卵石料。綜上所述,壩體結(jié)構(gòu)可選擇為:①樁號2+665.50為左岸臺(tái)地均質(zhì)壩段,壩體材料主要為低液限粘土。②樁號2+700.00～4+084.00為左岸臺(tái)地粘土斜墻分區(qū)壩段,斜墻防滲體采用低液限粘土,壩殼料采用溢洪道、輸泄水建筑物開挖的渣料;對任意料區(qū)填筑的粘土質(zhì)砂礫巖,在下游壩殼設(shè)垂直厚度為4.00m的非膨脹石渣料。斜墻壩段在下游壩殼粘土質(zhì)砂礫巖與上游粘土防滲體間及壩殼料與下游壩基土層間設(shè)反濾排水帶。③樁號4+150.00～4+720.00為河槽粘土斜墻分區(qū)壩段。斜墻防滲體采用低液限粘土,壩殼料采用輸泄水建筑物開挖的渣料、砂礫料和溢洪道尾水渠開挖的粘土質(zhì)砂礫巖。高程95.00m以下采用石英砂巖、弱微風(fēng)化的石英砂巖夾頁巖等硬巖石渣,以上采用其他渣料和砂礫料。粘土斜墻與壩殼料間設(shè)垂直1.20m厚的反濾層,2.00m厚的天然砂礫料排水帶和過渡層。地基與壩殼料間依次為0.70m厚的粗砂、1.30m厚的天然砂礫料排水帶和0.80m厚的過渡層。斜墻防滲體與壩基間及一級階地段天然砂礫料排水帶下部另設(shè)0.70m厚的粗砂反濾。三種壩段間均設(shè)有過渡段。大壩平面布置見圖1。2水庫邊坡穩(wěn)定分析2.1其他邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況計(jì)算斷面依據(jù)壩高、壩基土層性質(zhì)和壩型選取,分別選取樁號4+450.00、4+100.00為典型斷面(圖2)。燕山水庫地震基本烈度為6度,可忽略抗震計(jì)算,因此壩坡穩(wěn)定計(jì)算不考慮地震工況。其他邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001),包括三種工況:①工況1。施工期的上、下游壩坡;②工況2。穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡;③工況3。水庫水位降落期的上游壩坡。在三種工況中,穩(wěn)定滲流期計(jì)算了三種庫水位時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定和設(shè)計(jì)水位時(shí)的下游坡穩(wěn)定,水庫水位降落期計(jì)算了三種庫水位變化時(shí)的上壩坡穩(wěn)定。2.2壩坡坡厚級設(shè)計(jì)按計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普圓弧法電算,計(jì)算使用中國水利科學(xué)研究院巖土所編制的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB,采用最優(yōu)化法自動(dòng)搜索最小安全系數(shù)和最危險(xiǎn)滑裂面。各種壩料穩(wěn)定計(jì)算所用強(qiáng)度指標(biāo)取自文獻(xiàn),所有工況均采用有效應(yīng)力法計(jì)算,施工期和庫水位降落期均采用總應(yīng)力法計(jì)算,并取有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計(jì)算的較小安全系數(shù)為最終結(jié)果。穩(wěn)定計(jì)算確定的上游壩坡坡比為1∶3.00、1∶3.50,在高程107.40m設(shè)8.00m寬馬道。下游坡分3級,自上而下坡比為1∶2.25、1∶2.50、1∶2.50,在高程107.00m、96.00m設(shè)2.00m寬馬道。根據(jù)規(guī)范要求,2級建筑物正常運(yùn)用條件安全系數(shù)K≥1.35,非正常運(yùn)用條件安全系數(shù)K≥1.25,計(jì)算結(jié)果見表1。由表可知,各斷面上游坡最小安全系數(shù)出現(xiàn)于施