水库扩建工程主坝设计分析范文

1坝体料力学特性试验

1.1料场

主坝坝体填筑料采用当地砂岩石渣料和泥岩石渣料。砂岩石渣料有斜石坝和牛场寨2个料场。斜石坝有用层为J2s2-4弱风化—新鲜巨厚层砂岩，弱风化砂岩饱和单轴抗压强度8.05～8.57MPa，软化系数0.52，厚度6.9～13.8m；牛场寨有用层为J2s2-4弱风化—新鲜巨厚层砂岩，弱风化砂岩饱和单轴抗压强度7.90～9.77MPa，软化系数0.50，厚度14.9～23.1m。

1.2现场碾压试验

1.2.1初次碾压试验

为了确定坝体填筑标准和压实采用的参数（碾压设备型号、振动频率及重量、行进速度、铺筑厚度、碾压遍数等），对筑坝材料进行不同的铺土厚度、不同碾压遍数和加水与不加水等多种不同工况的现场碾压试验。现场碾压试验选择25t自行式振动平碾，分不加水和加水2种试验工况。加水工况分3种铺土厚度（60、80、100cm），3种碾压遍数（4、6、8遍），1种行车速度（2.5km/h）；不加水工况分3种铺土厚度（60、80、100cm），2种碾压遍数（4、6遍），1种行车速度。从试验成果看，加水工况下的干密度较不加水工况下的干密度高。同一区域不同碾压遍数下，平均干密度值随铺土厚度的变化幅度不完全相同，但总体的变化规律较为相似，平均干密度值随铺土厚度的增加有较为明显的减小，铺土厚度从60cm增加到80cm时的干密度减小幅度较铺土厚度从80cm增加到100cm时要小。平均干密度值随碾压遍数的增加呈规律性的增加，碾压遍数从4遍增加到6遍时的干密度增加幅度较碾压遍数从6遍增加到8遍时要大。

1.2.2补充碾压试验

现场碾压试验完毕后，根据设计要求对砂岩料做补充试验，补充碾压试验铺土厚度80cm和100cm，碾压遍数8遍，激振力390kN。加水量为5.5%（按试验料填筑体积计算），并在上料摊铺过程中洒水，以使洒水更为均匀。从砂岩料的补充试验可以看出，随着激振力的提高，干密度较碾压试验都有0.02g/cm3的提高，说明碾压激振力对干密度值的提高有较为明显的影响。从颗粒级配曲线上也可以看出，试验料破碎情况较碾压试验更为显著，累计平均沉降量的变化趋势与碾压试验变化规律相似。根据现场碾压试验，确定坝体施工碾压参数：砂岩加水、铺土厚度80cm、激振力390kN、碾压8遍，设计干密度2.03g/cm3。

2主坝设计

2.1主坝坝体设计

主坝坝型为沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶高程354.20m，防浪墙顶高程355.60m，最低建基面高程311.50m，最大坝高42.70m。坝顶总长678.15m，坝顶宽7m。大坝上游在高程333.50m以上边坡为1∶2.25，高程333.50m以下至高程323.00m坡度为1∶2.5，再以下为1∶2.75，高程333.50m设宽4.275m马道，323.00m高程设5m宽马道；下游327.00m高程以上边坡为1∶1.9，以下为1∶2，分别在高程340m及327m处设置马道，马道宽度均为2m。沥青混凝土心墙采用直心墙形式，厚度在高程331.0m以上为0.50m，以下为0.70m，墙顶高程为353.40m，高于校核洪水位353.32m。心墙底部2m为渐变段，与混凝土齿槽相接处心墙加厚至1m，混凝土齿槽混凝土采用C20W6，二级配，沥青混凝土心墙与混凝土齿槽采用止水铜片连接，为保证沥青混凝土和混凝土齿槽良好连接，齿槽顶部设反弧，反弧上铺设20mm沥青玛蹄脂。心墙上、下游侧分别设2m厚的过渡层，作为沥青混凝土心墙的持力层和保护层，过渡层至坝基逐渐加厚与基础相接。心墙过渡层后布置水平排水，坝脚设贴坡排水，与水平排水相接。水平排水采用排水条带形式，梯形布置，底宽5.0m，两侧边坡1∶1.2，中间为块石，四周包反滤，沿坝轴线自左向右设有6条排水带。贴坡排水顶高程327m，坡比1∶2，贴坡排水厚度0.5m，采用干砌石砌筑，排水下设2层反滤，每层厚度0.30m。坝脚设纵向排水沟，并在河床坝段设排水沟将主坝渗水导入下游河道。大坝上游面下部采用干砌块石护坡，上部采用混凝土预制块护砌；坝体下游面采用草皮护坡。坝体分为上游石渣区、上游临时挡水断面、沥青心墙、心墙过渡层和下游石渣区。心墙过渡层料、反滤料、水平排水、贴坡排水等均采用强度较高的灰岩石料。上游临时挡水断面采用复合土工膜临时防渗。坝壳料采用强度较高的砂岩石渣料填筑。心墙过渡料设计干密度2.10g/cm3，根据《重庆玉滩水库扩建工程现场碾压试验报告》确定砂岩石渣料干密度不小于2.03g/cm3，铺土厚度80cm，碾压8遍。为控制施工期沉降，满足加快施工进度要求，主坝心墙施工一、二期填筑高程统一后，主坝下游过渡料设计干密度由2.10g/cm3调整为2.15g/cm3；石渣料设计干密度由2.03g/cm3调整为2.07g/cm3。下游石渣料每层虚铺厚度为60cm，最大粒径为45cm。坝壳石渣料渗透系数不大于1×10-3cm/s。反滤料要求相对密度不小于0.70。

2.2主坝有限元分析

玉滩水库主坝分别进行二维、三维有限元计算。沥青混凝土心墙和坝体填筑体采用邓肯-张（Ducan-Chang）E-B非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟；沥青混凝土心墙与过渡层的接触面采用薄层接触面单元模拟。分析主坝二维、三维有限元计算结果，有下列结论：（1）由于坝轴线较长，沿坝轴线方向地形变化较缓，主坝的河谷三维效应很小，坝体应力位移的最大值发生在最大断面坝段，即桩号0+180至桩号0+300的坝段。该坝段范围内的二维和三维计算结果基本一致。（2）坝体在自重作用下的沉降量最大为30cm，沉降变形在坝高的1％以内；蓄水后，由于上游侧坝壳浮力的作用，坝体沉降略有减小，为28cm。竣工期坝体的向下游的水平位移最大为14cm；蓄水后，由于水压力的作用，坝体向下游的水平位移增加到21cm。整个坝体的应力分布较好：竣工期坝体绝大部分区域应力水平都较小（小于0.5MPa）；蓄水期，除心墙上游侧临近区域应力水平达到0.9MPa外，坝体其它区域的应力水平较小（小于0.6MPa）。（3）竣工期沥青混凝土心墙的水平位移很小，沉降较大，沉降最大值约29cm，发生在最大断面坝段的心墙中部。蓄水期，由于水压力的作用，沥青混凝土心墙发生向下游的水平变形，位移最大约为20cm，发生在最大断面坝段的心墙上部。竣工期，沥青混凝土心墙的应力接近自重应力分布，大主应力最大值约1MPa，小主应力最大值0.35MPa。蓄水期，除墙底部应力略有减小外，其它部位沥青混凝土心墙的应力混凝土竣工期一样，接近自重应力分布，大主应力最大值约0.9MPa，小主应力最大值0.42MPa。无论竣工期还是蓄水期，沥青混凝土水平的应力水平都较小，均小于0.4MPa。用应力水平来评价沥青混凝土心墙的安全性，则沥青混凝土心墙有较大的安全裕度。

3主坝基础处理

本工程主坝采用沥青心墙石渣坝，大（2）型水库，根据规范，基础透水率应控制在5Lu以下。透水率q大于5Lu的底界高程为：左坝肩304m；右坝肩310m；河床274m。根据地质建议，心墙及反滤层部位基础开挖至弱风化中下部岩体，其余部位适当放宽，开挖到弱风化上部。心墙下布置灌浆帷幕，与心墙相连，形成坝体、坝基的防渗体系。采用单排幕，孔距2m。坝基相对不透水层按透水率小于5Lu控制，防渗帷幕伸入相对不透水层5m。主坝帷幕长724.40m，下限高程左岸为295m，河床270m，右岸305m。根据《帷幕灌浆试验报告》确定帷幕灌浆孔距2.0m，灌浆压力是根据地质情况、孔序情况控制0.5～1.2MPa。坝基防渗帷幕在左岸与溢洪道控制段防渗帷幕连成一体，右岸与单薄分水岭防渗幕体相接。为加强坝基基岩的整体性及心墙基座与基础的紧密连接，在心墙下设2排固结灌浆孔进行固结灌浆，灌浆孔距3.0m，孔深6.0m。

4结语

（1）玉滩水库2008年开工建设，2010年底主坝填筑到坝顶，2012年水库正常蓄水，目前大坝运行良好，经受了洪水考验。（2）玉滩枢纽主坝采用沥青混凝土心墙软岩石渣坝。软岩作为介于土、石之间的一种材料，其性状有别于土、石，理论基础相对较为薄弱，但对于缺少理想筑坝料源的地区来讲，其利用和推广有着广阔的空间。随着土工试验技术、大型土工试验仪器的发展以及大功率震动平碾的使用，对筑坝材料的限制也在逐步的突破和放宽，并尝试采用任意石渣料筑坝。软岩筑坝技术在国内外坝工界也在逐渐起步，一些大坝将软岩开挖料布置在下游坝体干燥区，达到了一定的节省投资目的。玉滩水库主坝采用了坝壳全断面软岩填筑技术，对其他此类坝均有借鉴意义。

作者：陆永学时铁城李娅李浩瑾单位：黄河勘测规划设计有限公司天津设计院中水北方勘测设计研究有限责任公司