浆砌石框格填碴坝受力特性分析

傅长锋 任德记 李洋波 刘迪安

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250 2.三峡大学土木水电学院，湖北 宜昌 443002）

一、前 言

框格填碴坝是在硬壳坝的基础上发展起来的一种坝型。这种坝是沿坝长修成若干浆砌石隔墩，沿坝高在隔墩上建成若干砌石拱圈，整个坝内形成一些框格，格内填石碴。框格填碴坝除具有硬壳坝的主要优点外，还有以下特点：

1.与硬壳坝相比，节省浆砌石方量，基本上消除扬压力。

2.当坝体发生局部开裂时，具有调整应力的特点，能使应力重新分布。

3.结构复杂，是较薄构件的高次超静定体系，应力和变形都难计算和控制，虽然进行过许多科学试验研究，但尚未形成适合砌体特性的系统设计理论。

4.施工较复杂。

二、 小龙潭水库大坝现存问题与加固

河北省小龙潭水库始建于1972年，总库容700万m3，水库拦河坝坝型为浆砌石框格填碴重力坝，最大坝高39.6m，坝长217.5m。坝顶高程118.20m，防浪墙顶高程119.20m，最大坝高39.80m；开敞式溢洪道堰顶高程114.80m，净宽36.00m，最大泄量310m3/s；正常蓄水位114.80m，相应下游水位84.60m；设计洪水位117.20m，相应下游水位85.50m；校核洪水位118.00m，相应下游水位86.00m；汛限水位114.80m（平溢洪道堰顶高程）；死水位89.30m，淤沙高程85.00m。

坝体段由5层浆砌石拱格组成，沿坝轴线方向分成10m一格，两侧肋墩宽2m，伸缩缝处宽1.5m。坝体迎水面设3.25m厚的浆砌石护墙（坡度1:0.1），护墙后设0.70m厚的钢筋混凝土隔水板，隔板后为0.60m厚的浆砌石模板墙；坡度背水面为2m厚的浆砌石斜墙（坡度1:0.9）。坝内框格第一层高8m，第二、三层高7m，第四层高6m，第五层高5m，格内净宽8m，伸缩缝两侧部分格内净宽7.50m。格内填筑砂卵石料，横隔采用1m厚的浆砌石拱，矢跨比1:8。由5层浆砌石拱格组成，格内填筑砂卵石料。断面尺寸如图1。

图1 坝体横断面剖面图

1.存在的主要问题

（1）坝体不稳定。现状拦河坝在设计、校核洪水条件下，坝踵出现拉应力，各种工况的坝体抗滑稳定安全系数都小于规范值。

（2）拦河坝渗漏严重。虽经多次灌浆加固，仍未得到解决，至今不能正常蓄水运用。

2.坝体加固设计方案

（1）坝体稳定加固设计

在拦河坝上游坝面贴C15混凝土平台，分两层，底层平台底宽6m，高5m，上层平台宽4m，高10m，上接坝面防渗面板，防渗面板从坝体加固平台顶高程93.6m开始向上浇筑，直至坝顶高程118.2m。面板厚度沿坝体高度变化，底部加固平台以上最大厚度为2.0m，顶部最小厚度为1.0m，每10m分一条竖缝，缝内设置一道紫铜片止水，为防止面板混凝土开裂采用纤维混凝土。

为保证混凝土防渗面板与基础的良好结合，防止结合面处渗漏，在结合面处进行接触灌浆，灌浆孔距混凝土基础平台上游边1.0m。

（2）坝体防渗漏设计

为了封堵坝基、两岸坝肩和溢洪道岩体裂隙渗水，增强坝身的稳定性，对河床坝基、两岸坝肩及溢洪道基岩进行帷幕灌浆。河床段的防渗帷幕轴线布置在坝前宽6m高5m的混凝土平台上，帷幕轴线距加固平台上游面1.0m。两岸坝肩部位的帷幕灌浆轴线同样布置在距坝体加固平台上游面1m的位置，左岸顺坝肩基岩面上升到坝端，并沿左岸山体114.8m高程延伸至F1断层外5m。右岸顺坝肩基岩面一直延伸至溢洪道右端外10m。坝基深层防渗主要是切断岩体层间破碎带，帷幕灌浆孔深根据破碎带及坝高综合考虑确定为0.6倍坝高，并进行坝前贴平台、坝面贴坡等加固措施。

图2 加固前下游去护坡立视图

图3 加固后的坝体立视图

三、三维有限元法坝体应力计算

1.计算模型与假定

（1）计算模型

选取河床段坝体，由于坝体伸缩缝的影响，坝体每一段各自独立，垂直方向上受到重力，顺水流方向受到水推力，坝轴线方向只存在应变，应力在伸缩缝处释放。所以取40m坝段（4个整格）作为计算模型。图2为加固前去掉下游护坡的三维模型。

所选坝体建基面深度根据规范取1.5倍坝高。上下游各取1.0倍的坝高，在坝基的上下游面上施加法向约束。坝轴线方向左、右侧分别增加相邻坝段的坝基宽（40m）进行应力计算，应用左、右两段坝基的自重来代替坝轴线方向的约束来模拟坝体约束。坝基在竖直方向只受到自重的作用，顺水流方向受到由坝体传递的水平推力，坝轴线方向的坝基分别向左右两侧传递应力。这样可以比较真实的模拟坝段的受力状况（如图3）。

（2）计算假定

①浆砌石框格内填充的砂卵石为非弹性材料，计算时将砂卵石的作用以荷载形式加于坝体。

②浆砌石及灰缝采用统一的弹性材料进行模拟，块石标号300# ～ 400#，砌筑砂浆标号75#，其物理参数参照《浆砌石坝设计规范》取值。

③坝基础为白云质灰岩用弹性体模拟。

④防渗墙为140#混凝土（老标号），考虑混凝土的老化，计算时对其换算，采用C10混凝土强度模拟。

⑤考虑到坝段之间设有伸缩缝，所选边界条件为坝段在横截面无约束，竖向看作悬臂梁，岩基面上施加三向固定约束。

⑥X方向为坝轴线方向，正视图中向右为正。Y方向为坝体铅直方向，以向上为正。Z方向为水流方向，以顺水流方向为正。

2.单元划分

模型采用实体单元进行线弹性分析，材料定义为各向相同的弹性材料，采用SOLID45号单元，进行映射网格剖分。单元信息见表1。

单元划分误差估计采用StruErrEnrg SERR检验，经检验未出现结构离散能量误差较大的区域，单元划分可行。

3.荷载与组合

根据小龙潭水库原设计条件及水库大坝运行现状，拟定计算工况及荷载组合，对坝体结构进行抗滑稳定、坝体强度应力验算。计算工况及荷载组合详见表2。

4.计算成果列表（见表3、表4）

表1 单元信息

表2 坝体计算工况及荷载组合表

表3 坝体各工况剪应力（τxz）统计表 单位（MPa）

表4 各工况重要部位正应力统计表 单位（Mpa）

表5 各工况重要部位最大位移统计表 单位（mm）

四、材料力学法坝体应力计算

框格填碴坝是从重力坝、支墩坝发展而来的，它的受力特点与支墩坝相近，可采用材料力学法作为分析框格填碴坝坝体应力的基本方法。框格填碴坝除分层、分格计算局部稳定外，还应取两伸缩缝间的坝段，计算整体抗滑及抗倾稳定性。坝体建基面抗滑稳定计算采用抗剪和抗剪断两种方法进行。

1.计算模型与假定

选取坝体建基面及两个薄弱断面进行稳定计算，坝段选取40m，建基面断面为矩形，薄弱断面为“工字形”。坝基扬压力折减系数取0.7。其它基本资料、荷载及其组合同前述，加固前、后计算方法相同。

2.计算成果列表（见表6）

表6 材料力学法计算成果表

五、小龙潭水库大坝坝体应力分析

1.加固前

坝踵的竖直正应力：空库时为压应力2.397MPa，正常蓄水时压应力减小，设计洪水位时出现了0.217MPa的拉应力，校核洪水位时拉应力最大为0.337 MPa；顺水流方向应力：在空库时为0.529 MPa的压应力，随着库水位的上升压应力减小并逐渐发展为拉应力，到校核洪水位时拉应力达到0.247 MPa。

坝趾的竖直正应力都为压应力，随着水位的上升压应力逐渐增大，在校核洪水位时压应力最大为3.764MPa；顺水流方向是随着库水位的上升压应力逐渐增大，在校核洪水位时应力最大为0.816MPa。

防渗墙竖直正应力各种工况下均为压应力，空库时的应力最大为1.381 MPa，随库水位的上升，应力逐渐减小；顺水流方向：空库时拉应力为0.339 MPa，随水位的上升出现压应力，校核洪水位时压应力为0.639MPa。

小龙潭水库大坝坝踵、防渗墙部位出现了拉应力，不满足设计规范要求。有限元计算成果与材料力学法的计算成果比较略有差异，但坝体受力的变化趋势基本相同。

2.加固后

原坝踵的竖直正应力：空库时为压应力0.540MPa，随着水位的上升压应力逐渐增大，校核洪水位时压应力最大为0.689Mpa。与加固前比较坝踵的正应力减小，设计洪水位，校核洪水位出现的拉应力消失，加固平台在各种工况下没有出现拉应力，满足规范要求。

坝趾的竖直正应力都为压应力，随着水位的上升压应力逐渐增大，在校核洪水位时压应力最大为2.77MPa；顺水流方向是随着库水位的上升压应力逐渐增大，在校核洪水位时应力最大为0.735MPa。加固前、后应力变化趋势相同，加固后各种工况下坝址的压应力均减小。

防渗墙竖直正应力均为压应力，空库时的应力为1.21MPa比加固前减小，顺水流方向：空库时压应力为0.322MPa。

坝体加固后在设计洪水位、校核洪水位时坝踵部位出现的垂直向拉应力消失，加固平台在各种工况下也未出现垂直向拉应力，坝体剪应力较加固前减小，说明加固效果明显，加固方案可行。

六、结 语

坝体为高次超静定结构，用材料力学法计算坝体应力，由于假定条件多，尤其是未能考虑基岩变形对坝体应力的影响，造成坝体的计算应力与实际应力值有较大差别[5]，而采用弹性力学有限元法计算坝体应力就比较好地解决了这一问题。

框格式浆砌石坝采用有限元法计算，考虑了坝基变形对坝体应力影响，与材料力学法计算成果比较，受力的变化趋势基本一致，但绝对值均明显减小。

框格填碴坝由砌体框格和填料组成，是一种构造复杂的坝型，它的应力分析本质上是三维问题，不宜用刚体平衡理论计算其稳定安全性。

框格填碴坝既是一种很有经济价值的坝型，又是受力条件较复杂的结构，为了进一步论证加固方案的实用性，要关注工程加固后的运行状态。

[1] 郑旌辉 纪清岩 王文禧. 浆砌石框格填碴坝应力分析[J]. 海河科技. 1991.

[2] 华东水利学院主编. 水工设计手册[M]. 第四卷:土石坝. 中国水利水电出版社. 1984.

[3] 河北省水利水电勘测设计研究院. 河北省小龙潭水库除险加固工程初步设计报告[R]. 2004.

[4] SL25-2006. 砌石坝设计规范[S]. 中华人民共和国水利部. 2006.

[5] 王文禧 郑旌辉等. 框格填碴坝的结构计算和经济分析[J].海河科技. 1988.