混凝土面板堆石坝坝体设计及位移模拟

常陆军

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

新地沟水库位于新疆天山北坡中部，主要以保证灌区的灌溉、防洪及工业供水为主。该水库坝址位于新地乡新地沟河近出山口处，为一座拦河式山区水库，属Ⅳ等小(1)型水库工程。工程由大坝、导流放水冲砂隧洞、溢洪道等组成，总库容500万m3，水库设计洪水标准50 a一遇。经实地考察，该水库大坝可采用三种基本坝型：黏土心墙坝、沥青心墙坝、混凝土面板堆石坝[1]。从天然建筑材料储量、地质地形条件比较，三者均无制约因素，在此从大坝抗震及安全性、施工条件、工程投资等方面进行比较论证[2]，确定本工程采用混凝土面板堆石坝坝型，见表1。

表1 三种坝型对比

2 坝址区地质条件

新地沟水库位于新地沟近出山口处，河谷为不对称“U”形，谷底宽度为60～150 m，两岸海拔高程为1786～2000 m，相对高差约210 m，属中山区，并随河流方向呈南高北低，纵坡为6%。库区出露的地层主要为石炭系(C3bgb-2)和第四系松散堆积物。

2.1 石炭系(C3bgb-2)结构

石炭系主要分布在新地沟沟口以南地区，为一套浅海相碎屑岩和碳酸盐岩，岩性为灰、灰黑、灰绿色薄-中厚层状砂岩、灰岩、生物灰岩、砂质灰岩、钙质砂岩、粉砂岩、砂砾岩夹凝灰质粉砂岩，总厚度约350 m。

2.2 第四系松散堆积物结构

第四系松散堆积物包括洪积层、堆积层、冲积层。根据地质报告，堆积层孔隙潜水埋深为0.5～1.5 m，局部产生地下水溢出形成泉水，其他岩层透水率均小于1 Lu，属微透水，因此，水库蓄水不会产生邻谷渗漏问题。

3 混凝土面板堆石坝坝体设计

3.1 坝坡设计

(1)坝体上游坝坡设计为1∶1.60，钢筋混凝土面板防渗，混凝土板底部设10 cm厚M10砂浆垫层；下游坝坡设计为1∶1.55，设计预制混凝土网格护坡，内填干砌石，设两级台阶。其中面板厚度d计算见式(1)[3]，经计算得出d的范围在0.35～0.45 m之间。

d=0.3+0.003H

(1)

式中：H为坝体最大水头，m。

为提高混凝土面板堆石坝抗震性及安全性，本项目混凝土面板配置单层双向钢筋，起限裂、控制温度裂缝作用，含钢筋率为每向0.4%。为适应坝体变化，对两岸坝肩附近面板设张性垂直缝，间距6.0 m；坝体上压性垂直缝间距为12.0 m，垂直缝和周边接缝均设计两道止水[4]。

(2)坝顶设1.2 m高钢筋混凝土防浪墙，坝顶高程1751.80 m，最大坝高65.98 m，坝顶长470.0 m，坝顶宽6.0 m，设2%坡倾向下游，铺设10 cm厚沥青路面。

3.2 坝体分区

根据混凝土面板堆石坝分区原则，坝体分区自上游起依次为垫层料、过渡料、主堆石料、次堆石料、弃料堆石区。

(1)垫层料区：位于混凝土面板下部，起着支撑面板、均匀传递水压力、防止面板和伸缩缝破坏的作用[5]。本项目要求垫层料自身渗透稳定，不会产生渗透变形破坏，确定水平宽度均为3.0 m。垫层料沿两岸基岩接触面向下游适当扩大，延长长度为8 m，dmax=80 mm，小于5 mm含量为30%～50%，小于0.075 mm含量不大于8%，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s，设计相对紧密度dr≥0.85。

(2)过渡料区：位于垫层区下部，起着均匀传递水压力、对垫层起反滤保护作用。并防止垫层区中的细料被冲蚀带走而引起沉陷变形，水平宽度为4.0 m。要求dmax<150 mm，级配连续，设计相对紧密度dr≥0.85。

(3)主堆石料区：砂砾料区位于过渡料区下游，为坝体的主要承力区，坝体填筑控制指标砂砾料相对密度为dr≥0.85。

3.3 坝基处理

河床段及左岸阶地坝基设计采用混凝土防渗墙，深入基岩面1 m以上，设计墙厚60 cm；基岩面深度1 m以下采用帷幕灌浆防渗，布置一排灌浆孔，孔距2.0 m，控制灌浆深度至基岩面以下5 Lu 线位置[6]，本工程帷幕灌浆最大处理深度25 m(坝体断面见图1)。

图1 坝体断面结构示意图

4 位移模拟分析

坝体设计完成后，利用ANSYS有限元软件对坝体各时期的位移进行模拟，以保证坝体的安全性及稳定性，也验证设计是否科学合理。

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 模拟参数选取

为方便计算，将坝体化为平面应变体系，顺水方向为X轴，底部边界为固定约束。静力计算分两个工况：竣工期、稳定蓄水期。坝体各分区力学参数见表2。

表2 各分区力学参数选取

4.1.2 建立模型

模型遵循“库伦-摩尔”准则，面板采用线性本构模型。模型构建采用8节点四边形单元，共有结点19 595个，块体个数6420，具体模型见图2。

图2 有限元模拟模型

4.2 位移量模拟分析

4.2.1 竣工期坝体位移量分析

由图3可知，大坝竣工后竖直方向沉降量最大约为65.91 mm；水平方向位移量最大为10.77 mm，均符合相关规范要求。坝体建成后通过实地观测，其竖直沉降量最大为67.10 mm，水平位移量最大值11.21 mm，均和模拟值相差无几，说明了模拟的准确性。

图3 竣工期竖直(左)和水平方向(右)位移量

4.2.2 正常蓄水期坝体位移量分析

在蓄水期(见图4)，坝体竖直方向最大沉降量为80.48 mm，比竣工期增加了14.57 mm，位于大坝顶部；水平方向位移量最大为10.27 mm，相比于竣工期向上游方向移动了0.94 mm，说明在静水压力作用下，对坝体上游水平位移影响较大，但位移量均符合相关要求。

图4 蓄水期竖直(左)和水平方向(右)位移量

5 结 语

新地沟水库坝体工程是重要项目，参照其他工程设计的混凝土面板堆石坝各项参数，经模拟完全符合各项要求，并符合因地制宜原则。新地沟水库工程建成使用后，各项指标均达到设计要求，运行状况良好，取得了较好的社会经济效益，较好地解决了当地灌溉和防洪问题。