混凝土面板堆石坝高趾墙计算分析

余锦地，虞 鸿

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

某水库工程大坝左岸岸坡段趾板基础开挖后遇较大断层带，地质条件较差，需进行局部挖除处理，对开挖后的边坡进行回填处理，设C20混凝土高趾墙，趾墙最高处达15 m。根据SL 228 — 2013《混凝土面板堆石坝设计规范》要求，趾板厚度超过2.00 m或采用趾墙时，应进行稳定计算和应力分析。高趾墙的稳定、应力计算参照SL 319 —2005《混凝土重力坝设计规范》的要求执行。稳定计算可采用刚体极限平衡法，应力分析可采用材料力学法，必要时应采用有限元法进行应力变形分析[1]。

图1 大坝标准断面图 单位：m

2 工程概况

工程为新建水库，总库容983万m3，拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程365.50 m，防浪墙顶高程366.60 m，最大坝高61.50 m，坝顶长度140.00 m，坝顶宽度6.00 m，上下游坝坡均为1:1.3。下游坝坡分别在高程346.00 m和326.00 m处设置马道，马道宽2.00 m。坝体堆石分区填筑、分层碾压。下游坝脚采用开挖料回填至310.00 m高程。面板采用C25W8F100钢筋混凝土结构，厚度为40 cm；趾板采用C25W8F100钢筋混凝土结构，其宽度为5.00 ~ 4.00 m，厚度0.50 m，坝体接缝处均设置止水系统。趾板基础以及两岸坝头均进行固结和帷幕灌浆处理。大坝标准断面见图1。

坝址基础岩性为侏罗系上统大爽组（J3d）流纹质玻屑熔结凝灰岩，变余凝灰结构，流纹构造，角岩化，新鲜岩石致密、坚硬。河床段覆盖层为第四系全新统冲洪积砂砾卵石层，含有漂石。两岸还分布第四系全新统残坡积含碎石粉质黏土和块石层。趾板沿线主要断层共2处，断层破碎带宽1.50 ~ 2.00 m，由压碎岩及断层泥组成。节理发育共18组，走向以北西向为主，大部分节理面平直光滑无填充，少数节理裂隙面扭曲方解石薄膜填充或黄色泥质填充，岩石破碎。

3 材料力学法计算分析

3.1 计算工况及荷载

计算工况选用运行期设计洪水位和完建期2种工况，墙前设计洪水位363.09 m，墙后341.56 m。荷载主要包括挡墙自重、挡墙上部水重、土压力、水压力、扬压力，其中土压力采用库伦主动土压力公式进行计算。

3.2 地质设计参数

（1）墙后回填土指标：天然容重22 kN/m3，c = 0 kPa，φ = 50°。

（2）地基土指标：底板与弱风化基岩抗剪断摩擦系数f ′ = 0.9，粘结力 c′ = 800 kPa。

3.3 稳定计算

根据SL 319 — 2005《混凝土重力坝设计规范》的要求，挡墙抗滑稳定安全系数（按抗剪断系数进行计算）正常运用条件时应不小于3.00。

挡墙抗滑稳定安全系数计算公式：

3.4 抗倾稳定计算

根据SL 319 — 2005《混凝土重力坝设计规范》的要求，抗倾稳定安全系数正常运用条件时应不小于1.50。

抗倾稳定计算公式：

3.5 基底应力计算

挡墙基础为弱风化基岩，允许承载力为1 500 kPa。根据SL 319 — 2005《混凝土重力坝设计规范》，在各种计算情况下，挡墙最大基底应力不大于地基允许承载力。

挡墙基底应力计算公式：

3.6 计算结果分析

典型断面在运行期、完建期时稳定及应力计算成果见表1。

表1 趾墙稳定及应力计算成果表

表1计算结果显示，趾墙抗滑、抗倾稳定安全系数满足规范要求，趾墙最大地基应力不大于地基允许承载力，且未出现拉应力，满足规范的要求。

4 有限元法应力复核

采用荷兰Plaxis公司开发的大型岩土工程有限元设计计算软件Plaxis v8.2对趾墙基底应力进行复核。建模范围上游取1倍坝高，基础2倍坝高。按平面应变问题建立模型，采用15节点三角形单元划分基岩，混凝土趾墙和堆石体，采用梁单元模拟面板，趾墙和基岩间、面板与堆石间分别建立接触面[2]，共计5 669个节点，678个单元。网格划分见图2。计算采用的参数见表2 。

图2 模型网格图

表2 计算材料参数表

计算初始地应力场后，按以下施工过程进行模拟：①过程1：30 d浇筑混凝土趾墙；②过程2：270 d填筑坝体，并激活堆石与混凝土趾墙界面；③过程3：安装面板，并激活面板与堆石间界面；④过程4：水位上升至设计洪水位，进行流固耦合计算[3]。

各阶段的主要计算结果见图3 ~图8。典型断面在完建期、运行期时应力计算成果见表3。

图3 趾墙浇筑完成有效应力等值线图

图4 基底有效正应力分布图（最大正应力81 kPa）

图5 坝体填筑完成后有效应力等值线图

图6 坝体填筑完成后基底有效正应力图（最大压应力948 kPa）

图7 达到设计洪水位后基底变形图（最大位移2.45 mm）

表3 趾墙应力计算成果表

根据有限元计算结果，趾墙基底在整个模拟阶段均处于弹性区，未发现塑性点；基底变形小，蓄水前后各点均处于受压状态。

5 结 语

（1）趾墙抗倾覆稳定性受库水位升降影响较为明显，在库水位上升过程中，抗倾覆稳定逐渐降低，至设计洪水位时，抗倾覆稳定安全系数最低；

图8 达到设计洪水位后基底有效正应力图（最大压应力750 kPa）

（2）趾墙基底应力受库水位升降影响较小，蓄水前后趾墙最大地基应力不大于地基允许承载力，且未出现拉应力；

（3）计算分析结果表明，在库水位升降作用条件下，高趾墙仍可保持稳定状态，不会产生倾覆、滑移现场，对坝体稳定性无影响；

（4）鉴于蓄水后趾墙基底压应力有所减小，为防止可能出现的拉应力，可采用适当的工程措施（如锚杆、灌浆等），保证安全余度。