老木孔航电工程胶凝砂砾石堤结构分析

裴 广 超, 周 正 军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

胶凝砂砾石堤是在碾压混凝土筑堤技术和面板堆石筑坝技术的基础上发展起来的一种新堤型,其特点是采用胶凝材料与砂砾石材料拌合筑堤, 使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工[1]。胶结砂砾石坝具有缩小坝体断面、背水面抗冲刷能力强、超标洪水翻坝后不易溃坝等优点,并且可就地取材、减少弃料, 具有安全、经济和保障等特点[2-3]。胶凝砂砾石防护堤可以在满足概算投资的基础上大幅提升防护堤的抗超标洪水风险的能力[4]。国外已建最大堤高107.0 m胶凝砂砾石坝,国内已相继在福建、云南、贵州等地建成多座围堰,经历了过水考验,水利部已将胶凝砂砾石筑堤坝术列为中小型水利工程的推广应用项目。

1 工程概况

老木孔航电工程坝址位于乐山市牛华镇下游约0.7 km的杨花渡口附近,上游距乐山大佛约11.7 km。老木孔航电工程以航运为主,结合发电,工程为二等大(2)型工程,航电工程库区河谷开阔,心滩、边滩发育,要使该段航道达到Ⅲ级航道标准,依靠河道整治难度太大。因此,只有依靠修建拦河闸坝、库区防洪堤以形成水库拦蓄洪水,再通过航道疏浚达到Ⅲ级航道标准。左右两岸防洪堤总长约17.76 km,防洪堤防洪标准为20 a一遇洪水标准,堤防工程等别为4级,代表堤型为胶凝砂砾石堤,最大堤高16.3 m。

2 胶凝砂砾石堤结构分析

2.1 计算断面

防洪堤设计典型断面见图1。标准断面胶凝砂砾石堤堤顶宽4.5 m,迎水面坡度1∶0.5,背水面坡度1∶0.7。迎水面从外到内为70 cm厚C15加浆振捣防渗层,C4胶凝砂砾石堤体,C4加浆保护背坡,基础采用1.5 m厚C15富胶凝砂砾石。迎水坡防渗层底部为3.00 m长,1.0 m厚C25趾板,向上游接2.25 m长,1.0 m厚C25连接板,然后接防渗墙。计算中选取堤高较大断面进行平面应力变形计算。

图1 防洪堤设计典型断面

2.2 计算模型及方案

根据防护堤剖面和工程地质剖面对胶凝砂砾石的防护堤及地基进行有限元网格划分。计算分析网格采用对覆盖层地基、防渗墙、连接板防护堤分区都进行了精细网格划分。计算防护堤及堤基应力变形分析网格见图2,共包含7 156个节点,3 442个单元。

图2 防护堤及堤基应力变形分析网格

防护堤施工填筑采用水平填筑的方式进行模拟,对于防渗连接板的施工考虑两种方案:方案一是先施工防渗墙和防护堤,待防护堤填筑施工完后施工防渗墙与趾板之间的连接板;方案二是先施工防渗墙,防渗连接板与防护堤同步施工。

2.3 计算理论及材料参数

计算分析中,覆盖层地基选用非线性邓肯E-B模型,防护堤、防渗墙及连接板都选用弹性理论。

计算分析采用的胶凝砂砾石材料参考相关工程经验确定,覆盖层材料的参数采用类似工程参数,混凝土材料的参数根据相关规范和类似工程资料确定。具体采用参数,胶凝砂砾石及混凝土材料参数见表1和覆盖层材料参数见表2。

表1 胶凝砂砾石及混凝土材料参数

表2 覆盖层材料参数

抗压强度:坝体胶凝砂砾石抗压强度最小值为6.00 MPa,富浆胶凝砂砾石为19.00 MPa;正常工况下,按4倍抗压强度安全系数考虑,坝体胶凝砂砾石允许压应力为1.50 MPa,富浆胶凝砂砾石允许压应力为4.75 MPa。

2.4 计算结果分析

2.4.1 方案一计算成果

(1)完建期计算成果。完建期防护堤及堤基的水平位移(顺河向)整体都很小,都处于厘米量级。最大的水平位移出现于防护堤的地基上游堤脚位置,主要产生原因是防护堤的沉降引起的侧向挤出作用。完建期防护堤顺河向水平位移分布图见图3。

图3 完建期防护堤顺河向水平位移分布图(单位:m)

最大沉降区域出现在靠近上游的坝脚位置,以防护堤轴线为界,上游的防护堤堤基的沉降略大于下游的沉降。产生这一现象的主要原因如下:①受防洪堤上游坡要稍陡于下游坡这一几何形态的影响,靠近上游坝脚的压应力高于靠下游坝脚的位置;②计算断面中下游填土较高,下游填筑对堤与地基的侧向约束要强于上游侧。综合这两方面原因,上游堤基的沉降大于下游。最大沉降约为 4.2 cm。完建期防护堤沉降分布见图4。

图4 完建期防护堤沉降分布图(单位:m)

完建期,防护堤及堤基的大主应力量值总体不大,最大值为 0.84 MPa。大主应力的极大值区出现在防护堤的坝踵和坝趾附近。建期防护堤及堤基大主应力分布图见图5。

图5 完建期防护堤及堤基大主应力分布图(单位:Pa)

富浆胶凝砂砾石防渗体靠近坝踵的位置大主应力最大值为0.84 MPa,根据设计要求, 按照 4 倍抗压安全系数考虑, 富浆胶凝砂砾石的容许抗压强度为4.75 MPa,富浆胶凝砂砾石区域的最大应力小于允许抗压强度。防护堤其他区域大主应力值较低,一般小于1 MPa,小于坝体胶凝砂砾石容许压应力1.5 MPa。在完建期,防护堤的大主应力值满足规范[5]中“在任何工况下,胶凝砂砾石坝坝体最大主压应力应小于材料允许压应力”的规定。

防渗墙及连接板的大主应力极大值出现在连接板区域。 大主应力最大值为0.5 MPa。防渗墙大主应力小于 C25 混凝土的允许压应力。完建期防渗墙及连接板大主应力分布图见图6。

完建期, 防护堤及堤基的小主应力的拉应力量值总体不大, 最大拉应力值为0.4 MPa,出现在堤底防渗层区。防渗墙、防渗墙与连接板连接区出现一定的拉应力,但量值很小,基本小于0.05 MPa。完建期防护堤及堤基小主应力分布图见图7,完建期防渗墙及连接板小主应力分布图见图8。

图7 完建期防护堤及堤基小主应力分布图(单位:Pa)

图8 完建期防渗墙及连接板小主应力分布图(单位:Pa)

(2)满蓄期计算成果。满蓄期防护堤及堤基的水平位移(顺河向)基本向下游,量值不大,处于厘米量级。最大的水平位移出现堤顶附近,约为2.4 cm。满蓄期防护堤顺河向水平位移分布图见图9。

图9 满蓄期防护堤顺河向水平位移分布图(单位:m)

满蓄期,沉降分布趋势与完建期基本一致。在水库水推力及压力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.6 cm。出现的位置依旧在坝踵处。满蓄期防护堤沉降分布图见图10。

图10 满蓄期防护堤沉降分布图(单位:m)

满蓄期,防护堤及堤基的大主应力量值总体不大,最大值为 1.28 MPa。大主应力的极大值区出现在防护堤的坝踵附近。满蓄期防护堤及堤基大主应力分布图见图11。

图11 满蓄期防护堤及堤基大主应力分布图(单位:Pa)

满蓄期富浆胶凝砂砾石防渗体靠近坝踵的位置大主应力最大值为 1.28 MPa,根据设计要求,按照 4 倍抗压安全系数考虑, 富浆胶凝砂砾石的容许抗压强度为 4.75 MPa,富浆胶凝砂砾石区域的最大应力小于允许抗压强度。防护堤其他区域大主应力值较低,一般小于1.00 MPa,小于坝体胶凝砂砾石容许压应力 1.50 MPa。在满蓄期,防护堤的大主应力值满足规范中“在任何工况下,胶凝砂砾石坝坝体最大主压应力应小于材料允许压应力”的规定。

防渗墙及连接板的大主应力极大值出现在连接板区域。 大主应力最大值为0.75 MPa。防渗墙大主应力小于 C25 混凝土的允许压应力。满蓄期防渗墙及连接板大主应力分布图见图12。

图12 满蓄期防渗墙及连接板大主应力分布图(单位:Pa)

满蓄期, 防护堤及堤基的小主应力的拉应力量值总体不大, 最大拉应力值为0.32 MPa,出现在堤踵附近。防渗墙、防渗墙与连接板连接区出现一定的拉应力,在0.24 MPa以内。满蓄期防护堤及堤基小主应力分布图见图13,满蓄期防渗墙及连接板小主应力分布图见图14。

图13 满蓄期防护堤及堤基小主应力分布图(单位:Pa)

图14 满蓄期防渗墙及连接板小主应力分布图(单位:Pa)

2.4.2 方案二计算成果

(1)完建期计算成果。完建期防护堤及堤基的水平位移(顺河向)整体都很小,都处于毫米量级。最大的水平位移出现于防护堤的地基下游堤脚位置,主要产生原因是防护堤的沉降引起的侧向挤出作用。完建期防护堤顺河向水平位移分布图见图15。

图15 完建期防护堤顺河向水平位移分布图(单位:m)

最大沉降区域出现在靠近下游的坝脚位置,以防护堤轴线为界,上游的防护堤及堤基的沉降小于下游的沉降。产生这一现象的主要原因在由于上游堤基内修筑有防渗墙限制,防渗墙相对于覆盖层地基具有较高的变形模量。一方面,防渗墙的存在增强了上游堤基的复合变形模量,使得上游堤基的变形模量高于下游堤基。另一方面,防渗墙的存在也限制了堤基向上游发生变形,起到了一定的约束作用。综合这两方面原因,上游堤基的沉降小于下游。最大沉降约为 4.2 cm。完建期防护堤沉降分布图见图16。

图16 完建期防护堤沉降分布图(单位:m)

完建期,防护堤及堤基的大主应力量值总体不大,最大值为 2.87 MPa。大主应力的极大值区出现在防护堤的坝踵附近。完建期防护堤及堤基大主应力分布图见图17。

图17 完建期防护堤及堤基大主应力分布图(单位:Pa)

富浆胶凝砂砾石防渗体靠近坝踵的位置大主应力最大值为 2.87 MPa,根据设计要求, 按照 4 倍抗压安全系数考虑, 富浆胶凝砂砾石的容许抗压强度为 4.75 MPa,富浆胶凝砂砾石区域的最大应力小于允许抗压强度。防护堤其他区域大主应力值较低,一般小于1.00 MPa,小于坝体胶凝砂砾石容许压应力 1.50 MPa。在完建期,防护堤的大主应力值满足规范中“在任何工况下,胶凝砂砾石坝坝体最大主压应力应小于材料允许压应力”的规定。

防渗墙及连接板的大主应力极大值出现在连接板区域。 大主应力最大值为1.00 MPa。防渗墙大主应力小于 C25 混凝土的允许压应力。完建期防渗墙及连接板大主应力分布图见图18。

图18 完建期防渗墙及连接板大主应力分布图(单位:Pa)

完建期, 防护堤及堤基的小主应力的拉应力量值总体不大, 最大拉应力值为0.74 MPa,出现在堤趾板和底防渗层区。防渗墙、防渗墙与连接板连接区出现一定的拉应力,最大值出现在防渗连接板上部,最大拉应力值为0.56 MPa。完建期防护堤及堤基小主应力分布图见图19,完建期防渗墙及连接板小主应力分布图见图20。

图19 完建期防护堤及堤基小主应力分布图(单位:Pa)

图20 完建期防渗墙及连接板小主应力分布图(单位:Pa)

(2)满蓄期计算成果。满蓄期防护堤及堤基的水平位移(顺河向)基本向下游,量值不大,处于厘米量级。最大的水平位移出现堤顶附近,约为3.3 cm。满蓄期防护堤顺河向水平位移分布图见图21。

图21 满蓄期防护堤顺河向水平位移分布图(单位:m)

满蓄期,沉降分布趋势与完建期基本一致。在水库水推力及压力的作用下,沉降的量值有所增加,最大沉降值增大至 4.9 cm。出现的位置依旧在下游的坝脚位置。满蓄期防护堤沉降分布图见图22。

图22 满蓄期防护堤沉降分布图(单位:m)

满蓄期,防护堤及堤基的大主应力量值总体不大,最大值为 3.34 MPa。大主应力的极大值区出现在防护堤的坝踵附近。满蓄期防护堤及堤基大主应力分布图见图23。

图23 满蓄期防护堤及堤基大主应力分布图(单位:Pa)

满蓄期富浆胶凝砂砾石防渗体靠近坝踵的位置大主应力最大值为 3.34 MPa,根据设计要求, 按照 4 倍抗压安全系数考虑, 富浆胶凝砂砾石的容许抗压强度为 4.75 MPa,富浆胶凝砂砾石区域的最大应力小于允许抗压强度。防护堤其他区域大主应力值较低,一般小于1.00 MPa,小于坝体胶凝砂砾石容许压应力 1.50 MPa。在满蓄期,防护堤的大主应力值满足规范中“在任何工况下,胶凝砂砾石坝坝体最大主压应力应小于材料允许压应力”的规定。

防渗墙及连接板的大主应力极大值出现在连接板区域。 大主应力最大值为1.15 MPa。防渗墙大主应力小于 C25 混凝土的允许压应力。满蓄期防渗墙及连接板大主应力分布图见图24。

图24 满蓄期防渗墙及连接板大主应力分布图(单位:Pa)

满蓄期, 防护堤及堤基的小主应力的拉应力量值总体不大, 最大拉应力值为0.97 MPa,出现在堤踵附近。防渗墙、防渗墙与连接板连接区出现一定的拉应力,在0.56 MPa以内。满蓄期防护堤及堤基小主应力分布图见图25,满蓄期防渗墙及连接板小主应力分布图见图26。

图25 满蓄期防护堤及堤基小主应力分布图(单位:Pa)

图26 满蓄期防渗墙及连接板小主应力分布图(单位:Pa)

3 结 论

各工况下防护堤及堤基的水平、竖直变形量值均不大,处于厘米量级;护堤及堤基的大主应力量值总体不大,满足规范中“在任何工况下,胶凝砂砾石坝坝体最大主压应力应小于材料允许压应力”的规定;不同施工方案下防护堤及堤基拉应力有一定差异,先施工防渗墙和防护堤方案优于先施工防渗墙方案,但总体量值均不大,均能满足设计要求。综上,老木孔航电工程胶凝砂砾石防洪堤结构断面设计是合理的。