台阶状混凝土垫层在面板堆石坝坝顶溢洪道中的运用研究.pdf

第 3 9卷第 4期 2 0 1 3 年4 月 水 力 发 电 合 阶 状 混 凝 土 垫 屡 在 面 板 堆 石 坝 坝 顶 溢 洪 道 中 的 运 用 研 究 曹 骏 日 假 ( 贵州省水利水 电勘测设计研 究院，贵州 I 贵 阳 5 5 0 0 0 2 ) 摘要 ：混凝土面板堆石坝坝顶溢洪道坝坡稳定是溢洪道安全运行 的前提 工程 中主要通过在泄洪底板上设置水 平 锚拉结构解决抗滑稳定问题 ，但存在一些不足 。白河沟面板堆石坝坝顶溢洪道在实践 中创造性地采用了 台阶状混凝 土垫层 ，避免 了溢洪道斜坡滑动状态 ，成功解决 了水平锚拉结构在坝顶溢洪道运用 中存在 的问题 。结构分析及有限 元计算结果 表明 ，坝顶溢洪道结构变形和应力值均较小 ，抗滑稳定满足要求 。 关键词 ：台阶状混凝 土垫层 ；坝顶溢洪道 ；坝坡稳定 ；白河沟面板堆石坝 S t u d y a n d Ap p l i c a t i o n o f S t e p s h a p e d Co n c r e t e Cu s h i o n i n Cr e s t S p i l l wa y o f Co n c r e t e F a c e Ro c k fi l l Da m C A0 J u n ( G u i z h o u S u r v e y &D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 2 ， G u i z h o u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s l o p e s t a b i l i t y o f c r e s t s p i l l wa y i n c o n c r e t e f a c e r o c k fi l l d a m i s t h e p r e mi s e o f t h e s a f e o p e r a t i o n o f s p i l l w a y I n p r a c t i c e ， t h e s l i d i n g s t a b i l i t y o f t h i s s p i l l w a y s l o p e i s p rima ri l y g u a r a n t e e d b y i n s t a l l i n g l e v e l a n c h o rin g s t r u c t u r e s o n t h e f l o o r , b u t t h e r e a r e s o me s h o r t c o mi n g s T h e s t e p - s h a p e d c o n c r e t e c u s h i o n i s c r e a t i v e l y u s e d i n t h e c r e s t s p i l l wa y o f Ba i h e g o u C F RD， w h i c h c a n e l i mi n a t e t h e s l i d i n g o f s p i l l w a y s l o p e a n d s u c c e s s f u l l y S o v e t h e p r o b l e m o f l e v e l a n c h o rin g s t ruc t u r e T h e s t ruc t u r a l a n a l y s i s a n d fi n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t ruc t u r e d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s e s o f c r e s t s p i l l wa y a r e s ma l l e r a n d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s l i d i n g s t a b i l i t y Ke y W o r d s ： s t e p - s h a p e d c o n c r e t e c u s h i o n ； c r e s t s p i l l w a y ； d a m s l o p e s t a b i l i t y ； Ba i h e g o u C o n c r e t e F a c e Ro c k fi l l Da m 中图分类号 ： T v 6 5 1 1 ( 2 7 3 ) 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 3 7 0 3 0 引言 对 岸边 溢 洪 道 布置 困难 ，单 宽 泄洪 流 量 不 大 的 中 、低 面板 堆 石 坝 ，在 坝 顶 布 置溢 洪 道 可避 免 高边 坡 处 理 ， 降 低 工 程 投 资 。 由 于 坝 顶 溢 洪 道 泄 槽 底 板 直 接 坐 落 在 陡 峭 的 堆 石 坝 下 游 坝 坡 上 其 抗 滑 稳 定 是 工 程 需 要 解 决 的难 题 。 目 前 工 程 上 坝 顶 溢 洪 道 的 稳 定 措 施 主 要 为 在 泄 槽 底 板 上 设 置 水 平 锚 拉 结 构 ，包 括 水 平 锚 拉 钢 筋 、水 平 阻 滑 板( 如 克 罗 蒂 坝 、榆 树 沟 )或 混 凝 土 地锚( 如桐 柏 ) 。通 过 水 平 锚 拉 结 构 将 泄 槽 底板 “ 悬 挂 ”在 下 游 坝 坡 上 。水 平 锚 拉 结 构 依 靠 与 堆 石 料 之 间 的 摩 擦 力 阻 止 泄 槽 底 板 的 滑 动 ，这 就 要 求 堆 石 料 填 筑 密 实 。 但 观 测 资 料 表 明 ：运 行 期 堆 石 坝 体 内部 在 各 高 程 上 沉 降 量 是 不 一 致 的 【 2 l ， 即水 平 锚 拉 结 构 顶 部 和 底 部 的沉 降 量 是 不 同 的 ，因 而 不 可 避 免 地 造 成 堆 石 料 与 水 平 锚 拉 结 构 之 间存 在 一 定 程 度 的 脱 空 ，致 使 摩 擦 力 减 小 ，降 低 泄 槽 底 板 的稳 定 性 。 白河 沟 面 板 堆 石 坝 坝 顶 溢 洪 道 在 实 践 中 创 造 性 地采 用 了 台 阶状 混 凝 土垫 层结 构 ，避 免 了泄槽 底 板 与 堆 石 料 之 间 的 斜 坡 滑 动 状 态 ，成 功 地 解 决 了水 平 锚拉 结构 在坝 顶溢洪 道运 用 中存在 的 问题 。 1 工程概况 白河 沟 水 库位 于 贵 州省 盘 县 江浪 河 上 ，总库 容 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 7 0 5 作者简介 ：曹骏 ( 1 9 6 8 一 ) ，男 ，贵州 贵阳人 ，高级工 程师 ，副 总工程师 ，硕 士 ，主要从事水利 水电设计 、咨 询及管理工作 W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 4豳 1 6 7 0万 m 正 常 蓄水 位 1 8 4 0 m。工程 于 2 0 0 9年 5月开 工 ，现 已基 本 完 工 。枢 纽 由面 板堆 石 坝 、坝 顶 溢洪 道和泄 洪洞 等建 筑物组 成 。 面 板 堆 石 坝 最 大 坝 高 5 9 4 m，坝 顶 宽 8 m， 上 、 下 游 坝坡 均为 1 ： 1 4 。坝体 堆石 料 为易 碾 压密 实 的灰 岩 爆 破 料 。 大 坝 设 计 抗 震 烈 度 为 度 ， 为 满 足 抗 震 要 求 ， 下 游 坝 坡 除 采 用 混 凝 土 预 制 块 护 坡 外 ，在 堆 石料 靠近 下游 坝坡段 还设 置 了土工格 栅 。 2 坝顶溢洪道布置 坝 顶溢 洪 道 布置 于 面板 堆 石 坝左 岸 坝段 ， 由溢 流堰 、泄槽 和 挑流鼻 坎组 成 其纵 剖面如 图 1所示 。 溢 流 堰 净 宽 3 0 m， 共 2孑 L， 堰 上 不 设 闸 ， 为 单 圆 弧 实 用 堰 ， 圆 弧 分 别 与 上 游 面 板 和 下 游 泄 槽 相 切 ，堰 顶 高 程 与 正 常 蓄 水 位 相 同 。水 库 采 用 坝 顶 溢 洪 道 与泄 洪 洞共 同 泄洪 。泄 洪洞 分 担后 ，溢洪 道 最 大下 泄 流量 为 1 6 4 m s ，坝 身段 最 大单 宽 泄量 为 5 5 m3 ( s - m) 。 根 据 基 础 条 件 泄 槽 可划 分 为坝 身段 和基 岩段 。 坝 身 段 泄 槽 纵 坡 为 1 ： 1 4底 板 为 厚 0 6 m 钢 筋 混 凝 土 ，与下伏 台阶状混凝 土 垫层共 同 坐落在 堆石体 上 。 底板 与 垫层 脚趾 处 设 置 大体 积 阻滑 墩 ，其 基 础 为岩 石 。 溢 流 堰 控 制 段 和 坝 身 段 泄 槽 在 堆 石 坝 坝 上 最 大 高 度 约 2 5 m。 除 采 用 台 阶 状 混 凝 土 垫 层 外 ，实 践 中 还 采 取 多 项措 施 以增强 坝身 段泄槽 适应 变形 的能力 和稳 定性 ： 为 避 免 库 水 渗 漏 影 响 坝 体 安 全 ，溢 流 堰 与 面 板 之 间 不 设 水 平 缝 。 为 保 证 泄 槽 具 有 足 够 的适 应 变形 的能 力 泄槽 底 板 在垂 直水 流 方 向设 置 3条 横 缝 ，顺 水流方 向设 置 2条纵缝 ，缝 内设止水 。底 板在 1 8 2 7 I l l 高程 设 置一 掺 气 槽 。掺 气槽 采 用 叠 瓦式 构 造 ，其结 合 部采 用 滑 动结 构 连接 。 为增 强 泄槽 的 稳 定 性 ，横 缝 和 掺 气 槽 处 设 水 平 锚 拉 筋 地 锚 梁 。 泄槽 基 岩段 和 挑 流鼻 坎 均 坐落 在 基岩 上 。该 段 泄 槽 底 板 纵 坡 分 为 两 段 ， 坡 度 分 别 为 1 ： 4 0和 1 ： 1 4， 厚 均 为 0 6 1T I ， 底 部 设 抗 滑 锚 杆 、 阻 滑 齿 及 排 水 盲 沟 。 溢 洪 道 泄 流 宽 度 在 泄 槽 基 岩 段 下 游 逐 渐 对 称 收 窄 ，至挑 流鼻 坎处 为 1 0 m。 3 台阶状混凝土垫层布置及泄槽底板稳定 分析 台 阶 状 混 凝 土 垫 层 直 接 浇 筑 在 堆 石 体 上 ， 每 层 台阶高 度与堆 石分 层填 筑高度 一致 ，均 为 0 8 m。垫 层 浇 筑 与 堆 石 料 碾 压 同 步 上 升 。 以 便 于 堆 石 碾 压 施 工 。待 垫 层 浇 筑 完 成 后 ，再 浇 筑 钢 筋 混 凝 土 底 板 。 施 T 顺 序 如 图 2所 示 。 混 凝 土 垫 层 与 底 板 之 问 设 置 插 筋 ，采 用 施 工 缝 连 接 。 璺 塑 图 2 台阶状混凝土垫层布置及浇筑顺序( 单位 ：mm) 垫 层 和 泄 槽 底 板 受 力 分 析 简 图 如 图 3。 为 垫 层 和 泄 槽 底 板 受 到 各 层 堆 石 体 的 水 平 推 力 ； 为 垂 直 反 力 ；P阻 滑为 脚 趾 处 的 阻 滑 力( 阻 滑 墩 或 下 部 垫 层 的水 平反 力 ) ； 基 础 为 垂直 力( 基 岩或 下部 垫层 的 垂 直 反 力 ) 。 对 面 板 堆 石 坝 ，下 游 坝 坡 一 般 情 况 下 取 1 ： 1 4是 稳 定 的园， H 实 际 为 1 ： 1 4下 游 坝 坡 与 台 阶 状 垫层 之 间倒 三 角 堆石 填 充体 的水平 分 力 ，其值 较 小 ， P阻 滑 完 全 可 与 之 平 衡 ；竖 直 方 向 G 及 G泄 槽与 向 上 的 垂 直 反 力 及 平 衡 。 与 直 接 坐 落 在 堆 石 坝 下 游 坝 坡 上 的 泄 槽 受 力 分 析 对 比 ，采 用 台 阶 状 混 凝 土 垫 层 最 大 优 势 为 ：将 泄 槽 底 板 白重 产 生 的 斜 坡 滑 动 力 转 化 为 水 平 与 垂 直 方 向 力 ，提 高 了 底 板 稳 定 性 能 。 图 1 坝顶溢洪道纵剖面 八巾匕 赝 L 云 1 - r L 似 匝I2 1 ,o 2 4 J 斌 坦 + J 1： 1 3 , Hj Y - 5 图 3台 阶状 混 凝 土 垫 层 和 泄 槽 底 板 受 力 分析 4 泄水期溢洪道坝身段结构有限元计算分析 4 1 溢 洪道 轴线 剖面 变形分 析 溢 洪 道 轴 线 剖 面 最 大 沉 降 值 出现 在 堰 顶 底 部 ， 为 7 6 6 c m。堰 顶 顶 部 沉 降 值 约 2 c m泄 槽 底 板 沉 降 值 较 小 ，最 大值 为 1 6 5 mm。堆 石 体 沉 降变 形 后 在 台阶状 混 凝 土垫 层 底 部形 成 局 部脱 空 区 由于 台 阶状混 凝 土 垫层 的过 渡缓 冲作 用 ，形 成 一 定 的拱 效 应 ，减 少 了传递 到 上 部底 板 的沉 降变 形 ，降低 了堆 石体 沉 降对底 板 的影 响 。 溢 洪 道 轴 线 剖 面 顺 河 向 向 上 游 的 最 大 水 平 位 移 为 1 3 8 c m， 出 现 在 堰 顶 段 上 游 底 部 ； 向 下 游 的 最 大 水平 位 移为 0 8 4 c m，出现 在泄槽 中段 底部 。 4 2底板 应 力分析 坝 身 泄槽 段 底 板应 力 等 值 线 见 图 4。从 图 4可 以看 出 底 板 中部 压 应 力值 较 大 ，第 三 主 压应 力 最 大值 为 1 8 9 MP a，出现在 该 区域 中部 偏 左 侧 ；压 应 力 向 四周 逐渐 减 小 ，在 四周 角 点 处 出现 拉 应力 ，第 一 主拉应 力最 大值 为 0 2 8 MP a 。 a第 主 力 b第三主应力 图 4溢洪道泄槽底 板应 力等值线 ( 单位 ：1 0 2 MP a ) 4 3混凝 土 垫层应 力分 析 垫 层 应 力 等值 线见 图 5 。从 图 5可 以看 出 ，垫 层虽 无 结 构缝 ，但 受底 板 结 构缝 影 响 ，在底 板 缝 的 相应 位 置 应 力分 布 有 变化 。第 一 主拉 应 力 在堰 顶 部 位较 大 ，最大 值 为 0 8 9 MP a ， 出现 在 混 凝 土垫 层 与 堆 石相 接 处偏 左 侧 ：第 三主 压 应力 在 下 游 坝坡 底 部 转折 处较 大 ，最大 值 为 3 3 4 MP a 。 4 4泄水 时坝 身段 溢洪 道抗 滑稳 定计算 溢 流 堰控 制 段 、坝身 泄槽 段 抗 滑稳 定 计 算 采 用 b 第三主应力 图 5溢洪道底板垫层应力等值线( 单位 ：MP a ) 抗 剪强 度公 式 k = fZG H，其 中 ，混凝 土 垫层 与堆 石 料 接 触 面 摩 擦 系 数 厂 取 0 8， G 及 日 由 有 限 元 计算 结 果 求 得 。阻 滑 墩段 坐 落 在岩 石 基础 上 ，抗 滑 稳 定计 算 公 式采 用 抗 剪 断强 度公 式 良 =( 厂 G+C ) ，其 中 ，混 凝 土 与岩 体 接 触 面 抗 剪 断 摩擦 系数 广 取 0 5； 抗 剪 断 凝 聚 力 C 取 0 5 MP a ， 计 算 结 果 见表 1 。 表 1 坝身段溢洪道抗滑稳定安全 系数 从 表 1可 以看 出 ，坝身 泄 槽 段抗 滑 稳 定 安全 系 数达 到 6 3，远大 于直接 坐 落在堆 石坝 下游 坝坡 上 的 泄槽 底 板 抗 滑稳 定 安 全 系数 1 1 2， 由此 表 明 ，采 用 台阶状 混 凝 土垫 层 极 大地 提 高 了坝 身段 溢 洪 道抗 滑 稳定 安全 系数 。 5 结语 混 凝 土面 板 堆石 坝 坝 顶溢 洪 道 坐落 在 堆 石坝 体 上 ，坝 坡 的 稳 定 是 溢 洪 道 安 全 运 行 的前 提 。 白河 沟 面板 堆 石 坝 坝顶 溢 洪 道创 造性 地 采 用 台 阶状 混凝 土 垫 层 结 构 ， 既 提 高 了 底 板 的 抗 滑 稳 定 性 ，又 成 功 地 解决 了水 平锚 拉 结 构在 坝 顶 溢洪 道 运用 中存 在 的 问 题 。结 构 分 析 和有 限元 计 算 表 明 ，坝 顶溢 洪 道 结构 变形 和应 力值 均较 小 ，抗 滑稳 定满 足要 求 。 参考文献 ： 1 s L 2 7 4 2 0 0 1 碾压式土石坝设计规范 E s 1 E 2 1 曹克 明，汪易森 ，徐建军 ，等 混凝土面板堆石坝 M 北京 ： 中 国水利水电出版社，2 0 0 8 3 S L 2 5 3 -2 0 0 0 溢洪道设计规范 s 1 ( 责任编辑焦雪梅) W a t e r r V o 1 3 9 N o 4圈