新疆某碾压式沥青混凝土心墙坝设计.pdf

第 3 4卷第 3期 2 0 1 2年 3月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 4 No 3 Ma r 2 01 2 【 水利水 电工 程 】 新疆某碾压式沥青混凝土心墙坝设计 张宏军 ( 新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 某碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝建在新疆高寒地 区， 介绍了该沥青混凝土心墙轴线、 心墙厚度、 过渡层厚度的 确定及心墙与坝基防渗体的连接方式， 并对其进行 了坝体三维有限元应力应变静力分析。结果表明： 相对于浇筑式沥青 混凝土心墙 、 土料心墙等坝型， 碾压式沥青混凝土心墙坝宜选择较厚的过渡层 ， 以利于心墙施工控制； 心墙厚度主要取决 于坝体高度和坝壳料可能的变形情况。经综合评价， 该坝变形协调性 良好， 应力分布基本合理， 沥青混凝土心墙不会发 生水力劈裂和拉裂破坏 ， 坝体结构布局较 为合理 。 关键词：碾压式沥青混凝土；防渗心墙 ；结构布置；心墙设计 中图分 类号 ：T V 6 4 1 4 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 3 0 3 6 De s i g n A p p l i c a t i o n o f a D a m w i t h R o l l e r C o mp a c t e d As p h a l t Co n c r e t e Co r e Wa l l i n X i n j i a n g Z HA N G H o n g - j u n ( X n j i a n gR e s e a r c hI n s t i t ate o fI n v e s t i g a t i o n a n dD e s 咖ofW a t e r C o n s e r v a n c y a n dH y d r o p o w e r ，U r u m q i 8 3 0 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：S u c h s a n d g r a v e l d a m w i t h mB e d a s p h a l t i c c o n c r e t e c o r e w a l l w a s c o n s t r u c t e d i n al p i n e r e g i o n i n X i n j i ang T h e c o n fi r ma t i o n f o r t h e a x i al l i n e o f a s p h a l t i c c o n c r e t e c o r e w all a n d t h e t h i c k n e s s e s o f t h e c o r e w all and the t r ans i t i o n a l l a y e r ，and t h e j o i n i n g t r e a t me n t b e t w e e n the c o r e w a l l and i mp e r v i o u s b o d y o f d a m f o u n da t i o na s we l l as t h e s t a t i c for c e an aly s i s o f s lres s an d s t r a i n wj t l l t r i a x i ali t y f i n i t e e l e me n t a p p l i e d o n t h e d a m b o d y wh i c h we r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r I t p o i n t s o u t t h a t mo r e t h i c k l y t r an s i t i o n al l a y e r i s f a v o u r a b l e f o r c o r e wall c o n s t r u c t i o n c o n t r o l o f wi l e d a s p h alt i c c o n c r e t e c o r e wall d a m c o mp a r e d wi t h d a m t y pe s s u c h a s p o u rin g t y p e asp h alt c o n c ret e c o r e wall d a m a n d c l a y c o r e wall d a m e t c ，a n d e o r e wa l l t h i c k n e s s main l y d e p e n d s o n d a m h e i g h t a n d p o s s i b l e d e f o rm a t i o n s i t u a t i o n o f d am s h e B ma t e ria1Th e d a m b o d y wi t h r e a s o n a b l e s t r u c t u re l a y o u t ，i t s a s p h alt c o n c r e t e c o r e wall w i l l n o t h a v e h y d r a u l i c f r a c t u r e a n d t e n s i o n f r a c t u r e d e s t r o y s o n a b asi s o f t h e c o mp r e h e n s i v e e v alu a t i o n o f t h e g o o d d am d e - form a t i o n C O 0 r d i n a t i o n an d t h e b asi c rea s o n ab l e s t r e s s d i s t rib u t i o n l a w Ke y wo r d s：mi l e r c o mp a c t e d asp h alt c o n c r e t e；i mp e rvi o u s C O re wall ；s t r u c t u r e l a y o u t ；d e s i g n o f C O re w all 1 工程概况 某大坝是在新疆高寒地区建成 的首座碾压式沥青混凝土 心墙砂砾石坝， 库容为 1 6 7亿 m ， 属于等大( 2 ) 型综合利用 水利工程 ， 坝高6 4 m， 坝顶长3 5 5 m， 坝顶宽 8 m， 上游坝坡坡 比 为 1 ： 2 2 51 ： 2 5 ， 下游设“ 之” 字形上坝道路 ， 综合坝坡坡 比 为 1 ： 2 ， 坝基采用帷幕灌浆防渗。坝址处河谷呈 u形 ， 河床宽 1 2 0 m， 覆盖层厚 3 m， 下覆基岩为花岗片麻岩 ， 两岸山体高出河 谷 1 0 0 m， 基岩裸露。 2 坝体结构布置 2 1 防渗心墙轴线的确定 沥青混凝土心墙一般布置在坝体横断面中部， 使心墙两侧 的受力比较均衡， 心墙上下游设置过渡层。根据 心墙应力状 况 ， 大坝运行期心墙在上游水压力的作用下会产生轴线方向的 拉应力， 为减小心墙拉应力， 在坝体横断面上可以将心墙轴线 布置在坝轴线上游侧 ， 以增强下游坝壳对心墙 的支撑力； 在坝 体平面上心墙轴线可以布置成向上游略微弯曲的拱形； 在立面 上心墙可以是垂直 的， 也可以向下游倾斜或下部垂直上部倾 斜； 对于坝高超过 6 0 m的 V形河谷高坝一般存在较大的不均 匀变形问题， 在两岸容易产生 向河谷的位移， 会导致心墙与坝 基防渗墙接触面发生止水破坏， 因此可考虑将心墙布置成拱形 或倾斜式， 以适应较大的变形需要。该工程筑坝材料主要为砂 砾石， 从坝址地形条件看可以将心墙布置成拱形 ， 但鉴于坝高 条件和 目前施工技术的限制， 设计选择了心墙轴线在平面和立 面上均呈直线 ， 布置在坝轴线上游 3 m处。 收稿 日期 ： 2 0 1 l 一0 6 - 0 7 作者简介： 张宏军( 1 9 6 3 一) ， 男， 甘肃武威人 ， 高级工程师， 主要从事水利水电 工程设计工作 。 E ma J l z h j a s x 1 6 3 C O ll l 1 Ol 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 2 2坝体结构分区与过渡层的确定 坝体结构分区由上游坝壳 、 上游过渡层、 沥青混凝土心墙、 下游过渡层、 下游坝壳组成， 坝体结构布置原则与土料防渗心 墙坝要求基本一致， 心墙延伸到坝基截渗墙， 坝基则借助防渗 帷幕达到防渗设计深度。坝体填筑料采用砂砾石料， 最大粒径 控 制在 2 0 0 mm， 上游坝坡铺设 0 3 m厚混凝土 面板 ， 下游坝 坡 砌筑0 6 m厚干砌块石。为了确保过渡层对沥青混凝土心墙 两侧提供均匀的支撑力， 过渡层的粒料必须级配良好， 与坝壳 料之间具有 良好的变形协调性， 要求其最大粒径为沥青混凝土 骨料最大粒径的34倍， 沥青混凝土心墙骨料的最大粒径范 围一般 为 l 61 9 m m。该工 程选 择 了与坝壳 料相 同 的砂砾 石 料作为过渡料 ， 粒径控制在 8 0 m m以下， 级配连续， 压实后的渗 透系数平均为2 0 21 0e m s ， 满足小于5 m m粒径的含量为 3 0 5 0 、 压实后渗透系数不小于 1 0 。e m s 等要求。坝壳 料压实后的渗透系数平均为 3 5 81 0c m s ， 具有良好的透 水性 ， 过渡料与坝壳料之间满足层问关系要求。坝体上下游坝 壳料渗透系数大于 1 0 c m s ，其 自身排水能力远大于吸水能 力 ， 坝体结构在心墙遭到严重破坏的情况下允许渗透， 为了防 止坝体发生冲蚀破坏， 在心墙下游坝体内设置了辅助排水管道 系统 ， 及时排除心墙渗漏水。 过渡层厚度一般为心墙厚度的2倍以上， 而沥青混凝土心 墙要考虑施工所需要的最小宽度 ， 当过渡料制备成本较高时， 尽量采用满足坝体结构稳定的最小厚度 ， 但该工程中过渡料的 料源不是厚度的控制因素。按照层间关系和应力传递要求确 定该工程过渡层厚 1 m左右即可满足过渡要求， 而实际确定的 过 渡层厚度为 3 m， 属于较厚 的过渡层 。原 因是碾 压式沥 青混 凝土心墙施工机械将沥青混凝土和过渡料同步进行摊铺、 碾 压 ， 一次成型的最小施工宽度要大于机械设备自身的行驶宽 度 ， 摊铺机总宽约 4 m， 心墙及两侧过渡层总宽度宜大于摊铺机 行驶宽度， 以保证摊铺机行驶在平整 、 稳固的工作面上， 摊铺压 实后的有效施工总宽度为 67 n 。相对于浇筑式沥青混凝土 心墙坝 、 土料 心墙 等坝型 ， 碾 压式 沥青混凝 土 心墙宜 选择较 厚 的过渡层 ， 以利 于心墙施 工控制。 2 3 沥青混凝土心墙厚度确定 目前关于沥青混凝土心墙厚度尚无完整的理论计算公式 ， 从单纯防渗理论上分析， 对于百米级大坝采用沥青混凝土防渗 时心墙有效厚度约需要 0 2 m， 但在工程构造和施工质量控制 上难以实现。心墙厚度主要取决于坝体高度和坝壳料可能的 变形情况， 沥青混凝土心墙的厚度过厚会影响心墙的应力应变 状态， 使沥青混凝土产生裂缝破坏； 过薄会影响心墙 自身的稳 定 ， 导致沥青混凝土心墙在坝壳填料 的挤压作用下产生破 坏 。国内外已建的许多工程采用底部较厚、 顶部较薄的心墙 布置形式， 沥青混凝土心墙厚度 一般为 0 51 2 m， 中等高 度的坝心墙厚度一般为0 5 0 8 m， 百米级大坝心墙厚度一般 为 0 61 2 m， 坝顶 部心墙 厚度 不 宜小于 0 4 m， 底 部心墙厚 度宜为坝高的 1 7 01 1 3 0 。该工程沥青混凝土心墙厚度在坝 】 0 2 高2 3以下为 0 8 m， 以上为 0 6 m， 并采用 0 1 m宽、 0 3 m高 两级阶梯式渐变。 3 心墙与周边坝基的连接 3 1 心墙基座 沥青混凝土心墙应与坝基防渗体连接成共 同的防渗体。 心墙与坝基和岸坡的连接处应设置? 昆 凝土基座， 混凝土基座的 布置有盖板式和廊道式丽种。盖板式布置的主要作用是使沥 青混凝土心墙与基岩有效连接， 盖板可同时作为基础固结和防 渗帷幕灌浆的施工平台， 适用于坝基覆盖层埋深较浅 、 混凝土 基座可以直接建在基岩层、 基岩防渗处理工作量较小的地质情 况， 结构简单， 坝基处理施工方便， 但不便于对心墙的渗漏情况 进行观测。廊道式基座同样需要建在稳定的基岩内， 除了可使 心墙与坝基有效连接外， 还可满足对基座下坝基防渗处理的需 要及对坝体心墙的渗漏监测与检修的需要。该工程属中高坝 ， 基岩埋深较浅， 河床覆盖层较薄， 两岸基岩裸露， 岩性为片麻花 岗岩， 强风化层厚 5 m， 弱风化层厚 6 m， 5 L u渗透线埋深 58 m， 3 L u渗透线埋深 1 01 5 m， 坝基基岩整体性较好， 透水性 弱， 坝基防渗处理简单 ， 工程量较小 ， 因此选择了混凝土盖板式 基座连接心墙与坝基防渗体。混凝土基座直接没置在基岩弱 风化层上， 混凝土基座宽度在河床段 1 3坝高以下为 7 m， 以上 至坝端两岸坡渐变为4 m。在满足自身稳定和灌浆压重的要求 下基座厚度确定为 1 2 m， 并在基 座下采 用锚杆 加强 与基 岩 的 连接。为了监测心墙的渗漏状况， 在心墙下游面坝基布鬣了4 条渗压计测流监测断面， 并布置了纵横排水管系统。 3 2 心墙与基座的连接 在 自重和上游水压力的作用下 ， 坝体心墙与基座连接处的 应力、 应变在岸坡段和河床段对连接面的影响是不同的。在心 墙与基座连接处一般存在较大的剪应力， 易产生较大的不均匀 变形， 岸坡部位将会因坝体的不均匀沉降而产生向河谷方向的 纵向剪切变形， 可能使心墙底部与基座之间形成贯通上下游的 张缝 。河谷段在水压力 作用 下会 产生顺 河 谷方 向 的横 向剪切 变形。在上游水压力作用下， 坝体一般会出现向下游的位移 ， 该位移在一定范围内、 不影响坝体稳定时是允许的。根据三维 仿真计算结果 ， 该工程在两岸坡脚处将发生较大错位变形， 因 此周边连接的处理是影响整个防渗体的关键。已建丁程普遍 采用适当放大沥青? 昆凝土墙底横断面的方法来处理， 侄基座面 采用平底或弧底型式连接。在工程实践中发现， 在岸坡处设置 止水铜片较为有利， 在河谷段设置止水铜片时有可能因阻止了 水平位移而拉裂心墙， 但当位移在止水铜片变形范围内时这种 情况就可以避免。该工程在混凝土基座顶面设置宽 1 5 m、 深 0 2 m的弧形凹槽 ， 对沥青混凝土心墙底部采用底宽与高均为 1 5 m的渐变式放大脚 嵌入 基座 ， 并在 河谷及 岸坡 全线基 座 凹 槽 中设 置了一 一 道止水铜片加强 防渗 。 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 4 坝体结构三维静力分析 4 1 计算模型及参数选择 砂砾料属于非线性材料 ， 应力与应变呈非线性特性， 沥青 混凝土虽然具有一定 的黏聚性 ， 但结构 比较松散， 仍然是一种 散粒体材料 ， 性质与黏性土相似， 计算时可采用土体的本构模 型或者修正土体本构模型， 这里选用邓肯 E一曰本构模型， 心墙 应力与应变计算本构模型采用邓肯 E一 模型 ， 混凝土基座 采用线弹性模型。大坝混凝土基座、 沥青混凝土心墙和筑坝砂 砾料之间的接触面因材料的刚度差异较大， 故在交接部位的变 形存在不连续现象， 有限元分析时进行了 G o o d m a n接触面单元 微化处理 。 水工使用的沥青混凝土材料力学性质复杂 ， 其室内试验制 样方法 、 试验加载速度以及试验温度等因素都会对沥青混凝土 的力学性质产生重要影响。若大坝实际沥青混凝土心墙材料 力学参数过低时， 会因坝壳料的拱效应而使心墙应力降低 ， 可 能导致心墙产生水力劈裂破坏； 相反 ， 若大坝实际沥青混凝土 心墙材料力学参数过高时， 则可能因心墙应力集中使两侧过渡 料的剪切作用较强而出现剪切破坏。目前， 对于材料力学参数 的确定 ， 在设计阶段最直接的判断方法是借鉴已建工程实例进 行类比， 在施工阶段应密切跟踪大坝施工期应变与应力变化， 对沥青混凝土心墙的力学参数进行动态反演分析， 随时优化设 计方案或指导施工， 确保大坝运行安全。因此 ， 沥青混凝土心 墙坝需要设置相应的监测设备， 以便于后期进行动态跟踪反演 分析。 4 2 计算结果 大坝最大计算沉降量为 3 3 3 c m， 占大坝和覆盖层总高度 的 0 5 7 。水库蓄水后沥青混凝土心墙向下游的水平位移为 1 5 9 c m， 挠跨比小于 5 。沥青混凝土心墙竣工期的大主应力 最大值为 1 3 0 MP a ， 小主应力最大值为 0 5 2 MP a 。沥青混凝 土心墙蓄水期的大主应力最大值为 1 2 7 MP a ， 小主应力最大值 为 0 5 6 MP a 。竣工期沥青混凝土心墙与混凝土基座之间错动 变形较小 ， 在蓄水期两岸陡坡位置顺水流方向心墙最大错动量 为 6 2 m m， 沿基座指向河床方向最大错动量为 9 8 mln 。经综 合评价 ， 大坝变形协调性 良好 ， 应力分布基本合理， 沥青混凝土 心墙不会发生水力劈裂和拉裂破坏 ， 坝体结构布局较为合理。 4 3 计算参数敏感性分析 笔者对所选参数进行了敏感性分析， 研究了材料参数的不 同取值对坝体应力位移的影响， 目的在于研究材料的不同填筑 指标和材料变形对坝体应力位移的影响。考虑到沥青混凝土 心墙材料较重要且有时参数离散性较大， 因此针对沥青混凝土 心墙料 E一日模 型参数 从 低到高分别取 5 0 0 0、 8 0 0 0、 1 0 0 0 O 、 1 5 8 3 6， 材料密度为 2 4 1 g c m 、 模量系数 为 6 6 4 6 、 模量指数 n为 0 1 3 9 、 初始内摩擦角 为 2 7 0 2 。 、 黏聚力 C 为 0 3 7 3 MP a 、 破坏比毋为 0 7 5 、 体积变形参数为 0 0 1 ， 得到4 种组合的参数进行敏感性计算分析。沥青混凝土心墙的三维 应力、 变形和位移极值计算结果见表 l 、 表 2 。 表 1 各计算方案沥青混凝土心墙应力与变形极值 注 ： 大 主应力极值不合理。 表 2 参数敏感性分析计算结果的极值 竣工期 满蓄期 组 合 平 砬生 沉大 主 _直，J： 主 应水 平 位竖 向 沉大 圣 应小 主 移 e m 降 c m 力 M P a 力 M P a 移 c m 降 c m 力 M P a 力 M P a 从计算结果可以看出， 随着沥青混凝土心墙料 取值的 增大， 心墙的水平位移和竖向位移基本没有发生变化， 但对心 墙应力的影响较为明显 ， 尤其是对心墙 的大主应力影响较大， 大主应力随 取值的增大而增大， 当取值过大或过小时 ， 沥青 混凝土心墙的主应力均超 出了合理的范围， 该工程中 取值 修正为 = 1 2 0 0 时， 计算结果比较合理。 5 结语 沥青混凝土心墙具有 良好的适应变形能力、 抗冲蚀能力、 抗老化能力 ， 整个心墙无须设置结构缝 ， 可以在寒冷气候条件 下使用H 。沥青混凝土心墙坝的安全性较高， 与面板坝相比受 外界光照和气候影响小， 与坝基和两岸混凝土基座容易连接， 且防冻性和抗震性好。 参考文献 ： 1 赵元弘 洞塘水库碾压式沥青混凝土心墙土石坝设计与实践 J 水利规划 与设计 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 6 1 2 岳跃真 郝巨涛 孙志恒， 等 水工沥青混凝土防渗技术 M 北京： 化学工 业出版社 ， 2 0 0 5 3 王文进 某大坝沥青混凝土配合比试验与三维有限元应力应变静力分析报 告 R 西安 ： 西安理工 大学 ， 2 0 0 8 4 田伟， 李旨强 浇筑式沥青混凝土防渗心墙的施工与质量控制 J 人民黄 河 ， 2 0 0 9， 3 1 ( 4) ， 1 0 0 【 责任编辑张华岩】 1 0 3 船 鼹 O 0 0 O ；1 8 8 7 5 卯 l O O O O 0 O O 埒 ；l 6 5 5 3 勰 l