(四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610065)

1 工程概況

倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)樞紐坐落在通江縣至誠(chéng)鎮(zhèn)場(chǎng)鎮(zhèn)中心西北側(cè)的龍王廟溝上，距至誠(chéng)鎮(zhèn)場(chǎng)鎮(zhèn)中心0.7km，距通江縣城區(qū)約40km。水庫(kù)控制集水面積0.71km2，多年平均徑流量46.14萬(wàn)m3。倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)是一座以場(chǎng)鎮(zhèn)供水為任務(wù)的小(2)型水利工程，設(shè)計(jì)供水人口2.22萬(wàn)人。水庫(kù)主要建筑物包括大壩、泄洪洞、放空洞、取水浮船、輸水管線等。大壩分為主、副壩，其中主壩按縱向增強(qiáng)體土石壩進(jìn)行設(shè)計(jì)[1、2]，副壩為重力壩。水庫(kù)總庫(kù)容62.34萬(wàn)m3，正常蓄水位1030.00m，相應(yīng)庫(kù)容55.42萬(wàn)m3，興利庫(kù)容52.59萬(wàn)m3，死庫(kù)容2.83萬(wàn)m3。

倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)主壩采用縱向增強(qiáng)體(混凝土心墻)堆石壩[3]，壩軸線長(zhǎng)83.25m，壩頂高程1031.70m，防浪墻高1.2m，最大壩高34.15m，壩頂寬6m。上游壩坡設(shè)3級(jí)坡，從上至下坡比分別為1∶2、1∶2.25、1∶3，高程1020.50m設(shè)2m寬?cǎi)R道，高程1010.00m設(shè)3m寬?cǎi)R道。下游壩坡設(shè)3級(jí)坡，高程1020.50m和1010.00m各設(shè)2m寬?cǎi)R道，從上至下坡比為1∶2、1∶2.25、1∶2.25?；炷列膲癜词┕l件取為0.8m，軸線位于大壩軸線上游0.4m，增強(qiáng)體上游為2.2m厚砂巖過(guò)渡層(施工厚度為3m，填筑完成后混凝土心墻占用0.8m，實(shí)際厚度2.2m)，心墻下游設(shè)3.0m厚砂巖過(guò)渡層。大壩高程1028.37m處為增強(qiáng)體槽孔施工平臺(tái)，平臺(tái)寬18m。1028.37m至壩頂高程之間采用現(xiàn)澆混凝土心墻，兩種施工方式的心墻之間采用鋼筋連接。大壩采用新鮮、弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化砂巖堆石分區(qū)填筑。下游1010.00m以下壩坡鋪設(shè)1.0m厚大塊石護(hù)坡以增強(qiáng)壩基排水性能。大壩分區(qū)橫部圖如圖1所示。

圖1 倉(cāng)庫(kù)灣增強(qiáng)體土石壩橫斷面示意

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]和[2]，縱向增強(qiáng)體具有防滲、受力和抵抗變形三種作用，本文重點(diǎn)研究這種新壩型在倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 縱向增強(qiáng)體防滲設(shè)計(jì)

縱向增強(qiáng)體土石壩防滲體系為沿壩軸線“插入”混凝土剛性防滲墻，采用增強(qiáng)體墻下灌漿管通過(guò)帷幕灌漿形成壩基整體防滲結(jié)構(gòu)。以最大壩高剖面(H=34.15m)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

依據(jù)水庫(kù)正常水位等特征水位和筑壩材料特性進(jìn)行壩體防滲與體型設(shè)計(jì)。混凝土縱向增強(qiáng)體作為防滲心墻在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮計(jì)算心墻厚度δ和心墻下游面出露并高出下游水位的h0，以及維持下游壩殼滲流穩(wěn)定的最低水平寬度L2，如圖2所示。

圖2 增強(qiáng)體心墻正常滲流簡(jiǎn)圖

倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)特征水位值和壩體材料參數(shù)見(jiàn)表1。依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]、[2]所列的計(jì)算公式，計(jì)算增強(qiáng)體有關(guān)設(shè)計(jì)值，詳見(jiàn)表2。

表1 倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)特征水位與筑壩材料參數(shù)

表2 倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)大壩增強(qiáng)體設(shè)計(jì)值成果

表2增強(qiáng)體設(shè)計(jì)值成果表明：(1)在上游水頭作用下，增強(qiáng)體心墻下游側(cè)滲透水出露高程約在下游水位以上8.62m；(2)增強(qiáng)體心墻滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定的最小計(jì)算厚度為0.49m；(3)計(jì)算壩體的單寬滲漏量約為3.9010-5cm3/s，滿(mǎn)足土石壩防滲設(shè)計(jì)要求；(4)計(jì)算所得下游壩殼維持滲透穩(wěn)定的最小寬度為L(zhǎng)2=8.80m，說(shuō)明壩體邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)以強(qiáng)度穩(wěn)定性為控制因素，所以L1、L2壩底寬度、應(yīng)由強(qiáng)度穩(wěn)定性計(jì)算決定。

本次設(shè)計(jì)心墻厚度計(jì)算結(jié)果為0.49m，考慮到本壩型剛剛開(kāi)始用于工程實(shí)際，有關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)和工程積累較少，為了充分考慮工程安全，并滿(mǎn)足機(jī)械施工要求，心墻厚度參照方田壩水庫(kù)[2]，取為0.8m，待工程建成后增強(qiáng)相關(guān)滲流觀測(cè)，以期對(duì)后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目提供相應(yīng)的理論支持，達(dá)到更加安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

3 縱向增強(qiáng)體變形計(jì)算

該壩型的變形分析主要側(cè)重兩方面，一是上下游壩體填筑料相對(duì)于增強(qiáng)體心墻產(chǎn)生的向下的沉S；二是竣工期和蓄水運(yùn)行期兩種工況增強(qiáng)體心墻頂部的擾度y0、轉(zhuǎn)角θ0等變形指標(biāo)。

3.1 壩體沉降計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]、[2]提供的計(jì)算公式：

(1)

最大沉降發(fā)生在壩高(1-n)H處，其值為：

(2)

式中：H——壩高，H=34.15m；

n——鄧肯-張模型參數(shù)之一；

z——壩高變量；

Es0——筑壩料壓縮模量初始值，取75MPa；

ρ——筑壩料平均密度。

具體參數(shù)詳見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)計(jì)算，壩頂沉降s=3.89cm，最大沉降Sm=5.27cm。

3.2 增強(qiáng)體變形計(jì)算

按竣工期和蓄水運(yùn)行期分析增強(qiáng)體的受力情況，由于增強(qiáng)體為相對(duì)剛性材料，上下游壩體填筑料為相對(duì)柔性的材料，因而增強(qiáng)體在一定程度上改變了土石壩的應(yīng)力與變形狀況，其受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。按照文獻(xiàn)[1]的計(jì)算思路，T點(diǎn)以上至壩頂?shù)耐ㄌ顓^(qū)對(duì)增強(qiáng)體心墻的變形有限制作用，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將該部分力作為安全儲(chǔ)備，在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，只考慮水平方向的受力。將增強(qiáng)體做為單位延向米的豎向的懸壁梁，如不計(jì)沿壩軸線方向的受力約束，這樣從變形分析上講，增強(qiáng)體頂部T點(diǎn)變位最大，故只對(duì)T點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

圖3 增強(qiáng)體受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)撓曲微分方程[4]，可分別求得心墻頂部的轉(zhuǎn)角θT和擾度yT等計(jì)算公式[1]，計(jì)算參數(shù)與計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。

表3 增強(qiáng)體變位計(jì)算參數(shù)

表4 增強(qiáng)體頂端變位值計(jì)算結(jié)果

注：表中上腳標(biāo)(s)、(y)分別表示竣工期、運(yùn)行期；轉(zhuǎn)角單位為弧度，“-”值表示向上游。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：(1)T點(diǎn)變位很小，在相應(yīng)材料的允許范圍內(nèi)；(2)竣工期頂端變位很小，運(yùn)行期的擾度和轉(zhuǎn)角是竣工期的7～8倍；(3)運(yùn)行期T點(diǎn)向上游偏轉(zhuǎn)，表明上游土、水荷載作用于增強(qiáng)體并使其產(chǎn)生彎曲，表現(xiàn)在頂端產(chǎn)生向上游的偏移。

4 縱向增強(qiáng)體受力分析

由于在土石壩中“插入”了剛性的縱向增強(qiáng)體，因而導(dǎo)致土石壩中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，梁軍等人[2，5]引入擋土墻理論，將增強(qiáng)體視為置于壩體中的一道擋土墻，其底部為固定端，頂部為自由端，如同一道薄薄的混凝土壩，只有依靠上下游堆石體提供強(qiáng)大的“圍護(hù)”作用才能發(fā)揮作用。設(shè)計(jì)計(jì)算主要考慮三點(diǎn)，一是增強(qiáng)體作為擋土墻在不同工況下的受力表現(xiàn)，上下游的水平荷載都集中在墻體，采用受力安全系數(shù)來(lái)描述這一情況，并規(guī)定其值為被動(dòng)力與主動(dòng)力之比；二是不同工況下增強(qiáng)體底部的受力狀態(tài)，主要復(fù)核底部受力不能超過(guò)材料的力學(xué)強(qiáng)度；三是增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

4.1 增強(qiáng)體受力復(fù)核

由于竣工期增強(qiáng)體“不偏不倚”地置于壩體中，起著承受上下游壩體荷載與抵抗變形的作用，增強(qiáng)體處于靜止受力狀態(tài)，此時(shí)增強(qiáng)體總是安全穩(wěn)定的。本文僅復(fù)核蓄水運(yùn)行、水位驟降二種基本荷載組合情況。

4.1.1 蓄水運(yùn)行期

此時(shí)增強(qiáng)體受到上游水荷載水平推力和上游壩體主動(dòng)土壓力作用而傾向下游偏移，下游壩體則對(duì)其產(chǎn)生被動(dòng)土壓力作用。

(1)水荷載的水平推力：

(3)

式中：ρw——水的密度；

H1——計(jì)算剖面的增強(qiáng)體高度，為簡(jiǎn)單計(jì)，上游水頭與增強(qiáng)體高度保持一致。

(2)上游堆石水平推力(主動(dòng)土壓力)：

(4)

(3)下游堆石體對(duì)增強(qiáng)體的被動(dòng)土壓力：

(5)

其余符號(hào)意義同上。

4.1.2 庫(kù)水驟降期

同樣，在水庫(kù)水位發(fā)生驟降(卸載)，增強(qiáng)體就有向上游偏移的傾向，下游堆石對(duì)墻體的作用則由原來(lái)蓄水期的被動(dòng)土壓力變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力，而上游堆石體對(duì)墻體而言，便成為被動(dòng)土壓力，其最危險(xiǎn)的工況是水荷載被卸去同時(shí)上游堆石尚未排水而整體處于飽水狀態(tài)。

(1)上游飽水堆石體為被動(dòng)區(qū)，其被動(dòng)土壓力為：

(6)

ρ1m——上游筑壩料飽和密度，ρ1m=2.4t/m3；

其余符號(hào)意義同上。

(2)下游堆石對(duì)增強(qiáng)體的主動(dòng)土壓力：

(7)

(3)水位驟降期的受力安全系數(shù)Sf(z)：

(8)

式中：上腳標(biāo)(z)表示水位驟降期。

(4)說(shuō)明水位驟降工況下游堆石產(chǎn)生的主動(dòng)水平推力使增強(qiáng)體心墻有向上游變形的趨勢(shì)，但卻獲得了上游飽和堆石體對(duì)增強(qiáng)體的抵抗，這一抗力(被動(dòng)水平壓力)是上游推力的2.4倍，增強(qiáng)體背后(即上游側(cè))同樣具有強(qiáng)大的“后盾”支撐，此工況增強(qiáng)體也是安全的(不計(jì)底部固端約束)。

4.2 增強(qiáng)體底部固定端強(qiáng)度復(fù)核

4.2.1 增強(qiáng)體底部固定端強(qiáng)度復(fù)核

4.2.2 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

以上計(jì)算分析表明，按擋土墻理論在各種工況下的增強(qiáng)體力學(xué)性能都是安全的，底部受力并沒(méi)有超過(guò)其抗壓強(qiáng)度，墻體本身的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)較為正常，增強(qiáng)體無(wú)須專(zhuān)門(mén)的結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算，施工過(guò)程中所需的鋼桁架和預(yù)埋灌漿鋼管實(shí)際上已起到結(jié)構(gòu)骨架的作用。

5 洪水漫頂計(jì)算

一般土石壩是不允許洪水漫頂?shù)?，但在?shí)際運(yùn)行中，由于各種原因，土石壩出現(xiàn)洪水漫頂沖刷也是難免的，因而研究縱向增強(qiáng)體土石壩洪水漫頂及其安全性能是十分有意義的。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，洪水漫頂沖刷過(guò)程如圖4所示。

(a) (b)

(a) (b)

表5 洪水漫頂沖刷計(jì)算表

因此，在水庫(kù)遭遇200一遇的校核洪水時(shí)，如洪水漫頂，最大沖深可達(dá)3.93m，相應(yīng)時(shí)間為5.89h；在20年一遇的設(shè)計(jì)工況下，如洪水漫頂，則壩下游最大沖深3.13m，相應(yīng)時(shí)間為7.24h。

6 縱向增強(qiáng)體沖刷后的強(qiáng)度復(fù)核

洪水漫頂沖刷造成下游壩體一部分筑壩料被沖失，形成沖坑(槽)如圖4(d)所示，由此造成墻體下游側(cè)一定范圍(Zm)臨空，增強(qiáng)體單獨(dú)抵抗上游土水荷載作用，其沖刷坑最低點(diǎn)截面的受力應(yīng)滿(mǎn)足不出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的要求。依據(jù)文獻(xiàn)[6]，計(jì)算出在設(shè)計(jì)與校核工況下墻體是否出現(xiàn)破壞失穩(wěn)：

(1)在設(shè)計(jì)工況時(shí)，漫頂沖刷的深度為3.13m，分別小于墻體單獨(dú)抵抗上游荷載的極限深度7.5m，因而增強(qiáng)體是安全的；

(2)在校核洪水發(fā)生時(shí)，由于洪水漫頂沖刷深度為3.93m，仍然小于墻體單獨(dú)承受上游荷載極限深度7.7m，因而墻體也是安全的。

因此，在遭遇200年一遇洪水和20年一遇洪水下，增強(qiáng)體土石壩并不會(huì)產(chǎn)生如同常規(guī)土石所謂潰決的極端情況，因而增強(qiáng)體起到了抵制土石壩漫頂潰壩的結(jié)構(gòu)支撐作用，表明增強(qiáng)體土石壩的安全運(yùn)行性能比常規(guī)土石壩更為出色。

7 結(jié)論

(1)通過(guò)以上計(jì)算，縱向增強(qiáng)體混凝土心墻的防滲性、受力及變形條件均能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。并且在校核洪水情況下發(fā)生洪水漫頂，計(jì)算不會(huì)出現(xiàn)洪水漫頂以致潰壩的極端情況，因而壩體是安全的。

(2)縱向增強(qiáng)體土石壩體現(xiàn)了“剛?cè)嵯酀?jì)、漫而不潰、危而不倒”的特點(diǎn)，是對(duì)土石壩筑壩理念的一種突破，也終結(jié)了原有混凝土心墻土石壩只有工程實(shí)踐、沒(méi)有設(shè)計(jì)理論引導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)做法，而將此類(lèi)壩型上升為一種技術(shù)理論方法。將常規(guī)的土石壩和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，即是防滲體系，又是結(jié)構(gòu)體系，為土石壩的建設(shè)提供了一個(gè)新壩型、新體系。倉(cāng)庫(kù)灣水庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用論證了該壩型的可行性，希望能夠總結(jié)更多經(jīng)驗(yàn)，獲得更加豐富的相關(guān)數(shù)據(jù)，以期進(jìn)一步完善縱向增強(qiáng)體土石壩的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

本文得到了四川水利廳總工程師梁軍教高的悉心指導(dǎo)，在此深表謝意！