狭窄河谷高沥青混凝土心墙堆石坝结构设计及计算分析

辛立平

(重庆水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆，401120)

1 工程概况

重庆市奉节县百岛湖水库工程是一座具有城乡供水、农业灌溉等综合效益的中型水利工程。水库位于奉节县梅溪河一级支流车家坝河中下游河段，坝址位于奉节县红土乡廖家咀处，水库总库容1406.00万m3，多年平均供水量2174万m3，工程等别为Ⅲ等中型工程，建筑物级别为2级。水库坝枢由沥青混凝土心墙石渣坝、溢洪洞和泄洪洞、取水塔和取水隧洞、上坝公路和交通洞组成。大坝采用沥青混凝土心墙石渣坝，大坝河床建基面至坝顶防浪墙最大高度为90.5m。

百岛湖水库选坝河段位于香树坪至下游白马沱长约2.6km河谷内。两岸临河山顶高程800m～950m，岸坡地形陡峻，山体雄厚；河谷深切，地形对称性较好，呈狭窄“V”型河谷。选坝河段属渠马河向斜南翼，沿河道由上至下依次出露侏罗系上统蓬莱镇组-遂宁组地层，岩性为砂、泥岩不等厚互层，岩层面缓倾上游属横向-斜向谷。岸坡中下部及河床主要分布J3S2-2、J3S2-3地层，泥岩类软质岩占比较高。两岸后坡陡崖、倒崖分布较上坝址多，强卸荷岩体及危岩体均较上坝址发育；在混凝土坝型适宜性方面较上坝址差。

2 沥青混凝土心墙堆石坝设计

沥青混凝土心墙石渣坝心墙基座最低高程为546.00m，最大坝高80.00m，坝顶宽度12.00m，坝顶长189.78m。大坝上游坝坡前布置围堰，围堰堰顶高程为577.80m，在上游591.00m高程设宽17.00m，以坡比1∶9.3至围堰顶部形成弃渣压脚区；坝体坝脚以上至591.00m高程坝坡为1∶3.5，并设8.0m宽平台，在高程591.00m处设置C20混凝土镇脚与两岸坡镇脚衔接；591.00m高程以上至坝顶坡比为1∶2.0，高程615.00m设置5.0m宽平台；下游坝坡结合坝后上坝公路布置，采用Z字型布置，在558.00高程以上，从坝顶至灰岩级配排水坡比为1∶2.0。

3 坝体分区及材料特性

坝体从上游至下游主要分区为：上游Ⅰ区(弱风化砂岩料)；上游Ⅱ区(砂岩与砂质泥岩石渣混合料(含强风化料))；坝体过渡层分布于沥青混凝土心墙上、下游两侧，紧靠下游过渡层为Ⅲ区，采用弱风化砂岩石渣料填筑；Ⅲ区下游为Ⅳ区，采用砂质泥岩石渣料填筑。高程558.00m下设级配砂岩水平排水带，砂岩水平排水带后接砂岩排水棱体，排水棱体顶高程为558.00m。

表1 沥青混凝土心墙石渣坝材料设计参数

4 渗流分析计算

渗流分析计算程序采用河海大学工程力学系、南京水准科技有限公司联合开发的土石坝稳定分析系统AutoBank6.1，采用有限单元法计算。

沥青混凝土心墙参照已成工程，根据工程类比选定。沥青混凝土渗透系数1×10-8cm/s，坝壳弱风化砂岩石渣料渗透系数1×10-2cm/s，坝壳砂岩与砂质泥岩混合料(含强风化料)渗透系数5×10-3cm/s，坝壳弱风化砂质泥岩石渣料渗透系数1×10-3cm/s，过渡层渗透系数1×10-2cm/s。

稳定渗漏的上游水位是634.00m，下游无水，经分析计算，大坝渗水量约5.54m3/d，平均年损失水量约2022m3，占水库总库容的0.02%。大坝下游浸润线较低，渗水基本沿反滤层和排水体渗向下游。计算成果表明，沥青混凝土作为大坝防渗体，是安全可靠的，不存在渗透稳定问题。

5 坝坡稳定分析

坝坡稳定计算程序采用河海大学工程力学系、南京水准科技有限公司联合开发的土石坝稳定分析系统AutoBank6.1。

5.1 正常运用条件

(1)稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位处于634.00m～596.00m之间的各种水位的稳定渗流期；

(2)库水位降落期，计算上游坝坡，水库水位处于634.00m～596.00m之间经常性的正常降落；

5.2 非正常运用条件

(1)施工期，计算上、下游坝坡；

(2)校核洪水位稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位在634.73m时的稳定渗流期；

(3)库水位非常降落期，计算上游边坡，自校核洪水位634.73m降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等。

5.3 计算参数及结果

根据地勘提供的岩土物理力学参数建议值，结合国内已建工程的经验，确定材料计算参数见表2。

表2 土石料物理力学参数设计值

从表3中可看出，在各设计工况下坝坡均是稳定的。

表3 坝坡稳定分析计算成果

6 应力和变形分析

6.1 应力和变形分析计算参数

根据坝体的布置，选取计算典型断面。计算采用AutoBank6.1程序，对坝体进行平面有限元应力应变分析。

6.2 计算成果

6.2.1 坝体完建

(1)坝体的最大变形和应力

表5 坝体填筑至坝顶时坝体和廊道的计算结果

(2)沥青混凝土心墙的最大变形和应力

表6 坝体填筑至坝顶时沥青混凝土心墙的计算结果

6.2.2 蓄水至校核洪水位

(1)坝壳的最大变形和应力应变

表7 蓄水至校核洪水位时坝体和廊道的计算结果

(2)沥青混凝土心墙的最大变形和应力

表8 蓄水至校核洪水位时沥青混凝土心墙的计算结果

6.3 计算结果分析

对表4所列参数进行静力有限元计算,研究了坝体在完建期、蓄水期的应力变形特性，尤其是坝体、心墙、廊道的应力分布，主要结果如下。

表4 坝体应力应变分析计算参数

6.3.1 沉降

(1)完建期：大坝沉降基本呈上下游对称分布，最大沉降值位于坝高2/3处。其中，坝壳料最大沉降值为0.482m；心墙最大沉降值0.23m。

(2)蓄水期：蓄水期沉降仍基本呈上下游对称分布，最大沉降值位于坝高2/3处。其中坝壳料最大沉降值0.585m，相比竣工期增加0.103m；心墙最大沉降值0.311m。

6.3.2 水平位移

(1)完建期：大坝坝体位移呈上下游对称，上下游坝壳料位移均向远离轴线方向，越靠近位移值轴线越小。其中，上游坝壳料最大位移0.204m；下游坝壳料最大位移0.241m；心墙最大水平位移0.014m，向下游方向。

(2)蓄水期：蓄水后由于水压力的作用，坝体位移整体向下游方向。上游坝壳料位移值较大，达到0.479m，方向于竣工期相反，相对位移值达到0.683m；下游坝壳料位移值0.439m；心墙最大水平位移0.352m，向下游方向。

6.3.3 坝体应力

(1)完建期：坝体应力分布均匀，未产生应力集中现象，最大水平应力930kPa，最大垂直应力1722kPa，最大剪切应力(XY)141kPa。

(2)蓄水期：坝体应力分布均匀，未产生应力集中现象，最大水平应力924kPa，最大垂直应力1789kPa，最大剪切应力(XY)157kPa。

根据计算，完建期和蓄水期的坝体应力分布比较均匀，未产生应力集中现象，最大应力在安全允许范围内。

6.3.4 心墙应力

(1)完建期：心墙应力分布均匀，未产生应力集中现象，最大水平应力1704kPa，最大垂直应力2755kPa，最大剪切应力(XY)134kPa。

(2)蓄水期：坝体应力分布均匀，未产生应力集中现象，最大水平应力1694kPa，最大垂直应力3100kPa，最大剪切应力(XY)188kPa。

根据计算，完建期和蓄水期的心墙应力分布比较均匀，未产生应力集中现象，最大应力在安全允许范围内。

6.3.5 廊道应力

(1)完建期：C25混凝土廊道最大压应力4193kPa，未超过C25混凝土的抗压极限值。

(2)蓄水期：C25混凝土廊道最大压应力4133kPa，未超过C25混凝土的抗压极限值。

6.4 计算结论

计算成果表明，完建期河床部位坝体沉降较大，可能会使坝肩心墙部位产生剪切和拉伸变形。由于沥青混凝土本身具有较大的抗剪切和拉伸变形能力，同时它具有流变变形，能吸收不利的抗剪应力。同时，参照已建工程的经验，完建期坝体的沉降对坝体运行影响较小，因此完建期坝体的沉降不会危及心墙的安全。蓄水期心墙和廊道变形连续，无突变现象。在施工和蓄水过程中，坝体、地基和防渗系统的应力状态都基本符合要求，大坝未发现异常现象。因此，从二维有限元应力变形分析的成果看，沥青混凝土心墙坝技术上是可行的。

7 结论

百岛湖水库坝址处河谷狭窄，岸坡陡峻，坝比较高，结合已有沥青混凝土坝设计经验并基于Autobank软件，在可研阶段进行，坝坡稳定分析、渗流分析和应力应变分析，满足要求，采用沥青混凝土坝是可行的。