黏土斜心墻在土石壩中的應(yīng)用

黏土斜心墻在土石壩中的應(yīng)用

土壤防滲墻水庫是20世紀(jì)中期以來新興的土石水庫類型。該水庫類型也在中國應(yīng)用。例如，小浪底水庫將傾斜土墻和石頭水庫用作蓄水建筑物。相比傳統(tǒng)的心墻、斜墻土石壩,斜心墻土石壩在諸多方面均有一定優(yōu)越性,如:大量試驗研究表明斜心墻受力條件優(yōu)于心墻,不均勻沉降影響小于斜墻;工程實踐表明斜心墻壩下游堆石體體積較大,可提高其壩坡穩(wěn)定性,而且在整平的壩殼堆石坡面上鋪筑反濾層要比在土坡上施工方便。然而斜心墻土石壩尚未得到廣泛應(yīng)用,其原因是:壩體實際應(yīng)力分布不明,如上游庫水壓力通過斜心墻傳到下游壩基的應(yīng)力分布情況與斜心墻坡度對整個壩體的水平位移和上游壩殼的穩(wěn)定影響直到最近幾年才通過試驗和原型觀測逐漸被了解;已建成的工程實例較少,業(yè)界對斜心墻壩的優(yōu)點認(rèn)識不足,且土石壩相關(guān)規(guī)范對其設(shè)計亦無專門規(guī)定,不具備指導(dǎo)性、規(guī)范性。針對這一現(xiàn)狀,筆者以某具體工程實例為對象,探究黏土斜心墻防滲體在壩體中的位置、上游坡度、滲透系數(shù)變化對斜心墻土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,以及黏土斜心墻土石壩的壩高與其安全性的敏感程度。1計算研究方法為探明土質(zhì)斜心墻在壩體中的位置、上游坡度、滲透系數(shù)3個參數(shù)變化對土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定的影響,保持壩殼結(jié)構(gòu)尺寸及材料不變。研究工況取庫水位穩(wěn)定在校核洪水位205m,下游水位取88m。計算研究采用GEO-SLOPE工程分析軟件。該黏土斜心墻土石壩位于某縣城西南10km處C河中游的高山峽谷地區(qū),工程建成后以灌溉發(fā)電為主,并兼顧防洪、航運、養(yǎng)魚及供水等,壩頂無交通要求,不屬于地震區(qū)。斜心墻土石壩壩殼上游坡比為1∶2.0,下游坡度分4級變坡,從壩頂?shù)綁沃阂来螢?∶1.65、1∶1.70、1∶1.75、1∶1.80。一級、二級、三級馬道高程分別為116.09、146.09、176.09m,馬道寬度為4m。壩頂寬為11.24m,壩底寬為483.59m,頂部高程為206.09m,底部高程為81.00m。壩殼材料參數(shù)見表1。1.1黏土斜心墻偏心率在壩體及壩坡滲流穩(wěn)定性分析為了探明斜心墻防滲體在土石壩壩殼內(nèi)上下游位置變化對壩體滲流及壩坡穩(wěn)定的影響,設(shè)計了3種斜心墻位置,見圖1,其中O、O′位置分別為壩頂、斜心墻頂部的中心位置。斜心墻防滲體設(shè)計參數(shù)見表2,斜心墻在壩殼內(nèi)不同位置下的分析計算結(jié)果見表3,其中,斜心墻位置偏心率為OO′與壩頂寬之比,“+”表示O′點位于O點下游方位。由表3可以得出:黏土斜心墻在壩體內(nèi)的位置變化時,斜心墻處浸潤線逸出點高程基本無明顯變化,相對較低的是斜心墻偏心率為-33%時;黏土斜心墻在壩殼內(nèi)的偏心率為-33%～66%時,下游壩坡的水力比降及浸潤線逸出點滲流流速變化不大,而斜心墻偏心率小于-33%時,即斜心墻較靠近上游壩坡時,這2個參數(shù)變化較大,對壩坡滲流穩(wěn)定不利;黏土斜心墻越靠近上游壩坡,上游壩坡的最小安全系數(shù)越大,而下游壩坡最小安全系數(shù)基本無變化。因此,黏土斜心墻位置靠近上游壩坡時,上游壩坡最小安全系數(shù)增大,而下游壩坡安全系數(shù)無明顯變化,但下游壩殼的滲流穩(wěn)定性降低。通過綜合分析,確定黏土斜心墻偏心率為-33%。1.2斜心墻上游坡度為研究斜心墻防滲體在土石壩壩殼內(nèi)上游坡度變化對壩體滲流及壩坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,擬定斜心墻下游坡比不變?yōu)?∶0.2,并通過改變斜心墻底寬來實現(xiàn)斜心墻上游坡度的改變。為利于克服拱效應(yīng)和改善心墻的受力條件,《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)給出上游坡比為1∶0.5～1∶0.6,本研究取斜心墻上游最大坡比為1∶0.5。計算模型取斜心墻偏心率為0,其余設(shè)計參數(shù)不變,上游坡度及計算分析結(jié)果見表4。由表4可知,斜心墻底寬增大,上游坡度減小,對斜心墻的滲流穩(wěn)定是有利的,對下游壩坡的穩(wěn)定基本無影響,但防滲體與上游壩殼距離隨之減小以致對上游壩坡的穩(wěn)定不利。1.3滲透系數(shù)對壩體穩(wěn)定性影響為研究斜心墻防滲體滲透系數(shù)變化對壩體滲流及壩坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,取斜心墻偏心率為0,上下游坡比分別為1∶0.6和1∶0.2,其余設(shè)計參數(shù)不變。滲透系數(shù)變化情況及計算結(jié)果見表5。由表5可知,斜心墻滲透系數(shù)增大對壩體上下游壩坡穩(wěn)定性的影響甚微,而對壩體滲流穩(wěn)定影響較大。綜合考慮斜心墻浸潤線逸出點高程、下游壩殼最大水力比降、滲流流速及現(xiàn)場碾壓施工,認(rèn)為滲透系數(shù)取5×10-5m/s較優(yōu)。2壩高對斜心墻結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響以壩高和斜心墻高為變量對壩體的滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。計算模型的地形、地質(zhì)條件同工程實體,壩體及防滲體底部高程分別為81.0、80.2m,頂寬分別為11.24、4.00m,下游水位為88m,斜心墻上下游坡比分別為1∶0.6、1∶0.2,壩體上游壩殼滲透系數(shù)為1×10-4cm/s,下游壩殼滲透系數(shù)為1×10-2cm/s,黏土斜心墻滲透系數(shù)為5×10-5cm/s,斜心墻偏心率為-33%,壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)及分析計算結(jié)果見表6。由表6可知:斜心墻浸潤線逸出點高程、下游壩殼最大水力比降和滲流流速總體上隨著壩高的增加而增大,但增大幅度不大;隨著壩高的增加,上下游壩坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均有所降低,上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度更大一些。因此,隨著壩高的增加,黏土斜心墻土石壩的滲流安全性與壩坡穩(wěn)定安全性均略有降低,尤其對上游壩坡的穩(wěn)定性更為不利。3壩體及壩高變化對壩坡穩(wěn)定影響的順序以具體工程實例為對象,研究了黏土斜心墻防滲體在壩體中的位置、上游坡度、滲透系數(shù)變化對斜心墻土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定的影響,以及壩高和黏土斜心墻高對壩體滲流及穩(wěn)定的影響,結(jié)果表明:對壩體滲流穩(wěn)定影響由大到小的順序為斜心墻滲透系數(shù)、壩高、斜心墻上游坡度、斜心墻在壩殼內(nèi)的位置,其中斜心墻在壩殼內(nèi)的位置、上游坡度和壩高對壩體滲透穩(wěn)定的影響甚微,但斜心墻滲透系數(shù)對壩體滲透穩(wěn)定的影響較大,是影響壩體滲透穩(wěn)定的關(guān)鍵因素;對上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響由大到小的順序為壩高、斜心墻在壩殼內(nèi)的位置、斜心墻坡度、斜心墻滲透系數(shù),其中壩高對上游壩坡穩(wěn)定的影響幅度相對較大,是影響上游壩坡穩(wěn)