胶凝砂砾石坝的设计准则（可编辑）

1、胶凝砂砾石坝的设计准则 胶凝砂砾石坝的设计 准则 中国大坝协会秘书处 郑璀莹 、贾金生 、 杨 会臣 、马锋玲、徐 耀、冯 炜1 概述 胶凝砂砾石筑坝技术是 国际上近年发展起来的 新型筑坝技术,其特点 是采用 胶凝材料和砂砾石材料( 包括砂、石、砾石等) 拌合筑坝,使用高效率 的土石方运输机械和压实机械施工, 具有安全可靠、经济性 好、施工工艺简单、速 度快、环境友好 等 优 点 : (1 )胶凝砂砾石具有一定的抗冲刷能力,坝顶过水也不至于溃坝; (2 )可以充分利用当地筑坝 材料,减少弃料,水泥 掺量少,不仅节约成本 ,而且大幅减少大坝施工对环境的影响; (3) 对施工工艺要求较低 , 大幅

2、度简化流程, 缩短工期。近年在日本、土耳其、 希腊、法国、菲律宾等 国家的永久工程得到应 用。 我国对该坝技术的研究始于上世纪 90 年代, 通过对筑坝材料特性、 大坝受力特性、 防渗体系、施工工艺等的系列研究,2004 年建成了第一座胶凝砂砾石坝围堰,即坝高 16.3m 的福建尤溪街面水电站下 游围堰。之后,胶凝砂 砾石筑坝技术在福建洪 口、云南功果桥、贵州沙沱、四川飞 仙关等围堰工程中得到 陆续应用。由于缺少该 坝型设计的行业技术标准,近年多座 中小型水库大坝将胶凝 砂砾石坝作为备选坝型 之一,但尚没有建成永久工程。 根据国内外工程实践, 目 前,胶凝砂砾石围堰 工程和大坝工程的设计 通常

3、采 用经验设计,多参照混凝 土重力坝的设计方法和 控制指标体系。 基 于 国 际 已 建 胶 凝 砂砾石坝工程的经验,通 过对材料性能、坝体结 构受力特性和施工工法 的研究,我国自 2004 年来陆续建成了福建街面、 福建洪口、 云南功果桥、 贵州沙陀、 四川飞仙关等胶凝砂砾石围堰工程 ,取得了一定的技术进 展,但与国际当前研究 发展水平对比来看 还有一定的差距, 对于胶凝砂砾石坝 作为 永久工程的建设, 尤其需要行业标准,明确胶凝砂砾石坝的设 计方法,并建立控制指 标体系。本调研基于 胶 凝 砂 砾 石 坝 技术导则编制工作开展, 旨在对国 际 已 建 工 程 和 国 内 拟 建 工 程 的

4、 设 计 准 则 和 研 究 进 展进行调研。 405本次调研通过搜集、整 理国内外学术期刊、国 际会议论文集和相关研 究报告 、硕 士和 博 士 论 文 中 有 关 胶 凝 砂 砾 石 筑 坝 技 术 的 相 关 内 容 , 对 胶 凝 砂 砾 石 坝 设 计 准 则及结构设计 等 方 面 进 行 归 纳 、 总 结 、 提 炼 , 以 期 为 国 内 专 家 了 解 该 新 坝 型设计 技术进展 ,以及为后续研究工作提供参考。 2 胶 凝 砂砾 石坝 断面 设计 2.1. 允许应力和材料设计 强度 根据材料试验,胶凝砂 砾石是一种弹塑性材料 ,性能与碾压混凝土类 似,但 是强度、弹性模量等

5、性能 指标相对较低。由于胶 凝材料的胶结作用, 胶 凝 砂 砾 石 材料通常按照 胶 结 体 来 考 虑 , 坝 体 中 胶 凝 砂 砾 石 的 允 许 应 力 不 超 过 胶 凝 砂 砾 石 的 材料强度。 根据日本胶凝砂砾石坝技术导则 和 tobetsu 大坝的设计, 胶凝砂砾石设计强度采用 600mm 的圆柱体试件 90 天龄期的弹性极限强度, 要求设计和校核工况 (不?300含地震情况) 坝体最大主应力不超过 胶凝砂砾石 材料的设计强度。tobetsu 胶凝砂砾石坝 的设计强度为 2.5mpa (90d) , 根据已开 展的胶凝砂砾石材料 试验数据 和经验值推导, 该强度 相当于 15

6、0mm 立方体试件 90d 的抗压强度 6.2mpa 。 世界已建最高的胶 凝砂砾石坝为土耳其的 cindere 坝,最大坝高 107m 。该坝的设计强度为 6mpa (180d ) 。 该坝满足应力、 稳定条件的最优断面为上游 1:0.4 、 下游1:0.8 的断面, 为了增加安全余度, 最终采用上下游坡比均为 1:0.7 的对称断面, 根据应 力 计 算 分析 结 果 ,正常 运 行 情 况下 , 最 大压应 力 发 生 在坝 踵 部 位,为 1.31mpa ;设 计 洪 水 情况 下 , 最大压 应 力 发 生在 坝 踵 部位, 为 1.44mpa ; 正常 运行 遭 遇 设 计 地震

7、工 况 下 ,坝 踵 最 大压应 力 为 1.97mpa 。根 据推 算 , 该 工程 采用的胶凝 砂 砾 石 材 料的抗压安全系数 与我国混凝土重力坝坝体混凝土抗压 安全系数取值接近。 胶凝砂砾石 强度较低, 根据当前我国胶凝砂砾 石筑坝关键技术研究和 实践, 采用的设计强度为 150mm 立方体试件 180d 的极限抗压强度。 按正常工作状态下内部胶凝砂砾石不产生拉应 力来设计,即内部胶凝 砂砾石一直处于受压工 作状态。 参照碾压混凝土坝设计相关 规定, 胶 凝 砂 砾 石 的 允 许 压 应 力 按 胶 凝 砂 砾 石 的 极 限 强 度 除以抗压安全系数确定。 胶凝砂砾石的抗压安全系数

8、是胶凝砂砾石坝设计的重要指标。 406材料的抗压强度安全系 数,需要根据大量的工 程实例进行统计。当前 ,胶凝 砂砾石筑坝技术应用正处 在初级阶段,国内尚无 胶凝砂砾石坝的实际 工 程 资 料 可 供 参考。 为了便于应用,当 前可根据试验室数据, 按照保证足够安全余度 的原则,通过比较分析, 参 照 混 凝 土 的 抗 压 强 度 安 全 系 数 选 取 。 我 国 混 凝 土 重 力 坝 设计 规范(sl319-2005) 规定的 坝体混凝土抗压安全系数, 基本组合不小于 4.0, 特殊组合 (不含地震情况)不小于 3.5。参照坝体原型混凝土强度与室内试件混凝土强度的关系 : rf cc

9、c c c c c 1 2 3 4 5r 为坝体原型混凝土抗压强度; cf 为室内 150mm 立方 体试件 90d 保证率 80% 条件下的抗压强度;cc 为试件形状系数,即 长直强度与立方体强度之 比; 1c 为尺寸系数,即大试 件与 150mm 立方体小 试件强度比值; 2c 为湿筛系数; 3c 为实际使用龄期与 90d 龄期抗压强度比值; 4c 为时间效应系数。 5可根据室内试验胶凝砂砾石的抗压强度,来 推 导坝体 胶凝砂砾石原型抗压强度。根据 上式及室内试验数 据 , 在保证坝体材料原 型抗压强度具有相同的 安全度的情况下, 当胶凝砂砾石坝材料抗压安全系数取基本组合为 3.7, 特殊

10、组合 (不含地震情况)为 3.2 时, 与重力坝坝体混凝土安全系数相当。 考虑到胶凝砂砾石坝可供借鉴的实际工程经验不足, 目前参照混凝土 的相关取值, 即抗压安全系数在基本组 合不小于 4.0,特殊组合 (不含地震情况) 不小于 3.5, 以保证胶凝砂砾石坝材料强度安全储备高于混凝土重力坝。 将日本胶凝砂砾石坝技术导则规定的 ?300600mm 的圆柱体试件 90 天龄 期的弹性极限强度按照上式进行换算, 相当于采用 150mm 立方体试件 180 天龄期的极限抗压强度 为 设 计 强 度 时 , 材料抗压安全系数在 设计和校核工况(不含 地震情况)时为 3.7 。 我国 当前研究建议的 胶凝

11、砂砾石坝材料抗压安全系数取值与日本标准 、 土耳其 cinder 坝采用的标准 基本一致。 拟建的我国第一座胶凝 砂砾石坝工 程 ? 山 西 守 口 堡 水 库 胶 凝 砂 砾 石 坝 , 采 用上下游等坡比的梯形断面,上下游坡比为 1:0.6 。采用材料力学法和有限元法进行应力计算,总体上来看, 胶凝砂砾石坝应力水平 较低。由于有限元法存 在角缘处应力407集中,采用材料力学和等效有限元应力结果,则 5mpa 设计强度可 满足要求。该工程设计强度采用 6mpa (180d) ,坝体内部胶凝砂砾石的允许压应力在基本组合时为1.5mpa ,特殊组合(不含地震情况)时为 1.7mpa 。 表 2-

12、1 守 口堡 胶凝砂 砾石 坝设 计强度 计算 计算方法 胶凝砂砾石最大压应力(mpa ) 设计强度要求 (mpa ) 基本组合 1.09 4.36 材料力学法 特殊组合 1.16 4.06 基本组合 1.62 6.48 有限元方法 特殊组合 1.74 6.09 基本组合 0.86 3.44 有限元等效应力 特殊组合 0.89 3.12 根据调研资料,整理了部分胶凝砂砾石工程的胶凝砂砾石 设计强度如表 2-2。 表 2-2 部 分胶 凝砂砾 石围 堰和 大坝工 程的 设计强 度 设计强度工程名称 国家 坝高(m ) (mpa ) 沙沱水电站二期下游围堰 中国 14 4(28d ) 飞仙关水电站

13、一期纵向围堰 中国 12 4(28d ) cindere 大坝 土耳其 107 6(180d ) 守口堡水库大坝* 中国 60.4 6(180d ) tobetsu 大坝* 日本 52 2.5(90d ) ano mera 大坝 希腊 32 5(90d ) marathia 大坝 希腊 28 5(90d ) 多米尼moncion 反调节坝 28 9(90d ) 加 * 守口堡水库大坝:拟建,计划 2013 年正式开工。 *设计强度采用 300mm 600mm 的圆柱体 试件 90 天龄期的弹性极限强度。 2.2. 断面设计 胶凝砂砾石是具有一定强度的干硬凝聚体, 和碾压混凝土类似, 是弹塑性材

14、料。然而,与混凝土材料相 比,胶凝砂砾石强度较 低,因此考虑应力稳定 等要求,坝体断面相对较肥大,这符 合“宜材适构”的设计 理念。从目前已建胶凝 砂砾石坝工程来看,多采用上下游等 坡比的对称梯形断面。 与传统的重力坝三角形 断面相比,对称梯形断面在受力特性 方面具有明显优势,即 在不同荷载工况下,坝 底应力分布变408化不大,坝体内部的应力水平较低,且分布较均匀。图 1 给出了混凝土重力坝与胶凝砂砾石坝在满库和空库工况下建基面的应力分布情况。(a ) 混凝土重力坝 (上 游直立、 下游坡比 1:0.8 ) (b) 胶凝砂砾石坝 ( 上下游坡比 1:0.7 ) 图 2-1 满 库和 空库 条

15、件下 坝底 应力分 布 胶凝砂砾石坝断面设计 目前 一般采用经验设计 ,即根据胶凝砂砾石筑 坝材料 情况 、坝基地质条件和水 文条件等,参照类似工 程断面,初步拟定几组 上下游坡比组合, 再进行应力、 稳定复核, 综合考虑安全性和经济性, 经方案比选确定最终断面。 (1)已 建工程 断面 已建部分胶凝砂砾石工程的断面情况 统计 见表 2-3,工程断面示意 图见图 2-2?2-9。 表 3 已建 部分 胶凝砂砾 石围 堰和大 坝工 程的上 下游 坡比 坡比 坝高 坝顶长 工程名称 国家 建成年 上游 下游 (m ) (m ) (1:m ) (1:n ) 洪口水电站上游围堰 中国 2006 35.

16、5 - 1:0.3 1:0.75 街面水电站下游围堰 中国 2004 16.3 49.5 1:0.4 1:0.4 围德山水库一期围堰 日本 2000 14.5 140 1:1.2 1:1.2 堰沙沱水电站二期下游 工中国 2009 14 132.5 1:0.6 1:0.6 围堰 程 飞仙关水电站一期 中国 2011 12 335 1:0.6 1:0.6 纵向围堰 大 cindere 大坝 土耳其 2008 107 281 1:0.7 1:0.7 坝tobetsu 大坝 日本 2010 52 432 1:0.8 1:0.8 4091:0.41:0.41:0.751:1.0工 can-asujan

17、 大坝 菲律宾 2004 44 145 1:0.6 1:0.6 程 亿首大坝 日本 2012 39 400 1:0.8 1:0.8 长岛水库拦沙坝 日本 2000 34 - 1:0.6 1:0.7 ano mera 大坝 希腊 1997 32 150 1:0.5 1:0.5 太保大坝 日本 - 30 110.5 1:0.8 1:0.8 marathia 大坝 希腊 1993 28 265 1:0.5 1:0.5 多米 moncion 反调节坝 2001 28 270 1:0.7 1:0.7 尼加 mykonos i 大坝 希腊 - 25 - 1:0.5 1:0.5 183.30183.3018

18、3.30183.30下游上游上游 下游3 310kn/m 10kn/m?0 0320.5kn/mg038gn23.0%3 324kn/m24kn/m3h 12.8kn/m hf167.50167.00 167.008.528.528.52 8.52作为下游围堰 作为下游坝趾量水堰工况1 工况2图 2-2 尤 溪街 面枢纽 下游 围堰 3过水标准:p10 %,全年,q4180m /s83.05围堰轴线堰顶c 20常态砼厚 50 0mm22 90076.50376.17 挡水标准:枯水期10-4月,p10 %,q1350m /s24 36071.50c 20砼预制块c 20砼预制块365.17 p

19、10 %,全年,q4180m /s上游面富浆区360.44 枯水期10-4月,p10 %,q1350m /scsg 堰体49.70原地面线48.50原地面线41.00基础富浆级配csg 砼垫层厚 50 0mm说明:图中高程单位以 m 计,其他单位以 mm 计 图 2-3 洪 口水 电站上 游胶 凝砂 砾石围 堰典 型断面 示意 图 4101:1.01:0.41:0.41:0.324 120022 1200 图 2-4 贵 州沙 沱水电 站二 期下 游围堰 典型 剖面图 (横 0+066.00 )图 2-5 飞 仙关 水电站 一期 纵向 围堰剖 面示 意图图 2-6 日本 nagashima 坝

20、 剖面 图 411常态混 凝土图 2-7 希腊 ano mera 坝 剖面 图图 2-8 土 耳其 cindere 坝 剖面 图412图 2-9 日本 tobetsu 坝 典 型断 面 图 (2)土 耳其 cindere 坝 的断 面设计 土耳其的 cindere 坝是 目前世界上已建最高的胶凝砂砾石坝,最大坝高 107m ,坝顶长 280.58m ,宽 10m ,2008 年建成 。胶凝砂砾石坝坝体采用上、下游坝坡为 1:0.7 的对称梯形断面, 坝体上游面设置防渗面板和排水系统, 坝体内部不做防渗处理。 cindere 坝位于强震区 , 大坝的稳定分析和结构计算主要采用两种方法: (1)采

21、用传统重力坝计算分析方法进行坝坡优化和坝体体型确定; (2 ) 采 用 有 限 元 法 确 定强度要求。设计原则为: 1 根据正常运行工况、 运行 基准地震 (operatiing basis earthquake, obe ) 工况下的稳定和强度要求优化坝体断面,确定材料水泥用量; 2 根据最大可信地震 (mce ) 工况下坝体的抗倾 覆、 抗滑稳定对断面进行校核,确保最大可信地震发生时不至于出现严重破坏或溃坝; 3 通过温度应力计算,确定横缝间距,以避免温度裂缝,确保夏季施工 。 cindere 坝 设 计 时 , 上 游 坡 比 取 值 范 围 在 1:0.4-1:0.7 , 下 游 坡

22、 比 取 值 范 围 在1:0.7-1:1.0 ,对每个坡比组合体型方案,进行抗滑、抗倾覆稳定安全系数、建基面压应力,以及坝体方量的对比分析,每个体型方案采用的荷载工况为: 工况 1:施工期 工况 2:建成空库遭遇 运行基准地震(obe),obe 峰值水平加速 度为 0.2g 工况 3:设计洪水工况 413工况 4:正常运行遭遇 运行基准地震(obe),obe 峰值水平加速 度为 0.2g 工况 5: 正常运行遭遇最大可信地震 (mce),mce 峰值水平加速 度为 0.3g (该工况只进 行稳定复核) 工况 6:校核洪水工况 地震荷载采用拟静力法确定。 应力、稳定计算分析采用的公式如下: 1

23、)抗倾覆稳定安全系数 mrfsomo mr mofs?o其中: 为抗倾覆安全系数, 为抗倾覆弯矩之和, 为倾覆弯矩之和。 2)抗滑稳定安全系数 catannfssh 其中,fs 为抗滑安全系数,c 为基岩粘聚力,a 为坝基接触面面积, n 滑动s面法向力之和, h 为剪切滑动力之和。3)承载应力 nm *c1,2a i其中,为最大、 最小承 载应力,m 为法向力偏心弯矩之和 (m ),cn ?e1,2为作用位置到截面中性轴之间的距离,i 为截 面惯性矩。 cindere 坝 坝 基 基 岩 的 内 摩 擦 角 为 25-35 , 粘 聚 力 为 0.2-0.3mpa ,弹性模量为8-9mpa

24、。对 cindere 坝不同上下游坡比方案进行稳定计算,满足稳定要求的最优断面为上游 1:0.4 、下游 1:0.8 ,该断面在正常运行遭遇 运行基准地震(obe )工况下,抗滑稳定安全系数为 1.27, 略大于规定要求的 1.2。 该工程最终采用上下游坡比均为1:0.7 的对称断面,坝 体方量比最优方案增加约 11% ,但坝体的稳定和应力情况获得改善, 正常运行遭遇 运行基准地震 (obe ) 工 况下抗滑稳定安全系数为 1.396, 最大可信地震工况下抗滑稳定安全系数为 1.050,坝基应力降低 21% 。 上下游坡为 1:0.7414时,各工况的稳定、应力计算结果如 表 2-4。 表 2

25、-4 cindere 坝 应 力 稳定 计算结 果 抗倾覆 抗剪断 坝趾应力 坝踵应力 计算工况 安全系数 安全系数 (kpa ) (kpa ) 工况 1:施工期-1681.2 -1490.2 工况 2: 建成空库遭遇 运行基准地震 (obe ) 10.04 2.974 -1197.9 -1973.5 工况 3:正常运行工况 2.675 3.858 -1122.3 -1311.8 工况 4: 正常运行遭遇 运行基准地震 (obe ) 2.166 1.396 -637.9 -1835.8 工况 5:正常运行遭遇最大 可信地震 1.974 1.050 -383.5 -2111.0 工况 6:洪水工

26、况 2.478 2.898 -1039.8 -1439.8 采用有限元法对应力和 稳定进行计算分析,复 核了坝基面各节点的抗 滑稳定 安全系数。对剪应力较大 区域,采用增加水泥用 量的方法增大该区域的 抗滑稳定性。对于应力集中造成的局 部高应力区,认为不作 为坝体材料强度选择的 控制性因素,坝体材料的强度根据应力分布情况综合考虑确定。 (3)日 本胶凝 砂砾 石坝 的断 面设计 根据日本胶凝砂砾石坝技术导则,大坝稳定 计算采用按抗剪强度公式 : fsf v/h 要求设计地震工况下, 抗滑稳定安全系数不小于 1.5; 校核地震工况下抗滑稳定安全系数不小于 1.2。这与日本混凝土重力坝的控制标准一

27、致。 材料分区和各分区材料 的强度要求根据有限元 法应力计算结果确定, 对最不 利荷载工况下的有限元应 力乘以相应的安全系数 ,来确定不同分区坝体 材料的强度要求。设计地震工况,不同分区材料最低强度为有限元应力的 1.5 倍;校核地震工况,不同分区材料最低强度为有限元应力的 1.2 倍。 应力、稳定计算时考虑的荷载如图 2-10。 415图 2-10 计 算分 析 考虑的 荷载图 2-11 不 同 工况应 力分 布和 材 料最 低强 度要求图 2-12 日本 tobetsu 坝 材料 强度要 求和 分区示 意图 416(4)我国胶凝 砂砾 石坝 断面 设计 准则 应力、稳定计算方法和 控制指标

28、,是胶凝砂砾 石坝断面设计的关键。 我 国 前 期建设的胶凝砂砾石围堰 工程一般参照重力坝规 范进行应力稳定复核。 在编制胶凝砂砾石坝技术导则过程中, 基于对土耳其 cindere 坝和日本导则的对比研究, 并结合守口堡工程的应用研究,相应的设计准则 研究取得了一定进展。 根据已有资料, 对 cindere 坝抗滑稳定稳定计 算结果按照我国重力坝规范确定的公式进行复核。 根据 表 2-4 中工况 3 和工况 6, 已知自重、 静水压力和扬压力, 可推算竖向、水平向泥沙压 力等荷载。根据确定的 静荷载 , 可 推 算 各 地 震 工 况 的 地 震 荷载。 根据推导 ,cindere 坝地震惯性

29、力采用如下公式计算:fga (a 为地震动加速h h度) 。 为与我国重力坝规范规定的抗滑稳定安全指标进行对比, 按我国规范对地震荷载重新进行计算, 并根据其他荷载及参数, 对 cindere 坝上游 1:0.4 、 下游 1:0.8 和上下游 1:0.7 两个断面计算 抗剪断稳定安全系数,如表 2-5。 表 2-5 cindere 坝 设 计 抗剪 断安全 系数 (地震 荷载 按我国 规范 计算) 抗剪断安全 系数 抗剪断安全系数 计算工况 (上、下游 1:0.7 ) (上游 1:0.4 、下游 1:0.8 ) 工况 2:建成空库遭遇 运行基准 2.972 2.959 地震(obe ) 工况

30、 3:正常运行工况 3.858 2.840 工况 4:正常运行遭遇 运行基准 2.775 2.233 地震 (obe ) 工况 5:正常运行遭遇最大可信地震2.408 1.817 (mce ) 工况 6:设计洪水工况 2.898 2.118 cindere 坝断面设计过 程中, 曾不同上下游坡比方案进行稳定计算, 满足稳定要求的最优断面为上游 1:0.4 、 下游 1:0.8, 该断面在正常运行遭遇 运行基准地震 (obe )工况下, 抗滑稳定安全系数为 1.27, 略大于规定要求的 1.2。 该断面按照我国规范计算得到的抗剪断安全系数, 在正常运行工况下为 2.84, 略小于 sl319-2

31、005 规定的基本组合 k 不小于 3.0; 在正常运行遭遇 运行地震工况下为 2.233, 略小于 sl319-2005规定的特殊组合(2)k 不小于 2.3。 日本胶凝砂砾石技术导 则中,稳定计算采用抗 滑稳定安全公式,控制 标准与 混凝土重力坝一致。 417通过守口堡工程的应用研究,并与日本 csg 设计准则、土耳其 cindere 坝设计准则进 行对比分析, 研究 提出了我国胶凝砂砾石坝设计准则: 1) 胶凝砂砾石是具有一定强度的胶结材料, 在水压力和其他荷载作用下, 胶凝砂砾石坝主要依靠自重 产生的抗滑力来满足稳 定要求,抗滑稳定通常 是控制性的因素。抗滑稳定计算可参 照重力坝的计算

32、分析方 法,坝基面抗滑稳定计 算应采用抗剪断强度公式或抗剪强度 公式,碾压层的抗滑稳 定计算应采用抗剪断强 度公式,抗滑稳定安全系数不小于 表 2-6、表 2-7 所列的控制指标值。 胶凝砂砾石与基岩、 垫层接触面,以及层面的抗剪 参数尚无大量实际工程 的经验值可供参考,需 要根据进行试验测定,并根据工程重要性合理选用设计值。 表 2-6 坝 基面 、层 (缝 )面 抗滑稳 定安 全系数 k 荷载组合 k 基本组合 3.0 (1 ) 2.5 特殊组合 (2 ) 2.3 表 2-7 坝 基面 、层 (缝 )面 抗滑稳 定安 全系数 k 坝的级别 荷载组合 1 2 3 4 5 基本组合 1.10

33、1.05 1.05 1.05 1.05 (1 ) 1.05 1.00 1.00 1.00 1.00 特殊组合 (2 ) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 2) 应力计算采用 材料力学法的计算成果为依据, 采用有限元法进行复核。 要求在任何工况下,胶凝砂 砾石坝坝体最大主压应 力应小于材料允许压应 力,保护层拉应力应小于材料的允许 拉应力,内部胶凝砂砾 石不出现主拉应力。运 用期各种荷载组合下,坝踵垂直应力 不应出现拉应力,坝趾 垂直应力应小于坝基允 许压应力;施工期坝踵垂直应力应小于材料允许压应力,坝趾垂直应力不允许出现拉应力。 根据上述设计准则, 对 守口堡胶凝砂砾石坝 稳

34、定进行了计算分析(见 表 2-8),应力计算采用 材料力学法的计算成果(见表 2-9)为依据,采用有限元法进行复核。通过大量结构计算分析, 守口堡胶凝砂砾石坝推荐采用上下游坡比为 1:0.6 的等腰梯形断面(如图 2-11)。418表 2-8 守 口堡 坝基 抗滑 稳定 安全计 算结 果 荷载工况 抗剪断安全系数 抗剪安全系数 基本组合 4.07 1.31 特殊组合(1) 校核洪水位 3.81 1.25 特殊组合(2) 地震工况 3.64 1.18 表 2-9 守 口堡 胶凝砂 砾石 坝应 力计算 结果 u d u d u d u d y y x x 1 1工况 (kpa ) (kpa ) (

35、kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) (kpa ) 施工期 746 746 -448 448 269 269 1015 1015正常蓄水位 537 798 -113 479 417 287 605 1085 设计洪水位 534 794 -110 477 416 286 600 1080校核洪水位 540 824 -114 494 418 296 609 1120地震工况 485 850 -81 510 398 306 534 1156 图 2-11 守 口 堡胶凝 砂砾 石坝 典型断 面图 2.3. 对基础的要求 传统混凝土重力坝对于 建基面要求高,需要修 建 在

36、 弱风化 至新鲜 岩 基 上 。 胶 凝砂砾石坝断面大,坝底 应力水平低,作用坝基 的垂直荷载分布均匀且 在满库和空库作用下不发生过大变化,对基岩具有更好的适应性。 街面水电站下游胶凝砂 砾石围堰 作 为 堆 石 大 坝 的 下 游 坡 脚 和 量 水 堰 。 该 量 水 堰(围堰) 基 岩 岩 性 为 重 结 晶 坚 硬 泥 岩 , 建 设 中 将 河 床 段 挖 除 砂 卵 石 层 直 接 建 于 较 平419整的基岩面,基岩为弱微风化岩石。 土耳其 cindere 坝的基 岩主要由云母片岩、 白 垩片岩等变质岩构成。 云母片岩的弹性模量为 约为 9.2gpa (干) 和 2.75-3.7

37、gpa (饱和) , 片岩的轴压强度为 4.7-24.3mpa(干 )和 3.3-15.3mpa (饱 和) 。坝 址无 大的 、需 做特 别处 理的 剪切 破碎 带和 断层通过。该坝对岩屑沉积层 和河床覆盖层进行了开 挖处理,建基面开挖要 求满足的基岩参数: 内摩擦角25-35 , 粘聚力 c200-300kpa , 弹性模量 e 8-9mpa 。 开挖后的m基岩没进行固结灌浆处理, 防渗采取灌浆帷幕。 基础底部混凝土采用 1m 厚的常态混凝土,之后进行 胶凝砂砾石的施工。 我国正在编制的技术导 则提出 : 对 于 中 低 胶 凝 砂 砾 石 坝 , 可 建 在 新 鲜 、 微 风 化或弱风

38、化基岩上,在满足坝基强度和稳定的条件下,可适当降低要求。 2.4. 断面设计中的 构造要求 胶凝砂砾石中,胶凝材料用量较少,因此,绝热温声低、不同强度等级之间材料强度差别相对较小。坝体构造需充分考虑材料的特性,并满足快速施工的要求。根据计算分析和实际工程经验,胶凝砂砾石坝体内部通常采用同一标号的胶凝砂砾石,施工采用大面积摊铺碾压的方式,一般不需进行温控,坝体分缝设计也可大大简化。 胶凝砂砾石坝一般不设纵缝, 横缝设置主要 受坝基地形地质条件、 坝体布置、坝体断面尺寸、施工强度等因素影响,条件允许时可不设或尽量减少设横缝;对于中低坝工程,可根据实际工程情况尽量减少廊道数,廊道可采用常态混凝土、混

39、凝土预制构件等形成。 渗透溶蚀试验表明,胶凝砂砾石具备一定的抗渗能力,对于围堰等临时工程,可采用胶凝砂砾石本体防渗。 对于永久工程, 由于胶凝砂砾石的胶凝材料用量较低,长期耐久性指标相对较低,为了保障大坝长期运行安全,大坝上下游面水下部分需设置防渗层,坝面应设保护层,保护层设置可与防渗层结合考虑 。胶凝砂砾石坝 坝体结构设计体现 坝体功能分开的原则 ,即坝体 胶凝砂砾石主要满足大坝应力与稳定的要求,而不必考虑 材料的 抗渗能力和耐久性; 在坝体胶凝砂砾石外部设置保护和防渗层, 来满足大坝的防渗 和耐久性要求,两者 联合实现坝体稳定和挡水功能。 坝面保护层可依据工程实际、施工条件等采用常态混凝土

40、、碾压混凝土、富浆胶凝砂砾石和堆石混凝土等,厚度根据坝体耐久性要求和施工要求,通过计算分析,并结420合相关工程经验确定。坝面保护层应设置横缝,横缝间距设置要求与混凝土坝、碾压混凝土坝类似,一般为15-20m 。钢筋混凝土 面板、沥青材料、合成橡胶及复合土工膜也可用作上游面防渗层。 希腊的 mykonos i 和多 米尼加的 moncion 反调节坝等采用混凝土面板防渗,防渗面板设计要求与面板堆石坝类似,厚度一般为 30cm 。日本的胶凝砂砾石坝工程,包括 nagashima 拦沙坝 、tobetsu 坝等, 一般 在坝面采用常态混凝土防渗保护层, 厚度一般为 1.5-3.0m 。 土 耳其的

41、 cindere 坝坝面 采用常态混凝土作为保护层, 上游面采用内置式 pvc 土工膜防渗,pvc 土工膜铺设 在混凝土保护层上, 外盖预制混凝土块保护。图 2-12 日本 tobetsu 胶 凝砂 砾石坝 断面 及细部 结构 图 表 2-7 已 建部 分胶凝 砂砾 坝 的 上游防 渗形 式 工程名称 国家 坝高(m ) 上游面防渗形式 tobetsu 大坝 日本 52 预制混凝土板+ 常态混凝土 亿首 (okukubi) 大坝 日本 39 混凝土面板 多米 moncion 反调节坝 28 混凝土面板(30cm ) 尼加 mykonos i 大坝 希腊 25 混凝土面板 守口堡大坝 中国 60

42、.4 二级配碾压混凝土 3 结论 和建 议 胶凝砂砾石是一种强度较低的胶结材料,胶凝砂砾石坝从承载的角度来说,主要依靠自身重力来维持稳定,从设计准则上来说,可以在兼顾材料和坝型特点的基础上,参照重力 坝的设计规范来制定技术导则,以指导永久工程应用。 在未来实践421中,需要根据实际工程经验,进一步论证胶凝砂砾石坝的设计准则,不断修订技术导则,以确保这种新坝型的健康、有序发展。 目前, 我国对胶凝砂砾石筑坝 技术的研究尚处于 初级阶段,虽然在福建洪口、云南功果桥、贵州沙沱等工程的围堰中得到了一定应用,但整体落后于国际水平,急需通过 联合 攻关,通过创新研究 和实际工程建设, 进一步完善设计理论,

43、 形成配套的技术和设备,使这种新型筑坝技术能够 服务于 我国面广量大的中小型水利水电工程建设。 围绕胶凝砂砾石坝的设计, 建议未来 开展如下研究: (1) 胶凝砂砾石 层面抗剪性能和抗滑稳定 指标体系; (2) 胶凝砂砾石三轴试验和本构模型 ; (3) 胶凝砂砾石损伤破坏机理; (4) 胶凝砂砾石坝的动力响应 等。 参考文 献 1 raphael, j.m., the optimun gravity dam a, rapid construction of concrete dams c, asce, 1970. 221-224 th2 londe p., discussion of q.62

44、 a, proceedings of 16 icold congress c, usa, san francisco, 19883 londe p., lino m. f., the faced symmetrical hard-fill dam: a new concept for rcc j, water power & dam construction, 19921: 19-24 4 londe p., lino m. f., fshd, the faced symmetrical hard-fill dam a, proceedings of international symposi

45、um on high earth-rockfill dams c. china, beijing, 1993, 303-310 5 方坤河 等, 推荐 一种 新坝 型? 面板 超贫 碾压 混凝 土坝j , 农田 水利 与小 水 电,199511 :32-36 6 唐新军,一种新坝型? 面板胶结堆石坝的材料及 设计理论研究d ,武汉水 利电力大学博士学位 论文 ,1997 年5月 7 takashi yokotsuka, application of csg method to construction of gravity dam a, thproceedings of 20 icold c,

46、 china, beijing, 2000, 9891007 8 toshio hirose, design criteria for trapezoid-shaped csg dams ,paper for icold 2001 workshop on sep. 14, 2001 9 stevens m a. linard j. the safest damj. journal of hydraulic engineering, 2002,2:139 - 14210 hanada h., tamezawa t., csg method using muck excavated from th

47、e dam foundation a, proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 447-456 11 capote, a hardfill dam constructed in the dominican republic a, proceedings of the fourth 422international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 417-420 12 peter j.mason, hardfill and the ultima

48、te dam, hrwj, 200411, 262913 cannon r. n., concrete dam construction using earth compaction methods a, economical construction of concrete dams c, asce, new york, 1972, 143-152 14 toshio hirose, design concept of trapezoid-shaped csg dam a, proceedings of the 4th international symposium on rcc dams

49、c, spain, 2003, 457-464 15 toshio hirose, concept of csg and its material properties a, proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 465-474 16 coumoulos d.g., koryalos t. p., lean rcc dams-laboratory testing methods and quality control procedures during construction a,

50、 proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 233 238 。 17 batmaz s., cindere dam ? 107m high roller compacted hardfill dam rchd in turkey a, proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 121-126 18 gurdil a.f. & batmaz s., structural design

51、 of cindere dam a, proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003, 439-44619 contraembalse de moncion - a hardfill dam constructed in the dominican republic ,proceedings of the 4th international symposium on rcc dams c, spain, 2003 20 a. fikret grdil temelsu international engineering services inc., c?ndere dam and h.p.p-the first hardfill dam in turkey ( 报 告) ,2004 21 贾金生等,胶凝砂 砾石坝筑坝材料特性及其 对面板防渗体影响的研究r ,中国水利水电 科学研究 院,2004.9 22 l. kongsukprasert, f. tatsuoka, m. tateyama. several factors affecting