燕山水库大坝结构设计

燕山水库大坝结构设计

水库边坡稳定是水库结构设计和水库安全评估的主要基础。燕山水库因大坝较长,右岸坝高远高于左岸,采用统一的坝体结构并不合理。而合理的坝体结构设计应根据所用坝料并充分考虑坝型、防渗、排水、反滤、护坡等因素。鉴此,本文在系统分析坝体结构设计的基础上,通过选取典型坝面,分析了各工况下的坝坡稳定情况,尽可能达到安全可靠和技术经济最优化,确保工程安全。1水库结构1.1分坝坝型燕山水库挡水建筑物基本坝型采用土石坝。左岸台地坝高较低,坝段采用均质土坝坝型,主河槽和左岸台地坝高较高,坝段采用分区坝坝型。分区坝型主要从坝体与围堰结合和河槽段截流后工期控制等方面考虑,斜墙坝坝型较心墙坝优势更明显且斜墙坝方案投资较少,因此选用斜墙坝作为燕山水库主坝河槽段和左岸阶地坝段的典型坝型。1.2全可满足要求均质坝体、粘土斜墙防渗体和围堰防渗体土料均采用低液限粘土(中重粉质壤土)(Q3)填筑。燕山水库均质坝段坝高相对较低,常年坝前无水,采用低液限粘土填筑完全可满足要求。根据规范要求,粘土斜墙防渗体底部厚度不宜小于1/5最大作用水头。燕山大坝因坝基存在顺河大断层,加上砂砾料缺乏,而土料相对较丰富,防渗体的断面布置主要依据坝体开挖填筑料物平衡及天然建材料源情况,同时考虑围堰防渗体和坝体粘土斜墙结合、防渗墙施工及顺河大断层段坝基的后期处理等综合因素确定。为防止冰冻或干裂,斜墙上游面107.40m高程以上和以下分别设有厚1.50、0.60m的垫层和反滤保护层。上游斜墙防渗体坡与坝坡坡比基本一致,下游坡坡比为1∶1.25。1.3水库外壳材料设计(1)防渗料和反滤料第三系粘土质砂岩、砂砾岩室内渗透变形试验破坏比降为1.24,按安全系数3考虑,允许比降仅0.41,与低液限粘土(Q3)防渗料允许比降3～5相比明显偏小,且该坝料:①偏粗且相变大,具有明显的不均匀性;②饱和后强度明显降低,压缩性明显增加;③饱和条件下的力学性质亦很差。因此不宜作防渗体和反滤料,仅能用于下游坝壳干燥区。溢洪道尾水渠开挖的粘土质砂砾岩有一定膨胀性,为减少气候干湿交替对粘土质砂砾岩的影响,使用时在粘土质砂砾岩的下游外包厚4.00m的非膨胀页岩为主风化渣料。(2)坝体料可达性开挖的石渣岩性为不同风化程度的马山口组石英砂岩和安山岩、云梦山组石英砂岩和页岩。全、强风化砂页岩混合料的抗剪强度相对较高,压缩性较低。该坝料因全强风化岩比例不同,性质可能亦有较大差别,属较软弱的堆石料,用于河槽段及台地较高坝段下游干燥区坝壳填筑,可确保较高强度指标,亦满足坝坡稳定性要求。马山口组石英砂岩抗风化能力较强,基本为弱微风化料(为较好的硬岩堆石料),在大坝下游坝壳填筑利用量很大;石英砂岩和微风化安山岩主要用于河槽等较高坝段下游坝壳填筑,下游最高尾水位94.14m高程以下坝壳采用该坝料填筑,95.00m高程以上采用其他渣料。1.4坝体结构比选斜墙坝段紧靠粘土斜墙和围堰防渗体下游设坝体反滤排水带,底部通过水平排水带与下游坡贴坡排水相连共同组成坝体排水系统。在左岸低斜墙坝段,防渗体下游坝壳采用溢洪道开挖的粘土质砂砾岩外包页岩为主的风化渣料填筑。坝料级配与天然砂砾料接近,在下游坝壳粘土质砂砾岩与上游粘土防渗体和下游坝基土层间仅设1.00m厚的粗砂层作为坝体反滤排水带和底部水平排水带。在坝高较高的台地坝段,防渗体下游反滤排水厚1.20m加2.00m厚的砂砾料排水过渡层。该坝段底部水平排水带在左岸台地低液限粘土坝段由0.50m厚反滤粗砂和1.50m厚砂砾料组成,以满足砂砾料水平排水带和底部坝基土层及上部坝体间的层间过渡。在河床漫滩坝段,下游坝壳填筑区高程95.00m以下为硬岩堆石料,以上为风化砂页岩开挖料、河床开采砂砾料及粘土质砂砾岩。防渗体下游反滤排水厚1.20m加2.00m厚的砂砾料排水过渡层,在坝壳区与硬岩相接时增加了细堆石料过渡层。河槽坝基为卵石混合土(Q4),底部水平排水带直接采用与坝基材料相同的砂砾料填筑,水平排水带厚2.00m,其中下部为0.70m厚的粗砂料,上部为1.30m厚的天然砂卵石料。综上所述,坝体结构可选择为:①桩号2+665.50为左岸台地均质坝段,坝体材料主要为低液限粘土。②桩号2+700.00～4+084.00为左岸台地粘土斜墙分区坝段,斜墙防渗体采用低液限粘土,坝壳料采用溢洪道、输泄水建筑物开挖的渣料;对任意料区填筑的粘土质砂砾岩,在下游坝壳设垂直厚度为4.00m的非膨胀石渣料。斜墙坝段在下游坝壳粘土质砂砾岩与上游粘土防渗体间及坝壳料与下游坝基土层间设反滤排水带。③桩号4+150.00～4+720.00为河槽粘土斜墙分区坝段。斜墙防渗体采用低液限粘土,坝壳料采用输泄水建筑物开挖的渣料、砂砾料和溢洪道尾水渠开挖的粘土质砂砾岩。高程95.00m以下采用石英砂岩、弱微风化的石英砂岩夹页岩等硬岩石渣,以上采用其他渣料和砂砾料。粘土斜墙与坝壳料间设垂直1.20m厚的反滤层,2.00m厚的天然砂砾料排水带和过渡层。地基与坝壳料间依次为0.70m厚的粗砂、1.30m厚的天然砂砾料排水带和0.80m厚的过渡层。斜墙防渗体与坝基间及一级阶地段天然砂砾料排水带下部另设0.70m厚的粗砂反滤。三种坝段间均设有过渡段。大坝平面布置见图1。2水库边坡稳定分析2.1其他边坡稳定计算工况计算断面依据坝高、坝基土层性质和坝型选取,分别选取桩号4+450.00、4+100.00为典型断面(图2)。燕山水库地震基本烈度为6度,可忽略抗震计算,因此坝坡稳定计算不考虑地震工况。其他边坡稳定计算工况按《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),包括三种工况:①工况1。施工期的上、下游坝坡;②工况2。稳定渗流期的上、下游坝坡;③工况3。水库水位降落期的上游坝坡。在三种工况中,稳定渗流期计算了三种库水位时的上游坝坡稳定和设计水位时的下游坡稳定,水库水位降落期计算了三种库水位变化时的上坝坡稳定。2.2坝坡坡厚级设计按计及条块间作用力的简化毕肖普圆弧法电算,计算使用中国水利科学研究院岩土所编制的边坡稳定分析程序STAB,采用最优化法自动搜索最小安全系数和最危险滑裂面。各种坝料稳定计算所用强度指标取自文献,所有工况均采用有效应力法计算,施工期和库水位降落期均采用总应力法计算,并取有效应力法和总应力法计算的较小安全系数为最终结果。稳定计算确定的上游坝坡坡比为1∶3.00、1∶3.50,在高程107.40m设8.00m宽马道。下游坡分3级,自上而下坡比为1∶2.25、1∶2.50、1∶2.50,在高程107.00m、96.00m设2.00m宽马道。根据规范要求,2级建筑物正常运用条件安全系数K≥1.35,非正常运用条件安全系数K≥1.25,计算结果见表1。由表可知,各断面上游坡最小安全系数出现于施