以某水库为例分析粘土心墙堆石坝设计

以某水库为例分析粘土心墙堆石坝设计摘要：本文以某水库为例，首先介绍了粘土心墙堆石坝的施工工艺、操作特点以及坝料的选配，然后对于大坝整体的物理力学性质给出分析结果，分析了粘土心墙堆石坝设计的合理性。关键词：粘土心墙堆石坝；施工；设计粘土心墙坝作为水利工程中较常见的一种优良防渗型建设方法，其自身具备许多不可比拟的优点。下面我将以某水库为例来分析这种设计。水库概况该水库是云南某县人民为了解决本地区的农业灌溉，以及人们的饮水问题而投资修建的。经过四年多的投资建设，截止到工程完工时共投资1.96亿元。现在是一个总库容达810万立方米，坝高、坝顶长分别为88米和262米，且年供水量达1642.4万立方米的大型水库。该水库的建成不仅解决了2.7万亩农田的灌溉问题，而且对于建设小康社会及促进当地经济又好又快发展有重大意义。水库所处河段较为顺直，成V字形，且山高坡陡，局部有陡立的崖壁。水库两岸的陡坡一般较为稳定，只是掩体的风化较为严重，好在选址区没有明显的断层迹象。经勘测，工程区内的地质构造稳定性不理想，不仅坝基存在渗漏，坝肩也存在类似问题。但同时选址的附近防渗的粘土料和石料丰富，选用的粘土心墙堆石坝设计方案可以明显的缩减预算，并且提前工期。2.水库粘土心墙的施工工艺2.1工艺特点粘土心墙坝作为水利建设工程中最为常见的形式，心墙两侧一般采用细砂反滤，再用过渡料填筑。其优点可以充分利用选址附近的天然建材，降低材料运输成本。心墙的设计不仅可以实现大坝防渗目的，而且有很强的适应地基变形的能力。粘土心墙有很多特点，对于原料的质量有严格的要求，水库的建设施工中已经充分考虑了这些方面。首先是对于不符合建材要求的粘土要把好土料的制备环节。其次要注意砂、土的施工顺序，并且心墙的土料和两侧的反滤料适宜采用交错法法上升。同时确保土料厚度和断面尺寸，严把反滤料的质量关。再次水库大坝采用分层填筑碾压，并且施工顺序严格：先填反滤料再进行第一、二层粘土料的铺设与碾压。然后填充过渡料以及坝壳料，最后才进行砂砾料的碾压。下面再就粘土心墙堆石坝与钢筋混凝土心墙堆石坝以及沥青混凝土心墙堆石坝做以下简单的对比：表（1）粘土心墙堆石坝与其它石坝的优劣对比2.2操作要点首先是粘土心墙堆石坝的施工一定要遵循严格的规定，从施工工艺流程的设计、施工准备、心墙土料的制备以及施工过程的把关都要落到实处。如该水库施工工艺的基本流程可以分为十大步：（1）施工的前期准备（2）心墙土料的制备（3）基面后期验收（4）反滤料的铺设（5）第一层粘土施工（6）边线修整（7）第二层粘土施工（8）过滤料及坝壳（9）上料（10）反滤料、过渡料并进行坝壳料碾压。然后再进行下一层的施工。其次是施工的前期准备。水库的粘土心墙施工之前组织专门的人员对于料场进行检查，并进行一系列的碾压测试试验，再次确定原料的含水量、强度、碾压遍数等参数。再次是水库的施工过程引以为戒的三条注意事项。（1）心墙土料施工前必须保证基面需验收合格。（2）砂、土的施工顺序，即先砂后土法。（3）反滤料的施工也有务必遵循的经验。如先铺设心墙两侧的反滤料，采用挖掘机在料场挖装；再用大型机械装运的过程中辅之以人工精确地铺设，同时保证反滤料单层高度为粘土层的两倍，并且等待粘土层和反滤料齐平后和过渡料、坝壳料进行一次性的碾压。3.防渗料选配水库坝址区附近有丰富的坝壳堆石料、风化石料以及防渗粘土料，可就地取材就可以满足工程的需要。但反滤所需的石料不能在坝区获得，最近的石料在22km处的马登河，并且无论是储量还是质量都能满足建设施工的需求。该水库的防渗土料来源于4个料场，4个料场防渗土料质量均经过严格的质量测验。其中1-3号料场的土料颗粒粒径范围属宽级配，均存在局部粘粒含量偏高与塑性指数偏大，不均一的现象，但是只要加以处理就可以满足施工要求。便利的是1-3号料场的储量达到47多万立方米，不仅大于预计的用量、开采条件好、交通方便，而且就在坝址附近，有利于就地取材。1号防渗料厂的储量最大，其中测得的物理指标为：粒径平均含量24.5%，其中大于2mm的粒径占40%；自由膨胀率一般小于16.9%；塑性指数一般在20以内；最良的含水量为25%，天然的含水量为23.8%。实验测得的力学指数，如涂料的压缩系数属于中性压缩土。当然2-3号料场也具有很好的地理优势，储量虽然不及1号大，但也很有优势。比如2号料区由于具有粘粒含量低与粘土质砂的特点，恰好可以用于坝顶水头较低的位置；而3号粘粒含量较高的特点可以用于和心墙的混凝土的盖板衔接的部分，使得物尽其用。因此水库的施工过程中把1-3号料场作为防渗料场的主料场。水库大坝的构架设计水库的大坝结构如下图（1）：图（1）水库的大坝结构4.1大坝的坝顶与坝坡大坝的顶部由于不用过于考虑交通的压力，只是考虑到地震等自然灾害的情况，设计结果为长250米，宽10米。上下游的坝坡的坡比分别为1:1.9和1:1.7.并且分成了不同的五级，级差设为四个18米与一个19.2米。护坡采用普遍的大石块，修整平整又不失美观。4.2大坝的渗流、稳定计算我们一般简化大坝的渗流计算，即将大坝的渗流简化为对粘土心墙的计算。经计算该水库坝体坝基年渗漏量为80多万立方米。而对于坝体稳定性的计算通常采用简化的毕肖普法，按有效应力法计算；而对堆石料力学的指标同时用线性和非线性指标计算。通过简单的计算我们得到水库的稳定性计算结果：上、下游坝坡最小抗滑稳定安全系数分别为1.119和1.184；当坝体堆石料采用非线性强度指标时，上、下游坝坡最小抗滑的稳定安全系数1.815和1.714，均在安全范围内。4.3大坝的应力、沉降计算结果在正常的蓄水位，有限元应力、应变计算结果也会因为外界不可抗的原因大不相同，下面先论述考虑渗流场和应力场耦合作用下的计算结果，然后再考虑Ⅷ度地震作用下的结果。对于前者的情况，高程越高，顺河向位移值也就越大，最大顺河向的位移发生在坝体上游面靠近坝顶处，最大为32.2cm。相对的坝体另一个方向的最大位移发生在坝顶靠上游部位，最大值为67.3cm。第一主应力的分布成层状，然后均匀增加。对于后一种情况，有限元应力、应变计算结果为：在地震情况下最大水平位移64.1cm，发生在坝顶处；最大竖向位移78cm，发生在坝体下游面中部。除坝顶和靠近坝顶的下游侧坝面局部区域产生较小拉应力外，其余部分均为压应力，最大值约为1400kPa。分层总和法计算是一般要求使用的规范算法，水库的最大剖面粘土心墙最终沉降的测量值为348cm，竣工时沉降量为294cm，竣工后将继续沉降54cm，因此预留1％坝高即可。5.大坝的后期监测大坝的后期监测一般分为内、外部监测。目的为实时的监测大坝的安全，同时可以收集大坝的变化信息，对施工质量的评测给出有力的证据资料。检测的原则是：全面、高效、经济。即埋设最少的设备，花最少的资金得到最大量的信息。6.结语经过本文的论述我们对于粘土心墙堆石坝设计方案已经有了更为详尽的认识。特别是当坝址地有充足的建设原料时，这种方案可以就地取材，可以省工省时，不仅高效而且保质保量的完成工期。因此，粘土心墙坝才作为水利工程中较常见的一种优良防渗型建设方法，不断普及应用。参考文献：[1]林昭．碾压式土石坝设计．河南郑州：黄河水利出版社，2008[2]王宏硕，翁情达．水工建筑物专题部分[M]．北京:水利电力出版社，2006.[3]朱伯芳．有限单元法原理及应用[M]．北京:水利水电出版社，2005