混凝土面板堆石坝-安盛勋.ppt
面板堆石坝潜没式混凝土高趾墙设计,安盛勋（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院）,混凝土面板堆石坝的设计中，通常采用混凝土高趾墙的方式来弥补地形、地质条件的缺陷或处理与岸边相邻水工建筑物合理衔接问题。本文根据黄河公伯峡水电站、新疆察汗乌苏水电站混凝土面板堆石坝高趾墙的设计研究，将这种部分墙体位于库水位以下的混凝土高趾墙称为潜没式高趾墙，同时对潜没式高趾墙的体型设计、稳定应力计算等技术问题进行讨论。,1、概述 我国自1988年建成第一座混凝土面板堆石坝（关门山面板坝）的20a以来，目前建成或在建的混凝土面板堆石坝已超出150座。在混凝土面板堆石坝的设计中，采用高趾墙趾板的方式来改造或弥补地形、地质条件的缺陷，通过高趾墙结构与岸边相邻水工建筑物合理衔接，在我国已建、在建的混凝土面板堆石坝工程中有许多实例，积累了很多工程经验。高趾墙趾板的体型和结构受力条件比较复杂，同时作为混凝土面板堆石坝趾板防渗体的组成部分，其安全稳定对面板堆石坝的正常运行极关重要。,混凝土面板堆石坝设计规范（DL/T5016-1999）（SL228-98）中，对趾墙的定义为：“布置在趾板线上和面板连接的混凝土挡墙”。国内工程混凝土面板堆石坝高趾墙的采用较多，黄河公伯峡水电站混凝土面板堆石坝左岸坝肩采用重力式高趾墙，最大墙体高度48.0m，右坝肩采用潜没式高趾墙，墙体总长84.99m，最大高度50m，是目前国内已建工程中高度最大的高趾墙。新疆开都河察汗乌苏水电站右岸趾板线跨六坎沟，采用潜没式高趾墙，墙体总长72.7m，最大高度25.0 m。公伯峡水电站、察汗乌苏水电站高趾墙大部分墙体位于水库正常蓄水位以下，受力情况复杂，同时又作为趾板，因此对稳定、应力、位移要求严格。本文主要介绍潜没式高趾墙的设计计算和体会，对一些技术问题提出一些看法和意见。,2、潜没式高趾墙体型设计 潜没式高趾墙体型设计时，是在坝体及趾板线布置基本确定的条件下进行的，高趾墙通常是大体积重力式结构体，根据其承担的功能，体型设计时需考虑以下因素。（1）墙内侧（坝体侧）设计有混周边缝和止水，墙顶部的坡度应与大坝混凝土面板布置相协调，墙顶宽度应与上、下游相邻趾板的宽度相协调。同时墙体坡度不宜过陡，应满足坝体堆石填筑的要求。（2）墙的外侧坡体型通常是与其他相邻水工建筑物或山体开挖边坡相衔接，因此外侧坡的体型通常应由相邻水工建筑物的体型要求确定。,（3）按规范要求，大坝趾板地基应为微风化、弱风化岩体，但高趾墙往往因地形、地质条件的缺陷而设置，要满足规范规定的地基条件通常是困难的，确定高趾墙底面宽度和建基面高程时，应结合工程地质条件，须采取一定的工程处理来确定。（4）高趾墙体型一般长度较大，基础底面一般为斜坡式，在墙体施工分缝位置宜保留一定宽度的开挖平台。（5）高趾墙内要布置帷幕灌浆排水廊道，会对高趾墙的断面尺寸的设计提出要求。,潜没式高趾墙为体型较复杂的大体积混凝土重力式结构，体型断面设计时需考虑的因素较多，边界条件存在相互制约、空间又受到一定的限制，在设计时应仔细分析各种条件，并通过墙体稳定应力变形的计算，确定高趾墙体型尺寸。,3、潜没式高趾墙作用荷载 在混凝土面板堆石坝设计规范（DL/T5016-1999）（SL228-98）中，对趾墙的设计原则和规定内容是相同的，即“趾板厚度大于2m或采用高趾墙时，需进行稳定计算和应力分析”，“计算中不计趾板锚筋作用及面板和趾板之间的传力”，“可计入堆石体对趾板的主动土压力或计入面板随库水压力产生的侧压力”。规范以上规定的内容条文，设计中是必须遵循的。对于潜没式高趾墙的受力条件和作用荷载需认真分析，并进行一些设计计算假定是必要的。在公伯峡水电站、察汗乌苏水电站混凝土面板堆石坝右岸潜没式高趾墙设计中，并参考国内工程经验，确定高趾墙设计荷载。,（1）高趾墙墙体自重（2）水压力 潜没式高趾墙大部分墙体位于库水位以下，墙体承受两侧的水压力、顶部和上、下游方向的水压力作用，这是与其他型式高趾墙的主要区别。（3）土压力 墙体于坝体侧堆石体的侧向土压力，坝体堆石体按主动土压力计算。,（4）基础扬压力 潜没式高趾墙布置帷幕排水廊道，是坝体防渗帷幕的组成部分，墙体基础扬压力是一项重要荷载，计算时对扬压力需一些假定。（5）地震作用力 高趾墙是大坝的一个组成部分，应按规定进行抗震设计。（6）风浪压力、冰压力、泥沙压力忽略不计，主要考虑到这些荷载作用影响很小，是从简化计算出发考虑的。,4、潜没式高趾墙结构设计41 计算工况（1）正常蓄水位情况（2）校核洪水位情况（3）竣工情况（大坝施工完成，水库未蓄水）（4）正常蓄水位+地震情况。,42 结构计算 混凝土面板堆石坝设计规范中均规定高趾墙稳定计算采用刚体极限平衡法。美国著名面板坝专家谢拉德对高趾墙设计指出“由于高趾墙近于重力坝的尺寸，故一瞥之下，这种设计好象是稳定的。然而，混凝土的重量与水压力之间的关系对这种高趾墙是与重力坝完全不同的。因此，必须设置大体积混凝土块体，使作用在高趾墙上的水压力直接通过基岩，不使堆石体提供任何维持稳定的力。”,根据上述观点，参考国内外一些工程高趾墙的体型和计算分析经验，潜没式高趾墙是混凝土面板堆石坝的重要组成部分，其稳定性直接关系到大坝的安全运行，要求潜没式高趾墙结构体在荷载作用下不允许产生较大的变形，以保证混凝土面板周边缝止水结构的安全运行，潜没式高趾墙是一个三向受力的结构体，通常采用材料力学法和有限元法对高趾墙的稳定和应力应变进行计算分析。,421 平面单宽材料力学法计算 采用平面单宽材料力学法计算潜没式高趾墙的稳定和应力，和混凝土重力坝设计的方法基本是一致的，是常用的计算方法，可以计算出潜没式高趾墙设计断面的抗滑稳定安全度和两侧面的应力，计算成果可以初步确定潜没式高趾墙的体型。计算结果给出了一个重要结论，潜没式高趾墙的最大断面并不是最危险断面，而是最大断面控制基础应力，最小断面确定趾墙体的稳定，深化了对潜没式高趾墙工作性态的认识。对于潜没式高趾墙趾板结构，它的受力条件和稳定条件不同于一般重力坝或重力式挡墙，因此在墙体断面体型设计时，不能只取最大断面计算，应根据墙体的长度和分块情况，选取几个断面计算，综合计算成果，基本确定墙体断面尺寸体型。,422 三维整体材料力学法计算 潜没式高趾墙墙体承受坝体填堆石体的土压力，不仅有侧向水压力还有顶部和上、下游方向的水压力作用，以及基础扬压力等荷载，高趾墙的基础通常为较陡的斜向开挖坡面，是个三向受力的结构体。平面单宽材料力学法计算时不能计入沿上下游方向作用的水压力，采用三维整体材料力学法计算可以解决这个问题。将潜没式高趾墙的横缝作为临时施工缝，在缝面布置键槽并进行接缝灌浆，将高趾墙体作为一个整体的设计方案，这种方案充分利用墙体自重和底面积，设计的体型较经济合理，经计算抗滑稳定和应力都满足要求，且横缝面的止水布置简单明确，横缝面接缝灌浆施工也是常规的施工工艺，难度不大，在技术上是可行的。,423 有限元法计算 混凝土面板堆石坝设计规范中规定：“100 m以上的1、2级高坝坝体应力和变形宜用有限元法计算”，高趾墙为坝体的重要组成部分，其稳定和应力分析也应采用有限元法进行分析计算。从计算的成果分析，可得出以下结论：（1）平面有限元法计算各块体的抗滑稳定安全度差异较大，其规律性和采用平面单宽材料力学法的计算成果总体是一致的，沿建基面的抗滑稳定是由某个块体控制的。高趾墙基础、块体的基础压应力值均不大，且基本无拉应力区，块体位移变形以沉降变形为主，且数值不大，各项指标满足要求。,（2）在三维整体情况下，由于潜没式高趾墙的体型特征和受力条件复杂性，高趾墙体发生有受扭力作用特征，反映了潜没式高趾墙的应力、变形与一般重力坝不同的特性。高趾墙的抗滑稳定、应力、变形工作性态，均能满足要求，墙体内出现拉应力区域，但范围和拉应力值均不大，应力条件不成为控制因素。墙体的位移量值均不大，以垂直变位为主，不会对混凝土面板周边缝止水产生不良影响。地震工况情况，墙体应力、变形量值有变化，但没有成为高趾墙设计的控制工况。,422 通过对有限元法和材料力学法计算成果的对比分析，高趾墙结构设计采用材料力学法计算结果是可行的。故对潜没式高趾墙结构设计可先采用材料力学法进行，对于大于100 m坝高的1、2级混凝土面板堆石坝的高趾墙设计应进行有限元计算复核，必要时调整修改设计方案的方法是合适的。,5、几个问题的讨论51 潜没式高趾墙地基条件问题 高趾墙趾板的设置往往是因为地形、地质条件的不足或缺陷而布置的，对高趾墙的地基一定要求坐落在微、弱风化岩体，可能因开挖深度较大、增加较多的工程量而不经济。采用工程处理的办法来满足墙体对基础的要求，国内工程经验也证明，是可行和经济的方法。经计算成果分析，高趾墙体基础压应力并不大，经工程处理后，基础可以满足高趾墙的稳定和变形要求。,52 潜没式高趾墙抗滑稳定计算 潜没式高趾墙为大体积混凝土重力式结构，尽管墙体外部体型比较复杂，作用荷载情况不同于混凝土重力坝，但对沿建基面的抗滑稳定计算，通常是参考混凝土重力坝规范的相关公式来进行的，混凝土面板堆石坝设计规范相关条文也规定采用刚体极限平衡法来计算高趾墙的稳定。采用抗剪断公式计算高趾墙沿建基面的抗滑稳定的方法可以满足设计要求，这种计算方法的使用积累了较多的工程经验，结果也比较直观，在设计中使用应是合适的。,53 潜没式高趾墙沿建基面抗滑稳定安全度问题 混凝土重力坝设计规范中规定计算坝体抗滑稳定时，基本组合工况，抗剪断安全系数k3.0。对潜没式高趾墙在采用抗剪断公式计算时，安全系数采用多少，一般参考采用混凝土重力坝设计规范的规定，但对这个问题讨论不多。国外文献曾有报导，提出潜没式高趾墙的抗滑稳定安全系数k值应达到810，甚至更高，为什么有这么高的安全系数，可能主要因高趾墙的稳定性直接关系到混凝土面板周边缝的变形量，保证止水不被破坏，任何情况下不因高趾墙体的稳定而影响大坝的安全运行，也可能是因对高趾墙这种结构体受力情况下的工作状态认识不深等原因，故采取保守的设计应是可以理解的。,近几年来，由于计算分析手段的快速发展、工程实践经验的积累，对潜没式高趾墙这种结构体认识的深入，通过多种计算手段可较全面地了解高趾墙体的工作性态，抗滑稳定安全系数不需采用较高的值。建基面抗滑稳定安全系数是设计的一个重要指标，采用多少合适尚有待在工程实践进行总结和研究。,54 潜没式高趾墙是否允许产生拉应力问题 高趾墙体是否允许产生拉应力在规范中没有明确规定。有文献曾提出，高趾墙在任何情况下不允许出现拉应力。高趾墙趾板是面板堆石坝的重要组成部分，若产生拉应力值超过混凝土允许抗拉强度，致使混凝土产生裂缝、发生渗漏等破坏。处理和补救将是十分困难的。因此，高趾墙块体不允许产生拉应力的要求应该是合理的。,6、结语（1）在混凝土面板堆石坝设计时，为弥补地形、地质条件的缺陷，协调坝肩相邻水工建筑物的布置衔接，通常采用混凝土高趾墙结构方式，混凝土高趾墙作为坝体趾板结构体的一部分，高趾墙体部分位于库水位以下，将这种型式的高趾墙称为潜没式高趾墙。（2）潜没式高趾墙体型一般较为复杂，需要认真分析坝体趾板布置和岸边相邻水工建筑物体型，做到合理衔接，结合高趾墙基础地形、地质条件，综合分析确定体型尺寸。,（3）潜没式高趾墙结构设计的计算方法可采用材料力学法和有限元法。平面单宽材料力学法可初步确定高趾墙的工作状态，采用三维整体材料力学法计算成果作为设计依据，是可行的。对高度较大的潜没式高趾墙应进行平面三维有限元计算分析，一般情况下，材料力学法的设计成果可满足设计要求。（4）潜没式高趾墙的受力条件和作用荷载比较复杂，设计中需分析确定设计计算工况和各种作用荷载，在计算中做一些设计假定和简化是必要的，也是可行的。,（5）潜没式高趾墙属大体积混凝土结构，长度较大，从施工和混凝土温控要求，采用临时施工横缝的方式分为多个块体，将横缝面布设键槽并进行接缝灌浆的方法，将高趾墙作为整体是一个安全、可靠和节省工程量的方案。（6）潜没式高趾的受力条件不同于混凝土重力坝，但作为重力式结构体，沿基础面的抗滑稳定分析基本原理仍是刚体极限平衡法，使用抗剪断公式计算，满足k3.0的要求。从工程实践看，高趾墙的抗滑稳定是可以得到保证的。高趾墙体若产生混凝土裂缝破坏的危害性，修复难度很大，要求高趾墙不出现拉应力应是合适的，这些问题有等实践和理论进一步研究和讨论。,
