胶凝砂砾石坝的设计准则(可编辑).doc
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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
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