膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計研究與工程應(yīng)用.pdf

1、膠凝砂礫石壩是近年發(fā)展的一種新壩型，符合“宜材適構(gòu)”筑壩理念，具有安全性高、經(jīng)濟環(huán)保、施工快速等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。其特點是筑壩材料一般不對骨料進行篩分和清洗，膠材用量少，應(yīng)力分布均勻、應(yīng)力水平低，地基適應(yīng)性強、抗震和超載能力高等。
　　 本文針對膠凝砂礫石壩應(yīng)用需求，對壩體受力與變形特點、地基適應(yīng)性、超載與極限承載能力、抗震安全和耐久性等結(jié)構(gòu)問題進行了研究，提出了壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，相關(guān)成果納入了《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》并

2、應(yīng)用于山西守口堡工程設(shè)計。
　　 本文主要成果及創(chuàng)新點如下:
　　 (1)提出了膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)力和穩(wěn)定控制標準。通過對比分析日本與土耳其類似工程導(dǎo)則或者設(shè)計標準，結(jié)合我國重力壩設(shè)計規(guī)范要求和膠凝砂礫石筑壩特點，提出了膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)力和穩(wěn)定控制標準。
　　 (2)提出了適于膠凝砂礫石壩設(shè)計的有限元等效應(yīng)力分析方法和控制指標，分析了膠凝砂礫石壩受力特性。根據(jù)應(yīng)力分布的非線性、非均勻性特點，研究改進

3、了有限元等效應(yīng)力方法，并用于膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了相應(yīng)的的應(yīng)力控制指標。有限元等效應(yīng)力法在避免應(yīng)力集中的同時，能夠反映材料力學(xué)方法所不能反映的地基、孔洞等應(yīng)力影響因素，便于分析孔洞等復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)置。壩體應(yīng)力綜合分析表明，膠凝砂礫石壩除壩踵、壩趾等應(yīng)力集中區(qū)外，壩體應(yīng)力水平很低，建基面應(yīng)力分布較混凝土重力壩均勻很多。壩踵、壩趾及壩面部分的較大的壓應(yīng)力和可能的拉應(yīng)力可以由壩體上游防滲保護層與下游保護層承擔(dān)，壩體應(yīng)力有比較大的安全余度。由

4、于較大的壩體斷面，以及傾斜的上游面，膠凝砂礫石壩揚壓力豎向力占比要小于混凝土重力壩。
　　 (3)提出了膠凝砂礫石壩壩基要求。由于較大的壩體斷面和上游面水重作用，膠凝砂礫石壩體穩(wěn)定性較之混凝土重力壩有非常大的優(yōu)越性，壩體地基適應(yīng)能力明顯提高。從壩體受力和穩(wěn)定角度出發(fā)，壩體、地基適宜的彈性模量比可限定在0.5～2.0倍范圍內(nèi)。當?shù)鼗误w彈性模量難以滿足0.5～2.0倍關(guān)系時，對于較軟地基，通過選用較大的壩體斷面和較地基彈性模量較

5、低的壩體彈性模量，可滿足壩體的強度和穩(wěn)定要求。
　　 (4)提出了膠凝砂礫石壩壩面保護設(shè)計的原則。壩體受力、變形及耐久性分析結(jié)果表明，膠凝砂礫石壩變形量較小，分布較均勻，壩體上游面表層由壩頂至地基處最大變形相差較小，而且變形沿保護層長度方向分布均勻，對于防滲保護層的變形與受力非常有利，而且膠凝砂礫石材料具有一定的抗?jié)B性能，不存在由于面板淘空導(dǎo)致的面板開裂等問題，提出可在上游設(shè)置防滲層，下游設(shè)置保護層。
　　 (5)探討了

6、膠凝砂礫石壩超載分析模型和破壞模式，對比研究了該壩型的安全余度。膠凝砂礫石材料具有明顯的彈塑性特性，彈塑性、彌散裂縫和塑性損傷本構(gòu)模型在不同程度上均反映了材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。DP彈塑性本構(gòu)模型，可以模擬材料強度隨圍壓增大而增強的特性，但是無法反應(yīng)材料的受拉開裂和屈服軟化時的卸載剛度的降低;彌散裂縫模型可以模擬材料的開裂，但是無法反應(yīng)開裂后的殘余變形，同時指向原點的彈性卸載，夸大了材料的損傷程度;塑性損傷本構(gòu)模型能夠彌補上述兩者的不足，在

7、分析結(jié)構(gòu)加載-卸載等循環(huán)過程時，更加合理，但是會增加計算的復(fù)雜性。進行壩體極限承載能力分析時，塑性損傷本構(gòu)模型較為合適，計算時應(yīng)合理考慮基巖沿高程的不同及地基滲透壓力的影響。提出對于極限承載能力分析，不應(yīng)只考慮系統(tǒng)的失穩(wěn)，還應(yīng)綜合考慮壩體的整體穩(wěn)定性或系統(tǒng)自振頻率特性等，并嘗試采用點抗滑安全系數(shù)法進行量化評價。膠凝砂礫石壩具有非常高的超載安全度，在很大的荷載范圍內(nèi)，壩體材料均處于線彈性工作狀態(tài)。綜合分析表明100m級的膠凝砂礫石壩體-地

8、基系統(tǒng)的極限承載能力在7.0倍左右。
　　 (6)對膠凝砂礫石壩進行了抗震安全研究。膠凝砂礫石材料動態(tài)性能與混凝土相比，有一定差異。分析了影響材料動態(tài)性能的因素，對照混凝土動態(tài)性能，給出了膠凝砂礫石材料動態(tài)性能取值建議。建立了膠凝砂礫石壩地震動響應(yīng)分析模型，指出分析中應(yīng)合理考慮材料動態(tài)性能、庫水動力作用及遠域地基的輻射阻尼效應(yīng)等。壩體地震動響應(yīng)分析表明，在七度地震作用下，100m高的膠凝砂礫石壩整個地震過程中均處于彈性工作階段，