瓦都水库粘土心墙土石坝分区设计与应力应变分析

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1、瓦都水库粘土心墙土石坝分区设计与应力应变分析孙陶1[摘要]通过试验查明了筑坝料的物理力学性质，并依据坝料性质进行坝体坝料分区设计和坝体应力应变分析，证明瓦都水库粘土心墙土石坝分区设计的合理性，从而阐明了依据坝料性质进行坝体坝料分区设计是保证土石坝工程经济安全的根本所在。通过有限元计算成果与观测资料对比，初步了解二者的差异及其产生原因。[关键词]粘土心墙土石坝分区设计坝料性质应力应变瓦都水库1.概述瓦都水库工程位于凉山州布拖县拖觉区境内，是一座以灌溉为主，结合发电，并兼人畜饮水的综合利用工程，是引水工程的龙头水库。水

2、库大坝为碾压式粘土心墙土石坝，坝高50.5m，坝顶高程2356.5m，坝顶宽9m，最大底宽190.04m，坝顶长119m，防浪墙顶高程2357.7m。坝体上游边坡1:1.7～1:1.8，下游边坡1:2.3～1:2.5～1:2.0；反滤过渡层上游宽4m，下游宽6m；心墙顶宽5m，底宽29.75m，边坡为1:0.25。根据《水利水电枢纽工程等级划分及标准》，该工程属三等工程，主要建筑物为三级。2.坝料性质与坝体分区2.1坝料概况冲洪积含砾粘土心墙防渗料位于泥姑河右岸坝址区附近III级平台，地形平坦，层位稳3定，储量约3

3、5万m，岩性以更新统冲洪积砾碎石土为主。堆石料位于坝址区下游1.0～1.5km的泥姑河北支左岸，由二叠系峨眉山玄武岩组成，岩石坚硬完整，有用层厚50m，储量156.283万m。反滤过渡料为泥姑河天然砂卵砾石料，料场位于坝址区下游泥姑河漫滩上，由第四系3全新统冲积砂卵砾石层组成，距坝址约2.0km有用储量约12.52万m。碎石土坝壳料为第四系冲洪积扇，由含土砾碎石组成，砾碎石呈棱角状—次棱角状玄武岩，距坝址约2.0～3.0km，3储量约19.35万m。2.2坝料性质2.2.1粘土料粘土料小于5mm含量为65.6%～8

4、6.1%，粘粒含量为29.3%～39.4%，属含砾粘土，分散度为18.4%～50.5%，属非分散性到过渡性粘土。自由膨胀率为22.0%～31.0%，属非膨胀性；塑性指数为18.5%～36.7%。粘土料具有较明显的团粒结构特性，因此其压实干密度较低，仅3为（1.46～1.61）g/cm。粘土料具弱透水性、较高抗渗性、中等压缩性和较高的抗剪强度等力学性质。2.2.2堆石料性质1水利部四川水利水电勘测设计研究院。70堆石料根据连续级配理论和工程类比法进行级配设计，Dmax=400～600mm，小于5mm含3量为5.0%～

5、15.0%。室内采用表面振动法测定的最大干密度为（2.21～2.26）g/cm，根据工33程等级建议设计干密度为2.14g/cm，实际施工碾压干密度为（2.17～2.24）g/cm，达到设计要求。由于堆石料母岩为坚硬的玄武岩，干湿抗压强度高、软化系数大，浸水软化微弱，压实和浸水后级配变化不大，所以具强透水性、低压缩性和较高的抗剪强度等力学性。2.2.3砂卵砾石料实际料场勘探表明，砂卵砾石料最大粒径大于120mm，剔除大于60～80mm的超径料，小于5mm含量为22.1%～24.0%，小于0.1mm含量为1.8%～5

6、.4%。施工期大样质量检查测定，小于5mm含量为19.0%～29.8%，小于0.1mm含量为1.4%～5.3%，说明实际施工和料场勘探砂卵砾石料级配基本一致。料场勘探和施工期大样质量检查表明砂卵砾石料易于压实、压实干3密度达（2.33～2.46）g/cm，基本满足半透水，而且具有一定抗渗强度，具低压缩性、高抗剪强度性质。2.2.4洪积扇碎石土根据料场勘探和施工期大样质量检查，级配测定洪积扇碎石土最大粒径为200mm，小于5mm含量为16.9%～47.2%。颗粒分析试验表明洪积扇碎石土细粒部分主要为砾质壤土和砾质粘土

7、，说明洪积扇碎石土料场级配和细料性质分布很不均匀，而且具强烈分散性(分散度为84.3%～98.5%)。碎石土料场分布不均匀对压实干密度、渗透性、压缩性和抗剪强度的影响表现在：小于5mm含量较大和细粒部分主要为砾质粘土时，压实干密度、渗透系数、饱和抗变形能力和饱和抗剪强度较低；小于5mm含量较小和细粒部分主要为砾质壤土，压实干密度、渗透系数、饱和抗变形能力和饱和抗剪强度相对而言较高；洪积扇碎石土浸水软化现象明显，表现在非饱和和饱和条件下压缩模量值相差达3.24～7.60倍，干湿抗剪强度相差很大。但非饱和条件下级配和细

8、料性质分布的不均匀对抗变形能力和抗剪强度的影响不明显，碎石土具低压缩性、较高抗剪强度等力学性质。为避免水的冲蚀、湿陷变形和浸水软化这种坝料宜用于下游干燥区同时做好排水设施，防止浸润线抬高危及坝体安全。2.3坝体分区鉴于上述各种坝料的物理力学性质坝体分区情况为：含砾粘土作心墙防渗料，玄武岩爆破堆石料作上游坝壳和下游排水带，洪积扇碎石土作坝体下游干燥区坝壳料，反