参照土石坝理论研究胶凝砂砾石坝坝体剖面形式

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摘要： 胶凝砂砾石坝以胶凝砂砾石材料作为坝体的填筑材料， 它的坝体剖面形式介于重力坝和土石坝之间。本文是以土石坝为参照对胶凝砂砾石坝进行剖面形式的研究以期在保证质量的前提下尽量降低工程成本。

Abstract： Cement-sand-gravel dam is filled with cemented sand and gravel， and its dam profile type is between gravity dam and earth-rockfill dam. This article studies the profile type of cement-sand-gravel dam with reference to earth-rockfill dam， in order to reduce the cost without comprising on quality.

关键词： 土石坝;凝砂砾石坝;剖面形式

Key words： earth-rockfill dam;cement-sand-gravel dam;profile type

0 引言

胶凝砂砾石材料坝是一种介于面板堆石坝与碾压混凝土坝之间的新坝型。本文是以土石坝为参照对胶凝砂砾石坝进行剖面形式的研究。

1 计算简图与模型假定

1.1 计算简图 胶凝砂砾石坝的坝体剖面介于重力坝与土石坝之间，其基本断面是上下坡比对称的梯形，本文主要探求的是不同因素对胶凝砂砾石坝体剖面形式影响的规律，所以假定胶凝砂砾石坝的基本断面为上下坡比对称的梯形，上下游坡面均无折坡（见图1）。

1.2 基本假定以及参数的选取

假定计算基本工况分为：

①满库工况：上游水位与坝顶齐平，下游无水;

②空库工况：施工完建期，上下游均无水。

为简化计算，不考虑坝体内渗流，仅在满库情况下考虑坝基的渗流;考虑坝顶通行的需要，坝顶宽取B=5m;因为坝体高度对临界稳定坡比的影响比较小，所以边坡稳定分析计算中都取坝高H=30m;弱风化中部是地基的条件，没有软弱结构面，依照规范选取地基材料重度25kN/m3，粘聚力c=1200kPa，内摩擦角？准=45°，地基的厚度取为两倍的坝高，接触面的抗剪断凝聚力c'=0.9，抗剪断摩擦系数f'=1.0，摩擦系数f=0.6，地基弹模E=7.5GPa，地基泊松比μ=0.33[1]。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中8.3.10有关规定，坝坡抗滑稳定的安全系数取为（参考土石坝2级）：满库工况下，需满足K≥1.35，空库工况下K≥1.25[2]。

2 土石坝模型稳定分析

2.1 不同的水泥用量对应的坝体边坡分析

①粉煤灰掺量40kg/m3，水泥用量50kg/m3（简称C50，下同），水胶比1.0，砂率0.2，H=50m，计算结果见表1。

②粉煤灰掺量40kg/m3，水泥用量60kg/m3，水胶比1.0，砂率0.2，H=50m，计算结果见表2。

③粉煤灰掺量40kg/m3，水泥用量70kg/m3，水胶比1.0，砂率0.2，H=50m，计算结果见表3。

由表1-3可见，在这两种工况下，胶凝砂砾石材料坝边坡稳定安全系数均大致随坡比的增大而呈线性增加，而且同坡比条件下满库工况的安全性均要高于空库工况的安全性。同时坡比为正时，边坡稳定安全系数都远大于规范中规定的标准值，由此说明上述几种材料特性下，坝体的边坡稳定都能满足规范的要求，胶凝砂砾石坝偏向于重力坝形式，控制坝体剖面形式的条件为满足坝体整体稳定及应力要求[3]。

2.2 不同水胶比对应的坝体边坡分析

①粉煤灰掺量40kg/m3，水胶比1.0（简称R1.0，下同），水泥用量50kg/m3，砂率0.2，H=50m，计算结果见表4。

②粉煤灰掺量40kg/m3， 水胶比1.2，水泥用量50kg/m3，砂率0.2，H=50m，计算结果见表5。

③粉煤灰掺量40kg/m3，水胶比1.4，水泥用量50kg/m3，砂率0.2，H=50m，计算结果见表6。

由表4-6得出的结论与2.1中结论一致。

2.3 不同砂率对应的坝体边坡分析

①粉煤灰掺量40kg/m3，砂率0.2（简称SP0.2，下同），水泥用量50kg/m3，水胶比1.0，H=50m，计算结果见表7。

②粉煤灰掺量40kg/m3，砂率0.3（简称SP0.3，下同），水泥用量50kg/m3，水胶比1.0，H=50m，计算结果见表8。

③粉煤灰掺量40kg/m3，砂率0.4（简称SP0.4，下同），水泥用量50kg/m3，水胶比1.0，H=50m，计算结果见表9。

由表7-9得出的结论与2.2中结论一致。

由上所述水泥用量、水胶比、砂率不同的条件下，胶凝砂砾石材料坝在两种工况下的边坡稳定的分析，得出的结论如下：①在上述材料的特性参数条件下，参照土石坝的设计理论，胶凝砂砾石材料坝的坝体边坡稳定都能够满足规范的要求。由此说明在上述条件下，坝体的边坡稳定不再是控制坝体剖面形式的主要因素，而坝体整体稳定以及应力标准则成为了控制坝体剖面形式的主要因素;②由图表可以看出，满库工况下各坡比对应的坝坡稳定安全系数大于相对应的空库工况，说明土石坝上游的静水压力对于胶凝砂砾石坝坝坡的安全稳定起有利作用;③相同坡比的条件下，胶凝砂砾石材料中水泥的含量越大，坝坡的稳定安全系数就越大，力学性能便越好;水胶比越大，砂率越大，坝坡的稳定安全系数越小，其力学性能呈递减趋势。

3 小结

胶凝砂砾石坝作为近年来才逐渐兴起的新坝型，理论研究还处于刚刚起步的状态，少数应用胶凝砂砾石材料的工程尽管积累了一些经验，但是其众多优越性并未完全得到体现。可以预见，胶凝砂砾石坝未来在国际国内均具有十分广阔的应用前景，故其设计施工不能仅局限并停留在经验指导层面，尽早形成一套完整的设计理念是很有必要的。其中，科学合理的剖面设计原则是大坝设计的出发点，也是整个胶凝砂砾石材料坝研究课题的核心内容之一。本文正是针对这个问题，通过胶凝砂砾石材料力学性能试验研究其性能参数及其变化规律，得出了以下基本结论：①胶凝砂砾石材料中水泥用量的增加、水胶比的减小、砂率的减小，都会使得胶凝砂砾石材料的各项力学性能呈递增趋势;②胶凝砂砾石材料坝介于土石坝和重力坝之间，一般情况下，其坝体剖面要比同条件下混凝土重力坝剖面宽大，所以坝体一般都能满足整体稳定;另一方面，由于胶凝材料的存在，胶凝砂砾石材料比一般土石料具有更高的抗剪、抗压、抗拉等力学性能，所以其坝体边坡可设计为比土石坝边坡更陡;③满库工况下各坡比对应的坝坡稳定安全系数大于相应空库工况，说明坝体上游的静水压力对于胶凝砂砾石坝坝坡的安全稳定是起到有利作用的;本次研究结果显示，在水泥含量50kg/m3～70kg/m3、水胶比1.0～1.4、砂率0.2～0.4范围内的胶凝砂砾石材料坝，坝体边坡稳定性很容易达到规范要求，即该范围内的胶凝砂砾石坝剖面主要受整体稳定与坝体应力控制，更倾向于重力坝，因此坝体设计时建议优先使用重力坝理论进行剖面设计，然后辅以土石坝边坡稳定校核。

参考文献：

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，1990.

[2]毛昶熙，等.土坝非稳定渗流和边坡稳定分析的有限单元法计算[J].南京水利科学研究所研究报告汇编（1966～1978，渗流部分），1979.

[3]孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科技大学出版社，1999.