青川县东阳水库胶凝砂砾石坝结构设计与分析

(四川沃土项目投资管理有限公司，成都，611732)

胶凝砂砾石坝(CSGR坝)是贾金生等[1]于2009年提出的一种介于面板堆石坝和混凝土重力坝之间的新坝型。其主要特点是利用工程现场的砂砾石或开挖石渣料作为筑坝材料，使用少量的胶凝材料，通过简易拌合，经摊铺、振动碾压或浇筑振捣后形成的具备一定强度和抗剪性能的胶凝砂砾石[2]。胶凝砂砾石坝具有漫顶不溃、抗震性能好、安全经济、适应性强、节能环保等优势，特别适宜在围堰、堤防和中小型水库大坝工程中推广应用[3]。目前国内已建成有街面、洪口等胶凝砂砾石围堰工程和顺江堰、猫猫河山塘等永久性工程；在建工程主要有山西守口堡水库、四川岷江犍为防护堤等工程[4]。

1 工程概况

东阳水库位于四川省青川县三锅镇境内，水库坝址位于嘉陵江流域清江河一级支流东阳沟上，坝址以上集水面积65.5km2。水库正常蓄水位932m，总库容717万m3，大坝采用胶凝砂砾石坝，最大坝高66.5m。工程属Ⅳ等小(1)型工程，因大坝采用新型结构，且工程地质条件复杂，其主要建筑物提高一级为3级。大坝设计洪水标准采用50年一遇，相应洪峰流量564m3/s；校核洪水标准采用500年一遇，相应洪峰流量910m3/s。

2 工程地质

2.1基本地质条件

工程区位于扬子准地台龙门大巴山台缘坳陷之龙门山陷断束北段，属龙门山强烈活动断裂构造区。工区场地地震基本烈度为Ⅷ度，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.2g，且工区附近有平武～青川主断裂及其羽列分支断裂F2、F3通过。其中平武～青川主断裂距工区最近距离约600m，F2、F3羽列分支断裂距离坝址区最近距离分别为440m、215m。据《东阳水库铧厂坝坝址区断层活动性鉴定与水库诱发地震评价报告》，平武～青川断裂带2008年5·12地震中有过活动，其羽列分支F2、F3为全新世活动断裂。因此，该水库枢纽区地质构造发育，地质条件复杂。

2.2 胶凝砂砾石材料

坝址附近河道内砂砾石料较丰富，以山区河流冲洪积漂卵石夹中粗砂为主，成分有闪长石、花岗岩、变质石英砂岩等坚硬卵石，分选性较差，小于5mm含量在20%左右，大漂石含量30%～40%。质量基本满足胶凝砂砾石骨料要求。开挖石渣料主要为变质石英砂岩，强度可满足胶凝砂砾石筑坝要求。

胶凝砂砾石材料采用河道内开采的砂砾石料和枢纽开挖石渣料，控制最大粒径为150mm，超径部分采用机械破碎后使用。根据胶凝砂砾石配合比试验成果[5]，推荐胶凝材料用量140kg/m3，其中水泥和粉煤灰各70kg/m3，满足C1808胶凝砂砾石的要求。

3 坝型选择

根据坝址区的地形地质、建筑材料等条件，拟定了碾压混凝土重力坝和胶凝砂砾石坝两种坝型进行枢纽布置和经济技术比较。

从地形、地质条件，两岸岸坡陡峻，基岩裸露，坝基岩体坚硬完整，两种坝型均较适宜。工区地震基本烈度较高，且坝址距平武～青川断裂较近，由于胶凝砂砾石坝的抗震性能好，能较好地适应复杂的地质条件，故胶凝砂砾石坝较优。

从建材条件，碾压混凝土重力坝利用坝址附近较丰富的天然砂砾石材料作为骨料，而胶凝砂砾石坝除了可利用坝址附近较丰富的天然砂砾石外，还可利用枢纽开挖石渣料筑坝，这样可减少弃渣，对环境影响较小，因此，胶凝砂砾石坝较优。

从工程布置条件，两种坝型枢纽布置基本相同，工程布置条件相差不大。

从施工条件，碾压混凝土坝需布置大型成套砂石骨料加工系统和大型混凝土拌合系统，并且施工过程需采取较多的温控措施，施工干扰大，施工总工期36个月；胶凝砂砾石坝砂石加工系统布置简单，水泥用量少，温控措施简单，可全坝通仓浇筑碾压，施工方便，施工总工期34个月。因此，胶凝砂砾石坝较优。

从工程投资分析，胶凝砂砾石坝方案工程总投资27236.02万元，较碾压混凝土坝方案省2425.45万元，经济指标较优。

综合分析，推荐坝型采用胶凝砂砾石坝。

4 大坝设计

4.1 大坝结构设计

大坝采用胶凝砂砾石坝，坝顶高程939.50m，坝顶长度135.50m，坝顶宽度6.00m，最大坝高66.50m。大坝上游坝坡为1∶0.4，下游坝坡为1∶0.7。溢流坝段采用开敞式无闸控制表孔溢流，共计2孔，单孔净宽14.00m，末端采用底流消能。取水(放空)管及生态放水管均埋设于左岸坝体内。

大坝内部采用C1808胶凝砂砾石。上游防渗层采用C25混凝土，厚1.5m，下游防渗层采用C20混凝土，厚1.0m。大坝基础设置C20混凝土垫层，厚1.0m。

大坝共分为3个坝段，包括左岸挡水坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段，长度分别为53.75m、34.00m、47.75m。挡水坝段与溢流坝段之间设置横缝，横缝采用人工造缝，采用“先碾后切”方式，缝内填塞无纺布。坝面防渗层和保护层分缝间距按常态混凝土分缝原则确定，横缝间距14.75m～18.75m，缝内设置两道铜止水。上游防渗层下设置一排竖向φ150mm排水孔，间距2m。坝内布置两层廊道，高程分别为881.00m、914.00m，廊道尺寸采用2.0m×2.5m(宽×高)。

4.2 基础处理设计

河床坝段基础开挖至弱风化上部，左、右坝肩坝段基础开挖至弱风化中～下部。帷幕灌浆共设置1排，孔距2.00m，帷幕深度按伸入岩体透水率q≤5Lu界线以下5.0m控制。坝基采用全断面固结灌浆，灌浆孔间、排距3m，其中河床坝段上游7排孔深6m，中间10排孔深3m，下游6排孔深6m；坝肩孔深6m。

图1 胶凝砂砾石坝坝体结构

5 结构分析

根据《胶结颗粒料坝筑坝技术导则》(SL 678-2014)[6]，坝体断面以材料力学法和刚体极限平衡法计算的成果作依据，复杂地基条件下宜采用有限元等效应力法进行计算分析。考虑到本工程位于高地震烈度区，距地震断裂带较近，地质条件十分复杂，采用材料力学法和有限元法综合分析，并进行抗震动力分析。

根据试验资料[6]，胶凝砂砾石容重取2.4t/m3，坝基抗剪强度f=0.55，抗剪断强度f′=0.67，C′=1.0MPa，层间抗剪断强度f′=0.62，C′=0.64MPa，坝基弹性模量为10GPa，胶凝砂砾石弹性模量取11.5GPa。

5.1 材料力学法

采用材料力学法和刚体极限平衡法进行计算，结果表明各种工况下坝体及层面抗滑稳定满足要求，坝基应力满足要求。

表1非溢流坝段坝体抗滑稳定与应力计算结果

表2溢流坝段坝体抗滑稳定与应力计算结果

5.2 有限元静力分析

建立挡水坝段有限元分析模型，模型采用四边形单元，模型共有单元15227个，其中坝体部分9287个，模型详见图2。

图2 有限元计算分析模型

经计算，设计洪水和校核洪水工况下，坝体应力分布详见图3-图6。静力作用下，坝体水平向最大位移为5.90mm，竖向最大位移为7.98mm，均发生在坝顶。坝体竖向正应力均为压应力，最大值为4.50MPa，发生在坝趾处的保护混凝土层内，胶凝砂砾石最大竖向正应力为1.65MPa。坝体最小主应力为6.80MPa的压应力，发生在坝趾处的保护混凝土层内，胶凝砂砾石最小主应力为2.52MPa的压应力。坝体最大主应力为除廊道孔口和坝踵处应力集中区出现0.05MPa的拉应力外，均为受压状态，胶凝砂砾石均处于受压状态。表明分析所得的应力均小于材料的许用应力，强度设计满足要求。

表3坝体应力计算结果 单位：mm、MPa

图3 设计洪水工况下坝体最小主应力分布

图4 设计洪水工况下坝体最大主应力分布

图5 校核洪水工况下坝体最小主应力分布

图6 校核洪水工况下坝体最大主应力分布

5.3 地震动力分析

利用有限元时程法，计算了坝体的地震动响应，计算结果如图7-图8所示。坝顶最大水平向动位移为9.14mm，最大竖向动位移为-9.18mm，最大水平向加速度为4.12m/s2，最大竖向加速度为-2.62m/s2。坝踵处最大主应力为1.35MPa的拉应力，小于C25混凝土拉应力标准值，胶凝砂砾石最大主应力为0.1MPa的压应力，坝趾处最小主应力为7.1MPa，小于下游面板C20混凝土的抗压强度，坝体胶凝砂砾石最小主应力为3.1MPa的压应力，小于胶凝砂砾石抗压强度。坝踵处沿建基面深入坝体约1.5m范围内，即上游面防渗面板底部将出现拉应力，拉应力大小由坝踵处的1.35MPa衰减至0.2MPa；上游面坝体顶部折坡处及上部面板表层，地震过程中会出现0.3MPa左右的拉应力；廊道拱顶和直立面中部出现轻微拉应力，幅值约0.3MPa。

图7 坝体最大主应力包络图

图8 坝体最小主应力包络图

6 结语

胶凝砂砾石坝采用“宜材适构、宜构适材”的筑坝理念，能够充分利用当地建筑材料、减少弃渣，利于环境保护；强调功能分区，可以充分发挥材料性能，避免材料超强；水泥用量少，温控简单，施工方便；具有漫顶不溃，抗震性能优良等特点；极端情况下能避免发生重大次生灾害，在中小型水利工程中具有普遍的适用性和良好的应用前景。

结合东阳水库的实际情况，采用胶凝砂砾石坝，能够解决工程地质条件复杂、地震烈度高、洪水流量大、环保要求严等问题，经济效益显著。大坝稳定和应力分析成果表明，胶凝砂砾石坝设计合理，结构安全可靠，能满足抗震设防要求，可为其他类似工程提供一定的借鉴。

东阳水库胶凝砂砾石坝是我国首次在高地震烈度区(Ⅷ度)复杂地质条件下应用胶凝砂砾石材料筑坝，并且坝高是目前在建(审批)工程之首。相关单位做了大量的试验研究工作。通过东阳水库的工程实践和经验总结，有利于推动国内筑坝技术的创新发展，促进胶凝砂砾石筑坝技术的推广应用。