膠凝砂礫石壩結構設計研究與工程應用.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”筑壩理念，具有安全性高、經濟環(huán)保、施工快速等優(yōu)點，有很好的應用前景。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，應力分布均勻、應力水平低，地基適應性強、抗震和超載能力高等。
　　 本文針對膠凝砂礫石壩應用需求，對壩體受力與變形特點、地基適應性、超載與極限承載能力、抗震安全和耐久性等結構問題進行了研究，提出了壩體結構設計原則，相關成果納入了《膠結顆粒料筑壩技術導則》并

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

3、了有限元等效應力方法，并用于膠凝砂礫石壩結構設計，提出了相應的的應力控制指標。有限元等效應力法在避免應力集中的同時，能夠反映材料力學方法所不能反映的地基、孔洞等應力影響因素，便于分析孔洞等復雜結構設置。壩體應力綜合分析表明，膠凝砂礫石壩除壩踵、壩趾等應力集中區(qū)外，壩體應力水平很低，建基面應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力和可能的拉應力可以由壩體上游防滲保護層與下游保護層承擔，壩體應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。當地基、壩體彈性模量難以滿足0.5～2.0倍關系時，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計的原則。壩體受力、變形及耐久性分析結果表明，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致的面板開裂等問題，提出可在上游設置防滲層，下游設置保護層。
　　 (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模型在不同程度上均反映了材料的應力應變關系。DP彈塑性本構模型，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;塑性損傷本構模型能夠彌補上述兩者的不足，在

7、分析結構加載-卸載等循環(huán)過程時，更加合理，但是會增加計算的復雜性。進行壩體極限承載能力分析時，塑性損傷本構模型較為合適，計算時應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，不應只考慮系統(tǒng)的失穩(wěn)，還應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，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分析模型，指出分析中應合理考慮材料動態(tài)性能、庫水動力作用及遠域地基的輻射阻尼效應等。壩體地震動響應分析表明，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，