大西沟水库粘土心墙坝结构布置分析

【摘要】以新疆大西沟水库碾压式粘土心墙建设为例，分析了心墙设计中轴线、厚度、过渡层的确定及其与周边结构的连接设计，并通过有限元计算对坝体结构三维静力进行分析。

【关键词】水库；粘土心墙；结构布置

大西沟水库是乌鲁木齐河上的龙头水库，水库位于乌鲁木齐县。工程等别为Ⅰ等，工程规模是大（1）型，主要建筑物包括枢纽由粘土心墙坝、溢洪道、泄洪兼导流洞及放水灌溉洞等建筑物组成。坝顶高程为1989.20m，坝顶宽度为10.0m，最大坝高98.0m，坝长427.00m。工程选择下坝址作为坝体轴线，下坝址呈不对称“U”型谷，河床宽130m～140m，河床高程1922～1924m，左岸坡角40°～50°，右岸由冲积阶地构成台阶状地形。

1、坝体结构布置

1.1 心墙防渗体结构布置

坝顶上游侧设置L形C25钢筋混凝土防浪墙，防浪墙顶高程1990.40m，防浪墙高3.0m，墙顶高出坝顶1.2m。坝体上游坝坡为1：2.5，上游围堰与坝体结合，堰顶高程1947.0m。在1966.0 m高程另设一条2.0 m宽的马道，上游设0.25m厚砼护坡，护坡底高程为1933m，低于死水位2m。下游坝坡为1：2.25，在1960.0 m高程设一条2.0 m宽的马道，下游坡脚处设顶宽3m的排水棱体，棱体顶高程1925m，下游设0.3m厚的干砌石护坡。为改善大坝受力条件并能很好的和坝顶防浪墙连接，墙体轴线偏向上游侧布置，防渗体轴线距坝轴线3.75m。

1.2坝体结构分区与过渡层的确定

坝体填筑分区从上游至下游分为砂砾料区、过渡料区、反滤料区、粘土区、反滤料区、过渡料区、砂砾料区及排水料区。坝壳填筑砂砾料采用C2、C3料场的砂砾料，砂砾料的含泥量小于5%，相对密度不低于0.85。过渡层位于心墙的两侧，水平宽度上下游均为3m。过渡层厚度一般应超过沥青混凝心墙墙厚的2倍，工程设计中应综合考虑坝体结构稳定性以及过渡料的制备成本。理论计算过渡层厚度为1m，而实际确定厚度为3m。对于粘土心墙结构而言，过渡层厚度越大，心墙施工控制难度越小。

2、坝体结构应力应变分析

应力变形计算结果见表1。分析可知，坝体结构最大沉降变形量为32.0cm，仅为大坝高度的0.56%。水库蓄水运行后，心墙水平位移量最大值为13.8，挠跨比不超过5%。心墙在竣工期第一和第三主应力分别为1.35MPa、0.49MPa，运行期为1.28MPa、0.52MPa。心墙与混凝土基座在不同时期的错动量不同，蓄水运行期错动量沿水流方向和河床方向的最大值分别为6.2mm、9.8mm。综合分析得到，粘土心墙具有较好的协调变形能力，应力分布较为合理，不会出现应力变形破坏，坝体结构布局基本合理。

3、参数敏感性分析

同时，为了解不同填筑参数与材料对坝体位移变形造成的影响，对选取参数进行敏感性分析。敏感性分析参数为心墙模型参数Kb，按照数值的不同设计了四种模拟方案，各方案参数Kb从小到大依次为500、800、1000和1584。计算得到粘土心墙应力、变形情况如表1和表2所示。分析可知，随着Kb的增加，粘土心墙在水平和竖直方面的位移基本保持不变，而心墙结构受力确出现明显的变化。心墙第一主应力与Kb成正相关关系，当Kb超出或低于一定数值时，心墙第一主应力均不再允许范围之内。

4、结语

相较于其他坝型心墙结构，粘土心墙大坝在设计中也应对过渡层厚度进行严格控制，过渡层厚度宜较厚，心墙厚度要综合考虑大坝高度与大坝坝壳料可能的变形情况。有限元三维静力计算结果显示，设计坝体结构具有较好的协调变形能力，坝体受力情况良好，不会出现不良变形破坏现象，结构布局合理。

参考文献：

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[2]陆彦强. 寒冷地区碾压式粘土心墙坝设计[J]. 中国水运（下半月），2016，03：320-321.

[3]邓铭江，于海鸣，李湘权. 新疆坝工技术进展[J]. 岩土工程学报，2010，（11）：1678-1687.

作者简介：张文，男，（1979.07—），新疆哈密人，毕业于新疆农业大学，本科，工程师，研究方向：水利工程管理。