宁乡县金元水库土石坝加固扩建的构造和应力变形研究

宁乡县金元水库土石坝加固扩建的构造和应力变形研究

蒋发芝

中国水利水电第八工程局有限公司

摘要：现阶段，随着现代化社会发展水平的不断上升以及科学技术的进步发展，土石坝工程的施工建设要求更加严格。目前，为了提升水库的供水能力以及防洪灌溉能力，需要将土石坝进行加固扩建，而土石坝的加固扩建工程是一项专业性以及复杂性都相对较强的工作，需要充分考虑到土石坝的构造情况以及应力变形情况等。本文就宁乡县金元水库土石坝加固扩建工程的构造以及应力变形情况展开详细论述。

关键词：土石坝；加固扩建；构造；应力变形

目前，宁乡县金元水库土石坝的加固扩建原因主要包括兴建土石坝期间的不合理设计、土石坝的卧管位置相对来说设置不合理，在大坝左侧位置的卧管存在严重淤塞的现象，难以看到放水管，甚至已经完全丧失了土石坝灌溉供水功能等。现状的土石坝右岸由于缺乏维护，已经没有了相对明显的溢洪道，若上游洪水流量过大，则可能会直接漫过大坝，然后流向下游的冲沟[1]。此外，土石坝出现事故之后的社会影响范围相对较大，因此，需要对土石坝进行科学化加固扩建。为了确保土石坝加固扩建工程的顺利进行，需要提前掌握土石坝的构造与应力变形情况等。

一、土石坝加固扩建过程中的构造情况

宁乡县金元水库大坝属于均质土石坝，现状其坝顶的高程为142.3米，坝顶的宽度约45米，坝长约81米，最大的坝高为13.5米。根据相关测量数据资料显示，上游坝坡的坡比大约是1：2.3，没有实施衬砌护坡，且下游的坡比从上到下分别是1：2.5以及1：11，土石坝的坡面没有任何的防护措施，坡脚的排水棱体顶高程大约是131.0米，底高程大约是121.0米，排水棱体的外坡已经接近直立，在排水棱体的稳定性方面存在着相对严重的安全隐患[2]。水库所在的河流是湘江的支流勒江河小支流，主要是发源自芙蓉寨的金盆岭。河流流经喻家湾、金洞、石门洞以及大园山村直接汇入到勒江河的支流。从流域地势情况上来看，西北高以及东南低，是山区性的河流[3]。土石坝周边有矮山环绕，沿山便道能够直达大坝坝顶，原始地貌则属于剥蚀残丘型，具体位置在上体的冲沟内部，从外形来看是内窄外宽的，酷似簸箕形，而且在土石坝址位置有一个南北走向的“V"字型河谷，河谷的右岸相对来说较陡，而左岸则较缓。土石坝的下游为河床冲沟，沟谷的深度在30米到50米之间，沟谷的左岸岸坡比较陡立，坡度大于70度，紧靠下山的便道，此外，土石坝周边的植被为低矮灌木丛。现阶段，土石坝存在着诸多问题，具体可以从以下几个方面进行阐述：首先，土石坝的填土情况总体来说是相对密实的，但是却存在不均匀的现象，表面相对来说比较松散。土石坝的顶部不平，没有采取防护措施，比较容易受到雨水的冲刷，从而形成沟壑，严重危及到土石坝的安全。其次，土石坝的内坡没有合理设立护坡，坡面局部非常容易被冲刷，造成水土流失。最后，土石坝外坡的雨水冲水情况非常严重，坡脚的排水棱体相对来说比较陡峭，稳定性差，而且土石坝的坝坡坡脚存在漏水现象。因此，在本土石坝的加固扩建工程施工建设过程中，要严格根据土石坝的构造与实际情况，采取有效措施开展加固扩建工作。比如在土石坝的内坡应用混凝土的六方块护坡，并在土石坝的外坡利用草皮护坡以及修整坝坡等，在土石大坝的外坡加固扩建坝脚的排水棱体，建立土石坝坡面的排水沟系统，加高土石坝坝顶高程的同时不断培厚土石坝上下游的坝坡，完善与恢复溢洪道的泄洪功能等。

二、宁乡县金元水库土石坝的应力变形分析

（一）宁乡县金元水库土石坝坝体的应力变形分析

将土石坝的坝体按照标准划分方法，划分为土石坝上游、中游以及下游三个组成部分，之后利用子结构进行分块求解。在坝体的应力变形分析过程中，采用比较常用到的非线性模型，具体来说就是E-B模型，在该模型中主要包含10个非常重要的关系式，我们可以选择其中的两个关系式进行简单的论述：首先是平面应力变形方程：

其中，（e1-e3）是大主应力以及小主应力之差，且（e1-e3）ult是大主应力以及小主应力之差在X关系曲线上的渐近线数值，具体来说该数值一般情况下都是接近于土料的强度[5]。

（二）宁乡县金元水库土石坝加固扩建过程中混凝土防渗墙的应力变形研究分析

土石坝加固扩建期间的混凝土防渗墙可以取代老土石坝的粘土心墙。具体来说防渗墙的混凝土主要划分为水上以及水下两个组成部分，需要将高程控制在合理范围之内。水上部分的混凝土是立模现浇，选择标号是C25的混凝土，弹模为15GPa，此外，为了能够在有限元的计算过程中有效模拟防渗墙的底部浇筑情况，需要在底部设置沉渣单元。将直墙科学划分为矩形形状的三排薄单元，从而更好地有效模拟混凝土的构件工作情况，厚度分别设置成15厘米、48厘米以及15厘米。从专业角度出发，宁乡县金元水库土石坝在加固扩建中的施工顺序对于混凝土的防渗墙应力变形有着非常明显的影响，在计算过程中把混凝土单元设定为其变形模量与其粘土是相同的，得出混凝土的刚度以及参数。从有限元的分析研究结果来看，要注意其拉应力情况，直墙底端以及基岩连结位置的高程要控制在合理范围之内，而直墙上游满蓄的时候，底端的拉应力可以达到3.30MPa。此外，由于在刚性构件计算过程中的误差相对较大，特别是单元划分出现不规则的时候，计算期间出现的具体应力数值是非常不可靠的，通常情况会出现数值偏大的情况，因此在设计过程中需要引起高度重视。在宁乡县金元水库土石坝加固扩建工程的竣工期间，根据从大主应力的等值线上可以相对明显的看出其应力集中现象，其底部位置会出现较大的拉应力。从拉应力产生的原因上来看，主要是由于墙以及基岩属于刚结的，在一定程度上产生了剪应力以及弯矩，从而使拉应力加大。但是目前土石坝的防渗墙设计理论以及计算理论是不成熟的，需要进一步探讨墙以及周围土体的实际应力情况。宁乡县金元水库土石坝满蓄之后，因水平位移作用使得头部出现相反方向转动情况，其外侧的拉应力会日益降低，在内侧出现较大的拉应力。针对宁乡县金元水库土石坝头部段位置的弱点，在实际加固扩建工作中应该适当的增加配筋，充分利用土石坝加固扩建工程施工建设过程中混凝土趾板自身的支撑作用，最大限度推迟土石坝防渗墙头部混凝土的浇筑时间，从而使相关弱点问题得到解决，从根本上促进土石坝加固扩建工程的科学有效进行。

结语：

总而言之，宁乡县金元水库土石坝加固扩建工程是一项系统性相对较强的工程，涉及的内容比较多。土石坝的加固扩建既是自身安全性的需要，也可以有效改善土石坝附近区域的生态环境，促进旅游经济的发展，在一定程度上提高灌溉的标准，满足广大人民群众的基本需要，对当地经济的发展以及社会稳定起到非常重要的积极作用。因此，在宁乡县金元水库土石坝加固扩建工程的施工建设期间，要掌握土石坝加固扩建工程的具体构造情况，对应力变形情况进行分析研究，从而有助于宁乡县金元水库土石坝加固扩建工程顺利开展，并达到加固扩建预期效果。

参考文献：

[1]丁树云，毕庆涛.深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征[J].水力发电，2011，04：43-45+94.

[2]马晓华，梁国钱，郑敏生等.土石坝低弹性模量混凝土防渗墙应力变形数值分析[J].水力发电，2011，04：51-54.

[3]潘家军，饶锡保，徐晗等.坝料流变对高面板堆石坝的应力变形影响研究[J].西北地震学报，2011，S1：281-284+294.

[4]牛坤.土石坝坝体混凝土防渗墙应力变形分析[J].云南水力发电，2014，06：68-71+90.

[5]孔德志.土石坝坝剖面材料分区的有限元分析[J].山西建筑，2010，10：361-363.