第１５卷第１期 水利与建筑工程学报 Ｖ０１．１５ Ｎｏ．１ ２ ０ １ ７年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂ．，２０１７ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１１４４．２０１７．０１．０１６ 胶凝砂砾石坝坝坡比分析研究 杨晋营，高超 （山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原０３００２４） 摘要：胶凝砂砾石坝属于新型筑坝技术，坝坡比是胶凝砂砾石坝断面设计的重要参数，直接影响工程 的安全性和经济性，应通过坝体抗滑稳定性和应力分析来确定最优坝坡比和坝体断面。通过和面板堆 石坝、碾压混凝土重力坝坝坡比的对比，结合胶凝砂砾石坝坝体受力特征分析，对胶凝砂砾石坝在基本 荷载组合条件下的坝坡比进行了理论分析和研究。胶凝砂砾石坝设计初期，类似Ⅳ类硬质岩的坝基地 质条件，且材料设计抗压强度６．０ ＭＰａ、坝高小于７０ ｍ时，胶凝砂砾石坝综合坝坡比可在１．２—１．３之间 初选；上游坝坡比宜大于１：０．３、小于１：１．０；下游坝坡比宜大于１：０．５、小于１：１．０。在综合坡比一定时， 将坝体设计为对称梯形断面对坝体抗滑稳定有利；将坝体设计为上游坝坡比小、下游坝坡比大的非对称 梯形坝对降低坝体主应力水平有利。 关键词：胶凝砂砾石坝；坝坡比 中图分类号：ＴＶ６４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２一ｌ１４４（２０１７）０１—０ｏ８３一【）７ Ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄｙ Ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ Ｓｌｏｐｅ ＹＡＮＧ Ｊｉｎｙｉｎｇ，ＧＡＯ Ｃｈａｏ （Ｓｈａｎｘｉ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ａｌｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄｙ Ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ．Ｉｔ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｎａｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄａｍ ｎａｄ ｄａｍ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｌｏａｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｃｏｎｔｒｓａｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆａｃｅ ｒｏｃｋ矗ｌ１ ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｌｌｅｒ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅ— ｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄｙ Ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ．Ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｙｐｅ ＩＶ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ’Ｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｍｏｒｅ ｈｔａｎ ６．０ ＭＰａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｍ ｈｅｉｈｇｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ７０ ｍ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄｙ Ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ａｒｔｉｏ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｉｓ １．２ ｔｏ １．３．Ｔｈｅ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ｌｒａｇｅｒ ｔｈａｎ １：０．３ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １：１．０。ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ｌｒａｇｅｒ ｈｔａｎ １：０．５ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １：１．０．Ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｔｉｏ ｔｈｅ ｄａｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｈｔｅ ｓｙｍｍｅｔｉｒｃ ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ＣｒｏＳＳ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｓｌｉｄｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｆａｖｏｒａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｄａｍ ｄｅｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｐｓｔｒｅａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｅｒａｍ ｄａｒｎ ｓｌｏｐｅ ｆｏ ｎｏｎ ｓｙｍｍｅｔｉｒｃａｌ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ ｄａｍ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｔｒｅｓｓ ｌｅｖｅ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄｙ Ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ；ｄａｍ ｓｌｏｐｅ 胶凝砂砾石坝属于新型筑坝技术，在国内永久 胶结材料，将不经筛分的天然砂砾料胶结起来，通过 工程中应用实例为数不多，山西守口堡水库胶凝砂 碾压的方式使之达到一定强度，来满足应力和稳定 砾石坝是我国应用此项技术的首例，坝高６１．６ 要求的。 ｍ－ ；四川顺江堰拦河滚水坝是我国第一座已建成 胶凝砂砾石坝断面形状一般为梯形，断面比较 的胶凝砂砾石坝永久性工程，坝高１１．６ ｍ【 。在临 大，当坝轴线较长，对断面进行优化设计，可有效减 时围堰工程中应用较多【 Ｊ。从材料性能和施工方 少胶凝砂砾石工程量。坝坡比是胶凝砂砾石坝断面 法来看，胶凝砂砾石坝是介于面板堆石坝与碾压混 设计的重要参数，直接影响工程的安全性和经济陆， 凝土坝之间的一种新坝型，其特点就是加入少量的 应通过坝体抗滑稳定性和应力分析来确定最优坝坡 收稿日期：２０１６．０９．２８ 修稿日期：２０１６．１Ｏ一２４ 基金项目：先进实用技术示范项目（１２６２ｌ４ｏＯ０００ｏｌ５ｌｏ２２） 作者简介：杨晋营（１９５９一），男，山西偏关人，教授级高级工程师，主要从事水工结构及工程泥沙研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｊｉｎｙｉｎｇ０１＠ｓｉｎａ．ｃｏｎｒ 水利与建筑工程学报 第１５卷 比和坝体断面。 求，所采用的坝体混凝土材料强度也比较高（通常在 目前，国内有关永久性胶凝砂砾石坝坡比研究 成果比较少，有关文献对守口堡胶凝砂砾石坝坝坡 比进行了研究＿７－９ｊ。现行的《胶结颗粒料筑坝技术 Ｃ１５以上）。而胶凝砂砾石强度相对较低，满足坝体 稳定和应力要求的坝坡比应较碾压混凝土坝要大 些，其综合坝坡比应大于０．６～０．８。 导则》ｌｌＯ］（ＳＬ６７８—２０１４）也仅仅给出上下游坝坡比 的最值，即胶凝砂砾石坝上游坝坡宜缓于 １：０．３、下游坝坡宜缓于１：０．５。影响坝坡比选择的 因素包括坝基地质条件、坝体作用荷载，以及坝体材 料强度等。通过和面板堆石坝、碾压混凝土重力坝 坝坡比的对比，结合胶凝砂砾石坝坝体受力特征分 析，对胶凝砂砾石坝在基本荷载组合条件下的坝坡 比进行了研究。 １ 与碾压混凝土坝和面板堆石坝坝坡 对比分析 （１）碾压混凝土坝坝坡比。碾压混凝土坝属于 重力坝的一种，重力坝基本断面是三角形，其顶点在 水库校核洪水位附近。《碾压混凝土重力坝设计规 范》ｌ１ｌ＿（ＳＬ３１４—２００４）规定：上游坝坡宜采用铅直 面，下游坝坡宜采用１：０．６—１：０．８０，综合坡比０．６ ～０．８。碾压 昆凝土重力坝通常采用材料力学法计 算坝体应力，采用刚体极限平衡法计算坝体抗滑稳 定，以此作为确定坝体断面的依据。 （２）面板堆石坝坝坡比。面板堆石坝的稳定主 要控制因素是坝坡。《混凝土面板堆石坝》［ ０］ （ＳＩ２２８—２０１３和ＤＬ／Ｔ５０１６—２０１１）规定，当筑坝材 料为硬岩堆石料时，上、下游坝坡可采用１：１．３～１－ １．４；软岩堆石体的坝坡宜适当放缓，并结合坝坡稳 定计算确定；当用质量良好的天然砂砾石料筑坝时， 上、下游坝坡可采用１：１．５～１：１．６。对于硬岩堆石 料，综合坡比为２．６～２．７。 （３）胶凝砂砾石坝坡比可能的范围分析。无论 是碾压混凝土坝还是混凝土面板堆石坝，均为胶凝 砂砾石坝坝坡比选择提供了参考范围。 就材料的特性来讲，尽管胶凝砂砾石的胶结材 料用量少，相对碾压混凝土抗压和抗剪切强度要小， 但也属于具有一定抗压和抗剪切能力的胶结体。有 关试验研究成果表明ｌ１ ，当胶凝砂砾石抗压强度大 于４ ＭＰａ时，满足坝体自身稳定的临界边坡为 １：０．１４，基本接近于重力坝的上游坝坡采用折面的 坝坡比。也就是说，胶凝砂砾石坝不存在像散粒体 一样的坝坡自身稳定问题，控制其坝体剖面的应是 坝体整体抗滑稳定和应力稳定。碾压混凝土坝坡比 相对较小，坝体和坝基应力水平较高，为满足应力要 面板堆石坝的堆石体属于散粒体，坝体边坡由 堆石体的滑坡稳定决定，需要有较大的坝坡比才能 满足坝坡稳定要求。胶凝砂砾石强度较高，不存在 坝坡自身稳定问题，进而可大大减小坝体断面。因 此，胶凝砂砾石坝的综合坝坡比应远小于｝昆凝土面 板堆石坝综合坝坡比２．６—２．７。 ２胶凝砂砾石坝的断面设计及坝坡比 ２ １梯形坝基底应力分析 ２．１．１现行《胶结颗粒料筑坝技术导则》的基本要 求 《胶结颗粒料筑坝技术导则》Ｉ１ ｏｌ（ＳＬ６７８—２０１４） 对坝体设计有如下规定： （１）胶凝砂砾石坝体断面以材料力学法和刚体 极限平衡法计算的成果为依据，复杂地基条件下宜 采用有限元等效应力法进行计算分析。 （２）胶凝砂砾石坝在运用期各种荷载组合下， 坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小 于坝基允许压应力；施工期坝踵垂直应力应小于材 料允许压应力，坝趾垂直应力不应出现拉应力。 （３）胶凝砂砾石坝材料允许应力在基本组合时 应按其极限强度除以相应的安全系数４．０确定。 ２．１．２梯形坝应力与坝坡比的关系 ２．１．２．１梯形坝基底应力计算公式推导 采用材料力学法计算胶凝砂砾石坝水平截面上 的正应力表达式为 ∑ ｒ ６∑ … ，．、 ｙｕ、ｙｄ 一± 如图１所示，设坝高为Ｈ，坝顶宽度ｂ，坝底宽度 Ｂ，上下游坝坡比分别为ｍ、ｎ，７为水的重度，ｙ 为 胶凝砂砾石的重度， 为扬压力折减系数。假定梯形 坝下游无水，上游无泥沙压力作用，扬压力呈三角形 分布，并假定水库水位在梯形顶面。 用材料力学方法推导出的坝基截面上、下游（坝 踵和坝趾）垂直应力计算公式分别为： ＝ （ ＋譬）ｙ。Ｈ＋ ［ 一 （ ＋１）日２ １一 Ｊ ，＾、ｋｚ） Ｏ＇ｙｄ＝ （ 一管）ｙ Ｈ一 一 ８６ 水利与建筑工程学报 第１５卷 图３ 边缘应力计算简图 ｌ ＝（１＋ｍ ） 一Ｐｕｍ （７） ｌｄ＝（１＋ｎ ） ｄ （８） 同样研究了坝高日＝６ｏ的坝基截面坝体上、下 游坝面主应力与坝坡比的关系，其相关关系如下： （１）ｍ＋ 与 ｌ 呈正相关，与 １ｄ呈负相关。 （２）ｍ＋ｎ为定值时，上游坝坡／Ｔｔ与 呈负相 关，与 １ｄ呈正相关。ｍ：几时，上游面主应力 最 小，下游面主应力 最大；ｍ：０时，下游面主应力 最小。 （３）上游坝面主应力出现拉应力的综合坝坡比 为ｍ＋ｎ＝０．６，且ｍ＝ｎ时，上游面最小主应力 ＝一０．１７９ ＭＰａ，下游面最大主应力 １ｄ＝２．０５６ ＭＰａ；ｍ＝０时，上游面最小主应力 １ ＝０．２１５ ＭＰａ， 下游面最大主应力ｄ ＝１．７０５ ＭＰａ。 上游坝坡ＬＬｍ ｆａ 坝坡比与坝体上游面主应力关系 上游坝坡比ｍ （ｂ）坝坡比与坝体下游面主应力关系 图４坝坡比与坝体坝面主应力关系图 ２．１．２．５满足应力条件的坝坡比 对于坝体与基础接触面，一方面要满足基岩承 载力和基底不出现拉应力的要求，另一方面要满足 坝体材料设计强度要求。 （１）满足基底不出现拉应力的要求为坝踵最小 垂直应力 ．１＞０。 从计算分析结果来看，当坝高Ｈ＝６０ ｍ时，满 足基底应力要求 。≥０的最小坝坡比为ｍ＋ｎ＝ ０．６，此时坝趾最大垂直应力 ＝ｉ．６２９ ＭＰａ。 （２）满足基岩承载力要求为基底垂直应力 、 。 或 均小于坝基岩体允许承载力Ｒ。 对于Ⅳ类及以上硬质岩，其饱和抗压强度Ｒ ＞ ３０ ＭＰａ，允许承载力多大于１．５ ＭＰａＥ１６ Ｊ。从计算结 果来看，满足岩基承载力要求的坝坡比为ｍ＋ｎ＝ ０．６，此时上、下游边坡分别为ｍ＝０．１和 ＝０．５。 （３）满足坝体材料强度要求之一是最小主应力 ＞ｔ０，也就是坝体上游面不出现拉应力。 从计算分析结果来看，当坝高Ｈ＝６０ ｉｎ时，满 足坝体底部上游面不出现拉应力 ≥０要求的最 小坝坡比为ｍ＋凡＝０．６（且／Ｔｔ≤０．１９）。因此，仅从 满足坝体不出现拉应力来讲，坝坡比应为ｍ＋凡≥ ０．６。 （４）满足坝体材料强度的另一个要求是最大主 应力胁１ｄ≤Ｒ。，其中ｋ和Ｒ 分别为坝体材料抗压强 度安全系数（基本荷载组合ｋ＝４．０）和设计抗压强 度。 设胶凝砂砾石的设计抗压强度Ｒ ＝６ ＭＰａ，经 计算，当坝高Ｈ＝６０ ｍ时，满足 １ｄ≤Ｒａ＝６ ＭＰａ要 求的最小坝坡比为ｍ＋ｎ＝０．８（且ｍ≤０．３），此时 坝体主应力 ， ＝１．４３３ ＭＰａ～１．１２２ ＭＰａ。因此，从 满足坝体设计抗压强度要求来讲，坝坡比应为ｍ＋ 凡≥０．８。 从上述分析计算情况来看，当坝高Ｈ＝６０ ｎ３ 时，且胶凝砂砾石设计强度为６ ＭＰａ，满足坝体应力 和基岩承载力要求的综合坝坡比应为ｍ＋ｎ≥０．８。 ２．２坝坡比与抗滑稳定安全系数的关系 ２．２．１ 现行《胶结颗粒料筑坝技术导则》的基本要 求 基本荷载组合情况下，胶凝砂砾石坝体抗滑安 全系数需满足 ≥１．０５或 ≥３．０。 ２．２．２坝坡比与抗滑稳定安全系数的关系 ２．２．２．１抗滑稳定安全系数计算公式推导 采用刚体极限平衡法计算胶凝砂砾石坝抗滑稳 定的抗剪和抗剪断表达式分别为 Ｋ： ㈩ ㈦ 设坝基与胶凝砂砾石坝体之间的抗剪摩擦系数 第１期 杨晋营，等：胶凝砂砾石坝坝坡比分析研究 ．厂，抗剪断摩擦系数厂 、抗剪断黏聚力ｃ ，用刚体极 ．１．７１３ １．８３３＜３．０，抗倾覆安全系数Ｋｏ＝１．４４３ １．４８０＜１．５，抗倾覆稳定也成了问题。 限平衡法推导出来的坝体抗剪和抗剪断稳定的安全 系数表达式分别为 ＝ ＋ 一鲁］ （９） √［ｍ＋ 一鲁］＋ （１０） （４）满足抗剪断安全系数 ≥３。０的最小坡比 为ｍ＋ ＝１．３，上下游边坡分别为ｍ＝０．６、ｎ： ０．７，此时Ｋ ：３．０６，坝趾最大应力０．８６０，最大主应 力１。２８１；等坡比ｍ：ｎ：０．６５时，抗剪断安全系数 最大 ＝３．１０，坝趾最大应力０．９１５，最大主应力 ２．２．２．２ 抗滑稳定安全系数与边坡比的关系分析 同样假设坝高日＝６０，坝顶宽ｂ＝６ ｍ、水的重 度７＝１０ ｋＮ／ｍ￣、胶凝砂砾石的重度ｇ ＝２３．６ ｋＮ／ｍ３、扬压力折减系数ａ＝０．２５。坝基础岩体为Ⅳ 类硬质岩，坝基与胶凝砂砾石坝体之间的抗剪摩擦 系数ｆ＝０．５，抗剪断摩擦系数ｆ ：０．８－，抗剪断黏聚 力ｃ ：０．５ ＭＰａ。 按照式（９）、式（１Ｏ）计算基本荷载组合条件下 不同坝坡比的坝体稳定安全系数，并绘制成ｍ＋ｎ、 ｍ和 、 关系曲线见图５。 上游坝坡ｔｇｍ （ａ）坝坡比与抗剪安全系数关系图 上游坝坡比 （ｂ）坝坡比与抗剪断安全系数关系图 图５ 坝坡比与坝体抗滑稳定安全系数 由图５可看出： （１）ｍ＋ｎ与Ｋ和 均呈正相关。ｍ＋ｎ越大， Ｋ、Ｋ 越大，反之越小。 （２）ｍ＋ｒ／，为定值时，ｍ与Ｋ和 呈正相关。ｍ 越大，Ｋ、 越大，反之越小。ｍ＝ 时，Ｋ和 均达 到最大值。可见上下游等坡比时，坝体可获得最大抗 滑稳定安全系数。 （３）满足抗剪安全系数 ≥１．０５的最小坝坡比 为ｍ＋ ＝０．７，上下游边坡分别为ｍ：０．２、ｎ： ０．５，此时Ｋ＝１．０６２；当ｍ＝ ＝０．３５时，抗剪稳定 安全系数最大Ｋ＝１．１３７。但ｍ＋ｎ：０．７时， ： １．３０２。抗倾覆安全系数Ｋｏ＝１．９８８ ２．０１７。 从坝高日＝６０ ｍ的胶凝砂砾石坝抗剪断稳定 安全系数与坝坡比的关系来看，满足抗剪断稳定要 求的坝坡比为ｍ＋ｎ≥Ｉ．３，相对于满足坝体应力和 基础岩体承载力要求的坝坡比ｍ＋ｎ≥０．８大很多。 可见，在某种条件下，抗剪断稳定较应力要求的坝坡 比大，是控制胶凝砂砾石坝断面设计的主要因素。 笔者还研究了不考虑排水孔幕作用（Ｏｔ＝１）情 况下的坝体抗滑稳定性：满足抗剪稳定的最小边坡 比为ｍ＋ｎ＝１．１；满足抗剪断稳定的最小边坡比为 ｍ＋ｎ＝１．８，坝体最大主应力１．１９２ ＭＰａ １．３７９ ＭＰａ，应力水平不高。 ２．３不同坝高坝坡比初选范围分析 ２．３．１不同坝高、坝坡比的应力和抗滑稳定性分析 笔者又先后研究了坝高３０ ｍ、４０ ｍ、５０ ｍ、６５ ｎｌ、 ７０ １ＴＩ，坝顶宽度为６ ｍ的不同的坝坡比梯形坝，在基 本荷载组合下的应力和抗滑稳定性。总体情况来 看，坝坡比和应力、坝坡比和抗滑稳定安全系数之间 的相关关系，与前述坝高为６０ ｍ的梯形坝具有相同 的规律。但随着坝体高度的增加，要求的坝坡比也 加大；且随着坝坡比的加大，坝体应力水平逐渐提 高，对坝体材料强度要求也就高了。 ２．３．１．１基本计算假定 （１）坝体上游水位在梯形顶面，下游无水，扬压 力呈三角形分布。 （２）上游无泥沙压力作用，不考虑地震力作用。 （３）坝基面为水平面，坝体水平截面的应力呈 直线分布。 （４）坝基础岩体为Ⅳ类硬质岩，且无深层和浅 层滑动问题。坝基与胶凝砂砾石坝体之间的抗剪摩 擦系数．厂＝０．５，抗剪断摩擦系数ｆ ＝０．８、抗剪断黏 聚力ｃ ＝０．５ ＭＰａ。（水工设计手册） （５）水的重度７＝１０ ｋＮ／ｍ３，胶凝砂砾石的重度 ｙ ＝２３．６ ｋＮ／ｍ３，扬压力折减系数ａ＝０．２５。 ２．３．１．２满足应力要求的坝坡比 表１为不同坝高、坝坡比条件下满足坝踵垂直 应力 ＞１０、坝体最小主应力 ≥０、坝体最大主应 力幻１ｄ≤尺 （假定Ｒ ＝６．０ ＭＰａ，抗压安全系数取 ８８ 水利与建筑工程学报 第１５卷 由表１计算结果表明：对于３０ ｍ～７０ ｍ高的梯 于３０ ｍ～６５ ｍ高的梯形坝，满足抗剪断稳定Ｋ ≥ 形坝，同时满足应力和抗剪稳定 ≥１．０５要求的坝 ３．０要求的坝坡比ｍ＋ｎ＝１．２～１．３，可同时满足应 坡比ｍ＋ｎ＝０．６～０．９，且ｍ＜／７，对降低坝体主应 力和抗剪稳定 ≥１．０５的要求，且ｍ＝／７，时抗滑安 力水平较为有利，但不满足抗剪断稳定 ≥３．０要 全系数最大，也就是说在不增加断面尺寸的情况下， 求。 将坝体设计为ｍ＝ 的梯形断面对坝体抗滑稳定有 ２．３．１．３满足抗剪断稳定要求的坝坡比 利。对于７０ ｍ高的梯形坝，满足抗滑稳定的最小坝 表２为不同坝高、坝坡比条件下满足抗剪断稳 坡比为ｍ＋ｎ＝１．３，但需要的坝体材料强度大于 定要求的应力计算结果。由表２计算结果表明：对 ６．Ｏ ＭＰａ 表２满足抗剪断稳定的不同坝高和坝坡比的应力计算结果 ２．３．２综合坝坡比 定来控制设计断面也是可行的，这样做偏于安全。 从以上分析来看，坝高小于７０ ｍ的胶凝砂砾石 因此，笔者建议在初选胶凝砂砾石坝综合坡比时在 坝，满足抗剪断稳定要求的坝坡比较满足抗剪稳定 １．２—１．３之间初选。 和应力要求的坝坡比大。根据目前国内重力坝抗滑 ２．３．３单侧坝坡比 稳定分析来看，建立在岩基上的重力坝，多数是以抗 《胶结颗粒料筑坝技术导则》规定了上、游坝坡 剪断稳定来控制坝体设计断面的。对于建立在岩基 宜缓于１：０．３和１：０．５，也就是说给出了胶凝砂砾石 上的胶凝砂砾石坝来讲，由于大家对其特性和设计 坝单侧坡比的下限值。 理论仍处于初步认识阶段，其抗滑稳定以抗剪断稳 而由于胶凝砂砾石坝不存在坝坡自身稳定问 第１期 杨晋营，等：胶凝砂砾石坝坝坡比分析研究 ８９ 题，其单侧边坡应远小于面板堆石坝单侧坝坡比 应力和抗滑稳定分析结果表明，胶凝砂砾石坝 具有两个特点：①在／／Ｚ＋ｎ一定时，不增加断面尺 寸，将坝体设计为ｍ＝ 的梯形断面对坝体抗滑稳 定有利；②将坝体设计为ｍ＜ｎ梯形坝对降低坝体 主应力水平有利。因此，在胶凝砂砾石坝断面设计 １：１．３ １：１．４。如果单侧坡比太大，接近或略小于 面板堆石坝单侧坝坡比，设计断面大了，体现不了胶 结体的优势，则利用胶凝砂砾石筑坝就无多大意义 了。笔者认为，胶凝砂砾石坝单侧边坡在小于１：１．０ 范围内选择更合理些，也就是说，单侧坝坡比宜陡于 １：１．０。 ２．３．４国内外部分胶凝砂砾石坝的坝坡比统计 目前国内尚无已建成的永久性胶凝砂砾石坝工 程，山西守口堡水库大坝属于我国第一座在建的永 久性胶凝砂砾石坝，最大坝高６１．６ ｍ，综合坝坡比 ｍ＋ ＝１．２，采用对称梯形断面，上下游坝坡比均为 ｌ：０．６（注：该坝坝体稳定考虑了基础面向上游倾斜 的因素）。国外已建成的胶凝砂砾石坝比较多，表３ 为国外部分已建坝高３０ ｍ以上的胶凝砂砾石坝的 坝坡比统计情况。 表３国外已建胶凝砂砾石坝坝坡比统计 序号工程名 国家婀高／ｍ Ｊ ［鎏 矗 综／乙ｍ Ｊ 儿 十ｎＴ ，／ １ ＦＩＬＩＡＴＲＩＮＯＳ希腊 ５５．０ １：０．８ １：０．８ １．６ ２ ＳＴＥＮＯ 希腊 ３２．０ １：０．７ １：０．７ １．４ ３ ＡＮＯ］ＨＥＲＡ 希腊 ３１．０ １：０．８ １：０．８ １．６ ４ Ｔｏｈｅｔｓｕ 日本 ５２．４ １：０．８ １：０．８ １．６ ５ Ｏｋｕｋｕｂｉ 日本 ３９．０ １：０．８ １：０．８ １．６ ６ ＲｉｏＧｒａｎｄｅ 秘鲁４５．６ １：Ｏ．７ １：Ｏ．７ １．４ ７ ｅ１ ｔｏｎ一 美国 ３５ １：０．８ １：０．８ １．６ ８ Ｗｉｌｌｏｗ Ｉｓｌａｎｄ 美国 ３０．８ １：０．８ １：０．８ １．６ ９ 唧ｅ ｔｏｎ一美国３０．２ １：０．８ １：０．８ １．６ 从统计表３可看出，坝高在３０ １３３．以上的胶凝砂 砾石坝，综合坝坡比ｒｔＴ，＋／／，＝１．４—１．６，而且采用了 对称梯形断面。这些工程实例也为我们初选坝坡比 提供了有价值的参考。 ３结语 通过上述分析，建议在胶凝砂砾石坝设计初期， 类似Ⅳ类硬质岩的坝基地质条件，且材料设计抗压 强度Ｒ Ｉ＞６．０ ＭＰａ、坝高小于７０ ｍ时，胶凝砂砾石坝 坝坡比按以下条件初选： （１）综合坝坡比可在ｍ＋凡＝１．２～１．３之间初 选。 （２）上游坝坡比ｍ宜大于１：０．３、小于１：１．０。 （３）下游坝坡比ｎ宜大于１：０．５、小于１：１．０。 时，应充分考虑利用这两个特点。 参考文献： ［１］杨晋营，燕荷叶，王晋瑛．守口堡水库胶凝砂砾石坝设 计［ｃｌ／／高坝建设与运行管理的技术进展——中国大 坝协会２０１４学术年会论文集，郑州：黄河水利出版社， ２０１４：５６１－５６８． ［２］杨会臣，冯炜，贾金生，等．西河顺江堰胶凝砂砾石坝 研究与实践［Ｃ］／／第五届水库大坝新技术推广研讨会 暨中国水利学会水工结构专业委员会第十二次年会， ２０１６：ｌ１—１８． ［３］田育功，唐幼平．胶凝砂砾石筑坝技术在功果桥上游围 堰中的研究与应用［Ｊ］．水利规划与设计，２０１１（１）：５１．５７． ［４］何光同，李祖发，俞钦．胶凝砂砾石新坝型在街面量 水堰中的研究和应用［ｃ３／／福建省水力发电工程学会 ２００６年学术论文汇编，中国福建，２００６：３－６． ［５］ 肖 兰，何蕴龙，张艳锋．ＣＳＧ技术在围堰工程中的应 用［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２００８，６（２）：１５．１８． ［６］王薛刚．胶凝砂砾石（ＣＳＣ）在围堰工程中的应用［Ｊ］．水 利水电施工，２０１３（６）：１－３． ［７］燕荷叶．守口堡水库胶凝砂砾石坝断面尺寸研究［Ｊ］． 水利水电技术，２０１２，４３（６）：３９．４３． ［８］李晶，贾金生，赵春．胶凝砂砾石坝最优对称断面 适用范围探讨［ｃ］／／中国大坝协会２０１３学术年会暨第 三届堆石坝国际研讨会论文集．郑州：黄河水利出版 社，２０１３． ［９］蔡新，杨杰，郭兴文．胶凝砂砾石坝研究综述［Ｊ］． 河海大学学报（自然科学版），２０１５，４３（５）：４３２－４４１． ［１０］ 中华人民共和国水利部．胶结颗粒料筑坝技术导则： ＳＬ６７８—２０１４［Ｓ］．北京：中国水利水电出版社，２０１４． ［１１］ 中华人民共和国水利部．碾压混凝土设计规范：ＳＬ３１４ 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