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Study on compound structure of concrete gravity dam-face rockfill dam
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摘要: 针对目前特高面板堆石坝存在的面板挠曲变形大、面板缝易拉开、底部面板不能检修等突出问题，提出了一种适用于特高面板堆石坝的新型坝体结构型式——混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构。重点分析了施工期、蓄水期及蓄水期发生地震时，新型复式结构混凝土重力坝的高度、上下游坡比、趾板布置等体型参数变化对大坝结构应力变形及面板挠度等指标的影响，为新型结构型式体型的选择提供参考。优选的新型复式结构型式与常规堆石坝结构的计算结果对比分析表明，复式结构除周边缝张开变位及施工期面板应力大于常规面板坝外，其他指标均占据优势，且周边缝张开变位完全在相应规范及止水结构允许变形范围内，并具有较高的安全裕度。新型挡水结构可缩短混凝土面板长度，改善面板受力状态，减少面板挠曲变形，并有效提升面板堆石坝坝踵及趾板部位的可维修性。
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关键词:
- 特高面板堆石坝 /
- 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构 /
- 可检修性
Abstract: In view of the outstanding problems in super high concrete face rockfill dams, such as large deformation of concrete face plate, easy opening of concrete face joint and non-maintenance of bottom face plate, etc., a new type of dam body structure suitable for ultra-high concrete face rockfill dams is presented in this paper: a compound structure of concrete gravity dam-face rockfill dam. We have analyzed the shape parameters such as height, upstream and downstream slope ratio and the toe plate arrangement influence on the structural stress and deformation of the new type compound concrete gravity dam and the deflection of the face plate, during the construction period, the storage operation period and the storage period when earthquakes occur, providing a reference for the selection of new structural type. By comparing the calculated results of the optimized new type compound structure with that of the conventional rockfill dam, it is obtained that except for the compound structure with the opening displacement of the peripheral joints and the stress of the concrete face slab higher than that of the conventional concrete face dam in the construction period, the other indexes are that the compound structure is dominant, and the opening displacement of the peripheral joint is within the allowable deformation range of the corresponding code and the water-sealing structure, and has a higher safety margin. The new structure can shorten the length of the concrete face, improve the stress state of the face, reduce the flexure deformation of the face, and effectively improve the maintainability of the heel and toe slab of the concrete face rockfill dam, and has a wide application prospect. -
混凝土面板堆石坝具有对坝址区地形地质条件适应性强、经济性优、安全可靠等特点，近40年来在我国得到快速发展，并正在向特高面板堆石坝、复杂自然条件筑坝方向发展[1-2]。但是，通过近年来对已建200 m级面板坝深入研究，发现高面板堆石坝存在坝体变形比计算值偏大、面板挤压破坏、面板裂缝、坝体渗漏量偏大等问题[3-5]。研究表明，300 m级特高面板堆石坝存在与高面板堆石坝相同的问题，但表现更加突出[6-9]。特高面板坝存在的突出问题是坝体绝对变形更大，使得面板等防渗系统更易破坏，存在更大的渗透稳定安全隐患；特高面板堆石坝底部100 m以下可维修性差，面板下部检修困难。造成这些问题的原因除堆石体沉降量大以外，面板长度过长挠曲变形较大也是另一个不可忽视的重要原因，且这些大型水库不可能完全放空以供面板检查。高面板堆石坝、300 m级特高面板堆石坝的安全性成为各方专家关注的焦点问题[10]。
为了改变特高面板堆石坝面板挠曲变形大、面板下部检修困难的现状，提出了“混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构”，即河床坝踵采用混凝土重力坝来代替深水区的混凝土面板，从而提高深水区防渗体的结构强度，也可减小混凝土面板的长度，从而改善面板的受力条件，使坝踵处混凝土重力坝顶以上的混凝土面板完全具备人工检修条件。图1为面板堆石坝常规结构和本文所述新型结构示意。
某工程为Ⅰ等大（1）工程，拦河坝型为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高257.5 m。本文以该工程为依托，对新提出的“混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构”进行研究，揭示坝踵设置的混凝土重力坝高度、上下游坡度等体型参数对坝体尤其是防渗体应力变形的影响，并与常规堆石坝的计算结果进行对比分析，综合比较此复式新型结构的优劣，为此新型结构的设计及推广应用提供重要参考。
1. 混凝土重力坝体型研究
复式结构中的混凝土重力坝在施工期承受下游坝体堆石的土压力，坝后堆石处于有限位移的主动土压力状态；在蓄水运行期既要承受下游坝体堆石的土压力，又要承受上游的水压力，坝后堆石处于有限位移的被动土压力状态。复式结构作为一种新型挡水大坝结构型式，首先采用材料力学法进行计算，以初步确定混凝土重力坝的体型，为后续复式结构的研究提供基础。分析断面坝高257.5 m，正常蓄水位下坝基处水头246.0 m、校核洪水位下250.45 m，地震动峰值加速度为0.337g。
1.1 体型基本参数研究
（1）坝踵处坝高。对于300 m以上超高面板坝，受高速水流及闸门性能的限制，需专门设放空洞与泄洪建筑物接力放空水库，考虑到维修需要，复式结构混凝土重力坝的坝顶高程不应低于放空水位减去最大潜水深度。
坝踵处混凝土重力坝越高，上部面板的受力条件越好，变形越小；下部重力坝建设成本增大，而上部面板堆石坝建设成本及维修放空设施成本相应减小。因此，坝踵处混凝土重力坝坝高的确定与地形地质条件、最低放空水位、水工枢纽布置密切相关，最终通过经济技术比较，初步确定坝踵处混凝土重力坝复式结构的坝高为80 m。
（2）坝踵处坝顶宽、上下游坝坡。坝踵处混凝土重力坝坝顶宽应满足混凝土临界水力坡降要求，并与面板堆石坝趾板布置相协调。坝踵处两岸趾板坐落在弱风化中下部，规范[11]要求趾板底部水力坡降小于20，依托工程混凝土重力坝顶部最大水头为200.45 m，计算趾板宽度最小为10.02 m，故本次重力坝基本顶宽按10 m考虑。经初步分析，混凝土坝的抗滑安全系数及坝体应力要满足规范[11]要求，上下游综合坡比之和需达到1∶0.9。混凝土重力坝上游面可为铅直面、斜面或者折面，坡比采用1∶0.6~0；坝体下游侧为堆石填筑，下游坡比根据上游坝坡坡比确定，上、下游坡比最终根据稳定和应力要求确定。
1.2 稳定应力计算
对坝顶宽度、上游坡比、下游坡比进行敏感性分析，根据混凝土重力坝稳定要求及应力计算结果确定体型，其中动力荷载采用拟静力法计算。下游坡比1∶0.3~1∶0.9，上、下游坡比之和为1∶0.9，计算模型见图2。混凝土重力坝坝踵、坝趾应力随上游坡比的变化曲线见图3（本文应力压为正，拉为负），坝基抗滑稳定安全系数随上游坡比的变化曲线见图4。
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图 2 复式结构混凝土重力坝体型（单位：m）Figure 2. Complex structure concrete gravity dam type （unit: m）![]()
图 3 坝踵、坝趾应力随上游坡比的变化Figure 3. Change curve of dam heel and toe stress with upstream slope ratio![]()
图 4 坝基抗滑安全系数随上游坡比的变化Figure 4. Curve of the sliding safety coefficient of the dam foundation with upstream slope ratio随着上游坡比的增大，坝踵应力先减小后增大，当坡比在1∶0.3~1∶0.4时达到最小，而坝趾应力随上游坡比的增大而减小。随着上游坡比的增大，坝基抗滑稳定安全系数在施工期呈上升趋势，其他工况安全系数均随上游坝坡坡比的增加而减小。综合考虑坝基抗滑稳定安全系数和坝踵、坝趾应力条件，当上游坡比在1∶0.4~1∶0.6时，坝基抗滑安全系数较小且正应力增大，为了简化计算，初步不再考虑1∶0.4~1∶0.6的坡比。
2. 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构体型参数研究
计算所需的坝料静动力模型参数通过室内大型三轴试验确定，接触面模型参数结合工程经验确定。静力计算时，筑坝材料采用Duncan E-B非线性本构模型，主要参数见表1，表中ρ为密度，φ为强度指标，k为初始弹性模量基数，n为弹性模量指数，Rf为破坏比，kur为卸荷弹性模量，kb为弹性模量，m为体积模量数。面板、趾板的混凝土材料密度为2.40 g/cm3，E=30 GPa，μ=0.167。采用规范[11]反应谱计算地震作用效应，计算时同时计入水平顺河向、横河向及竖向地震作用，坝体动力模型采用黏弹性模型，其主要参数见表2， k1、k2、n为动剪模量常数，ν为泊松比，λ为最大阻尼比，C1~C5为残余应变模型参数。图5为混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构基本剖面示意。
表 1 主要材料静力计算参数Table 1. Static calculation parameters of main materials材料名称 ρ/(g·cm−3) φ0/º Δφ/º k n Rf kur kb m 垫层区 2.31 49.3 5.9 920.2 0.29 0.67 1 840 497.6 0.31 主堆石区 2.27 50.1 6.3 1 294.1 0.32 0.74 2 588 545.9 0.26 上游堆石区 2.22 53.2 9.0 1 104.4 0.22 0.65 2 209 547.3 0.08 下游堆石区 2.20 48.5 6.2 704.6 0.35 0.69 1 409 292.6 0.25 表 2 主要材料动力计算参数Table 2. Dynamic calculation parameters of main materials材料名称 n k1 k2 ν λ C1 /% C2 C3 C4 /% C5 垫层区 0.347 23.5 2 084 0.330 0.21 0.33 0.62 0 7.90 0.86 主堆石区 0.330 27.4 2 503 0.330 0.19 0.43 0.70 0 5.75 0.82 上游堆石区 0.304 25.1 2 208 0.330 0.20 0.79 0.83 0 7.38 0.96 下游堆石区 0.341 26.3 1 550 0.330 0.23 0.83 0.90 0 8.99 0.97 面板、趾板 0 0 85 900 0.167 5.00 0 0 0 0 0 2.1 混凝土重力坝高度研究
坝踵处混凝土重力坝的坝顶宽度取10 m，坝体上下游坝坡分别为1∶0.2和1∶0.7，对比分析混凝土重力坝采用40、80和120 m共3个坝高对混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构应力变形的影响。研究结果表明：混凝土重力坝的位移及基底应力均满足相应规范[11]要求（表3），随着混凝土重力坝坝体高度的增加，混凝土坝位移及主压应力增大；堆石体沉降和堆石体向上游位移逐渐减小（表4，本文顺河向位移正值指向下游，竖向位移正值向下），堆石体向下游位移变化不大、静动力情况下面板挠度有所减小。这说明提高混凝土坝高度有助于改善面板变形。另外，混凝土坝坝高的变化对周边缝变位的影响较小，周边缝变位随坝高增高而减小，混凝土重力坝坝高40 m时周边缝张开1.63 cm，沉陷1.42 cm；坝高80和120 m时，周边缝张开和沉陷量均小于此值，符合设计要求。
表 3 不同混凝土坝坝高的混凝土坝体位移及应力Table 3. Concrete dam body displacement and stress results of different concrete dam heights
坝高/m竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 40 3.4 0.6 3.56/0.19 3.16/1.14 4.1 3.3 4.79/0.32 4.16/0.52 4.2 4.0 5.40/0.04 4.51/0.17 80 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58 120 5.2 0.8 6.12/0.31 4.15/2.73 6.1 5.1 5.66/0.54 5.45/2.13 6.1 8.0 6.40/0.17 5.85/1.01 表 4 不同混凝土坝坝高的堆石体位移Table 4. Comparison table of rockfill displacement results with different concrete dam heights坝高/
m竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 40 101 10.6 49.4 107.5 48.24 4.2 55.5 53.6 89.12 0.4 30.4 80 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 120 98.3 9.7 49.8 104.6 41.73 6.4 54.5 49.7 80.87 0.3 29.3 2.2 混凝土重力坝上、下游坡比研究
2.2.1 上游坡比
混凝土坝高度均取80 m，下游坡比均按1∶0.7，上游坡比选择1∶0.1、1∶0.2、1∶0.3分别进行分析。研究表明：随着河床混凝土坝上游坡比的变缓，在静动力工况下堆石体的位移、沉降、面板挠度基本不变（表5）；3个混凝土坝不同坡比方案坝体位移及基底应力均能满足规范[11]要求（表6）。随着混凝土坝上游坝坡的变缓，垂直水压力增加而水平水压力一直不变，且下游坝坡并未改变。混凝土坝上游坝坡变缓后，混凝土坝体积增加，其变位不断减小，坝体主应力值随着上游坡比的变缓而减小，减小幅度约10%，变幅较小，故上下游综合坡比之和1∶0.9情况下，混凝土坝坝体的应力不作为上游坡比选择的控制标准；上游坡比变缓，周边缝的张开有所减小，而沉陷稍有增大，且上游坡比变缓到一定程度后对周边缝的影响程度将变小（表7）。
表 5 不同混凝土坝上游坡比下的堆石体位移Table 5. Displacement results of rockfill body under different concrete dam upstream slope ratios上游
坡比竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河向位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 1∶0.1 99.2 10.3 49.7 105.3 44.69 5.8 55.0 51.5 84.60 0.2 29.7 1∶0.2 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 1∶0.3 99.2 10.3 49.6 105.4 44.61 6.0 54.9 52.2 84.96 0.3 30.4 表 6 不同混凝土坝上游坡比下的混凝土坝体位移及应力Table 6. Displacement and stress results of concrete dam with different upstream slope ratios上游坡比 竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 1∶0.1 4.0 0.9 6.23/0.23 3.78/2.68 5.1 5.8 5.94/0.42 5.26/1.08 5.2 7.0 6.82/−0.04 5.56/0.40 1∶0.2 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58 1∶0.3 4.2 0.6 4.22/0.23 3.73/2.59 5.3 5.1 5.43/0.34 5.34/1.1 5.3 5.9 6.47/0.13 5.55/0.71 表 7 不同混凝土坝上游坡比下的周边缝位移Table 7. Displacement of perimetric joints under different concrete dam upstream slope ratios上游坡比 蓄水期-静力/mm 蓄水期-动力/mm 张开 沉陷 张开 沉陷 1∶0.1 1.87 0.84 2.02 0.87 1∶0.2 1.27 1.28 1.41 1.37 1∶0.3 1.03 1.59 1.16 1.77 2.2.2 混凝土重力坝下游坡比
混凝土坝高度均按80 m，上游坡比均按1∶0.2，下游坡比选择1∶0.6、1∶0.7和1∶0.8分别进行分析。研究表明：随着下游坡比的变缓，在静动力工况下堆石体的位移、沉降、面板挠度基本不变（表8）；3个混凝土坝不同下游坡比方案混凝土坝位移及基底应力均能满足规范[11]要求（表9），混凝土坝向下游的位移随着下游坝坡的变缓而逐步减小，但减小幅度较小，坝体主应力变化也很小，混凝土坝的变形应力可不作为混凝土坝下游坡比选择的控制标准；高趾墙下游坡比的变化对周边缝变位的影响较小（表10），下游坡比变缓，周边缝的张开有所减小，但沉陷稍有增加，当下游坡比变缓到一定程度后对周边缝的影响程度将变小。
表 8 不同混凝土坝下游坡比下的堆石体位移Table 8. Displacement results of rockfill bodies under different downstream slope ratios of concrete dam下游
坡比竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河向位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 1∶0.6 99.2 10.6 49.6 105.4 44.62 6.2 54.8 51.6 84.29 0.3 29.7 1∶0.7 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 1∶0.8 99.2 10.1 49.7 105.3 46.62 5.6 54.9 52.7 84.49 0.3 30.2 表 9 不同混凝土坝下游坡比下的混凝土坝体位移及应力Table 9. Displacement and stress results of concrete dam under different downstream slope ratios下游坡比 竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/m 主压/拉应力极值/MPa 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 1∶0.6 4.3 0.8 4.98/0.23 3.66/2.68 5.1 5.8 5.94/0.29 6.0/0.89 5.2 7.0 6.82/−0.08 6.3/0.3 1∶0.7 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.2/0.06 5.57/0.58 1∶0.8 4.0 0.6 4.97/0.23 3.46/2.59 5.3 5.1 5.43/0.45 5.2/1.20 5.4 6.0 6.47/0.15 5.39/0.71 表 10 不同混凝土坝下游坡比下的周边缝位移Table 10. Displacement of perimetric joints under different downstream slope ratios of concrete dam下游坡比 蓄水期-静力/mm 蓄水期-动力/mm 张开 沉陷 张开 沉陷 1∶0.6 1.59 0.86 1.74 0.81 1∶0.7 1.27 1.28 1.41 1.37 1∶0.8 1.01 1.51 1.08 1.79 上述分析表明，放缓混凝土坝上、下游坡比对堆石体、高趾墙、面板及周边缝的变形和受力的影响都是正面的，尤其是对周边缝的张开影响更为有利，但当下游坡比变缓到一定程度后对周边缝的影响将消弱。
2.3 趾板在混凝土重力坝顶部布置位置比较
对于混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构，趾板虽然放置在重力坝顶部且与重力坝合并布置，但也存在趾板下游边缘在坝顶位置问题，本研究中趾板下游边缘初拟了两个布置方案：方案a是满足趾板施工7 m宽度的要求，趾板下游边缘位于混凝土重力坝坝顶距坝顶下游边缘3 m的位置，称为“上游趾板”；方案b是趾板下游边缘与混凝土重力坝顶部下游边缘重合，称为“下游趾板”。
研究表明：采用上游趾板或下游趾板时，混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构的各项指标均能满足规范[11]要求（表11、表12）；趾板位置对堆石坝坝体应力、变形、面板挠度几乎没有影响（表11），从上游趾板改变为下游趾板时，周边缝沉陷和张开均有较大幅度的增加；上游趾板改变为下游趾板时（表12），混凝土重力坝体沉降不变而顺河向变位增加，坝体应力除垂直拉应力增加外，水平应力及垂直压应力均呈减小趋势。可见，采用上游趾板的周边缝变位较下游趾板的周边缝变位有更高的安全裕度，且相差较大，这能有效保证复式结构防渗体系的运行安全性，故选择上游趾板。
表 11 不同趾板位置堆石坝位移及应力Table 11. Rockfill dam displacement and stress results at different toe plates方案 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa周边缝/mm 向上游 向下游 向上游 向下游 张开 沉陷 方案a 99.2 3.18 10.3 49.6 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28 方案b 99.1 3.19 10.4 49.6 2.77 105.2 44.68 5.9 54.9 4.02 3.78 2.01 表 12 不同趾板位置混凝土坝坝体位移及应力Table 12. Displacement and stress results of concrete dam at different toe plates方案 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm顺河向位移/
cm应力/MPa 沉降/
cm顺河向位移/
cm应力/MPa 水平 垂直 水平 垂直 方案a 4.10 0.70 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 方案b 4.09 0.73 4.47/0.29 3.26/2.71 5.17 5.8 4.83/0.47 5.01/1.22 注：“/”前为最大值，后为最小值。 3. 与常规面板堆石坝体型对比
综合本文上述各项分析结果，优选出依托工程复式结构中混凝土重力坝的体型（图6）为：坝高80 m、坝顶宽度10 m、坡比组合为上游坝坡1∶0.2、下游坝坡1∶0.7、坝顶趾板下游边缘距混凝土顶部下游边缘距离为3 m。对选定的混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构与常规面板堆石坝（不设混凝土重力坝）进行比较计算，以分析研究两种坝型的优劣，对比计算结果见表13。
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图 6 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构Figure 6. Compound water-retaining structure of concrete gravity dam-face rockfill dam表 13 复式结构与常规结构的堆石坝位移及应力对比Table 13. Comparison of rockfill dam displacement and stress with compound structure and conventional structure坝型 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa周边缝/mm 向上游 向下游 向上游 向下游 张开 沉陷 常规 99.6 3.75 12.01 50.28 2.93 105.88 49.26 8.81 55.59 4.31 1.75 0.78 复式 99.2 3.18 10.30 49.60 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28 增减幅度/% −0.40 −17.92 −16.60 −1.37 −5.40 −0.55 −10.28 −49.32 −1.25 −6.95 −37.80 39.06 复式结构堆石体的应力变形均小于常规面板坝堆石体的应力变形，特别是蓄水期向上游的水平变位，由于复式结构面板堆石坝中混凝土重力坝的作用，减小幅度近50%。堆石体的应力也呈减小趋势，最大减幅达5.40%。复式结构面板挠度小于常规面板坝面板的挠度，蓄水期减幅达10.28%。复式结构周边缝沉陷好于常规面板坝，周边缝张开要差于常规面板坝，但变位均远小于目前国内研究且已实施的适应周边缝最大变位的止水形式（张开6 cm，沉陷10 cm）。
4. 结 语
针对特高面板堆石坝面板挠曲变形大、底部面板不能检修等突出问题，提出了一种适用于特高面板堆石坝的新型坝体结构型式，即混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构。复式结构和常规面板坝的数值计算结果的比较表明，复式结构除周边缝张开变位及施工期面板应力大于常规面板坝外，其他指标均占据优势，且周边缝张开变位完全在相应规范及止水结构允许的变形范围内，并具有较高的安全裕度。从可维修性方面，复式结构在坝体最下部，采用大体积混凝土替代了混凝土面板及趾板的作用，不仅提高了该部位挡水结构的安全性，而且在复式结构的混凝土坝体内部可设置检修廊道，使得面板堆石坝的坝踵及趾板亦具备可检修特性，实现了复式结构防渗系统在不放空水库的情况下全部可检查、可维修，这是常规面板坝无法实现的。该新型结构一定程度上解决了面板堆石坝目前遇到的瓶颈问题，已在依托工程中得到应用，具有较高的推广价值。
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图 2 复式结构混凝土重力坝体型（单位：m）
Figure 2. Complex structure concrete gravity dam type （unit: m）
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图 3 坝踵、坝趾应力随上游坡比的变化
Figure 3. Change curve of dam heel and toe stress with upstream slope ratio
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图 4 坝基抗滑安全系数随上游坡比的变化
Figure 4. Curve of the sliding safety coefficient of the dam foundation with upstream slope ratio
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图 6 混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构
Figure 6. Compound water-retaining structure of concrete gravity dam-face rockfill dam
表 1 主要材料静力计算参数
Table 1 Static calculation parameters of main materials
材料名称 ρ/(g·cm−3) φ0/º Δφ/º k n Rf kur kb m 垫层区 2.31 49.3 5.9 920.2 0.29 0.67 1 840 497.6 0.31 主堆石区 2.27 50.1 6.3 1 294.1 0.32 0.74 2 588 545.9 0.26 上游堆石区 2.22 53.2 9.0 1 104.4 0.22 0.65 2 209 547.3 0.08 下游堆石区 2.20 48.5 6.2 704.6 0.35 0.69 1 409 292.6 0.25 
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表 2 主要材料动力计算参数
Table 2 Dynamic calculation parameters of main materials
材料名称 n k1 k2 ν λ C1 /% C2 C3 C4 /% C5 垫层区 0.347 23.5 2 084 0.330 0.21 0.33 0.62 0 7.90 0.86 主堆石区 0.330 27.4 2 503 0.330 0.19 0.43 0.70 0 5.75 0.82 上游堆石区 0.304 25.1 2 208 0.330 0.20 0.79 0.83 0 7.38 0.96 下游堆石区 0.341 26.3 1 550 0.330 0.23 0.83 0.90 0 8.99 0.97 面板、趾板 0 0 85 900 0.167 5.00 0 0 0 0 0
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表 3 不同混凝土坝坝高的混凝土坝体位移及应力
Table 3 Concrete dam body displacement and stress results of different concrete dam heights
坝高/m竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa最大位移
/cm主压/拉应力极值
/MPa竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 40 3.4 0.6 3.56/0.19 3.16/1.14 4.1 3.3 4.79/0.32 4.16/0.52 4.2 4.0 5.40/0.04 4.51/0.17 80 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58 120 5.2 0.8 6.12/0.31 4.15/2.73 6.1 5.1 5.66/0.54 5.45/2.13 6.1 8.0 6.40/0.17 5.85/1.01
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表 4 不同混凝土坝坝高的堆石体位移
Table 4 Comparison table of rockfill displacement results with different concrete dam heights
坝高/
m竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 40 101 10.6 49.4 107.5 48.24 4.2 55.5 53.6 89.12 0.4 30.4 80 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 120 98.3 9.7 49.8 104.6 41.73 6.4 54.5 49.7 80.87 0.3 29.3
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表 5 不同混凝土坝上游坡比下的堆石体位移
Table 5 Displacement results of rockfill body under different concrete dam upstream slope ratios
上游
坡比竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河向位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 1∶0.1 99.2 10.3 49.7 105.3 44.69 5.8 55.0 51.5 84.60 0.2 29.7 1∶0.2 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 1∶0.3 99.2 10.3 49.6 105.4 44.61 6.0 54.9 52.2 84.96 0.3 30.4
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表 6 不同混凝土坝上游坡比下的混凝土坝体位移及应力
Table 6 Displacement and stress results of concrete dam with different upstream slope ratios
上游坡比 竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 1∶0.1 4.0 0.9 6.23/0.23 3.78/2.68 5.1 5.8 5.94/0.42 5.26/1.08 5.2 7.0 6.82/−0.04 5.56/0.40 1∶0.2 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.20/0.06 5.57/0.58 1∶0.3 4.2 0.6 4.22/0.23 3.73/2.59 5.3 5.1 5.43/0.34 5.34/1.1 5.3 5.9 6.47/0.13 5.55/0.71
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表 7 不同混凝土坝上游坡比下的周边缝位移
Table 7 Displacement of perimetric joints under different concrete dam upstream slope ratios
上游坡比 蓄水期-静力/mm 蓄水期-动力/mm 张开 沉陷 张开 沉陷 1∶0.1 1.87 0.84 2.02 0.87 1∶0.2 1.27 1.28 1.41 1.37 1∶0.3 1.03 1.59 1.16 1.77
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表 8 不同混凝土坝下游坡比下的堆石体位移
Table 8 Displacement results of rockfill bodies under different downstream slope ratios of concrete dam
下游
坡比竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 沉降/
cm顺河向位移/cm 沉降/
cm面板挠度/
cm顺河向位移/cm 残余变形-
沉降/cm面板挠度/
cm残余变形-顺河向位移/cm 向上游 向下游 向上游 向下游 向上游 向下游 1∶0.6 99.2 10.6 49.6 105.4 44.62 6.2 54.8 51.6 84.29 0.3 29.7 1∶0.7 99.2 10.3 49.6 105.3 44.67 5.9 54.9 51.8 84.66 0.2 30.0 1∶0.8 99.2 10.1 49.7 105.3 46.62 5.6 54.9 52.7 84.49 0.3 30.2
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表 9 不同混凝土坝下游坡比下的混凝土坝体位移及应力
Table 9 Displacement and stress results of concrete dam under different downstream slope ratios
下游坡比 竣工期 蓄水期-静力 蓄水期-动力 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/cm 主压/拉应力极值/MPa 最大位移/m 主压/拉应力极值/MPa 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 竖向 顺河向 坝体 建基面 1∶0.6 4.3 0.8 4.98/0.23 3.66/2.68 5.1 5.8 5.94/0.29 6.0/0.89 5.2 7.0 6.82/−0.08 6.3/0.3 1∶0.7 4.1 0.7 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 5.3 6.2 6.2/0.06 5.57/0.58 1∶0.8 4.0 0.6 4.97/0.23 3.46/2.59 5.3 5.1 5.43/0.45 5.2/1.20 5.4 6.0 6.47/0.15 5.39/0.71
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表 10 不同混凝土坝下游坡比下的周边缝位移
Table 10 Displacement of perimetric joints under different downstream slope ratios of concrete dam
下游坡比 蓄水期-静力/mm 蓄水期-动力/mm 张开 沉陷 张开 沉陷 1∶0.6 1.59 0.86 1.74 0.81 1∶0.7 1.27 1.28 1.41 1.37 1∶0.8 1.01 1.51 1.08 1.79
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表 11 不同趾板位置堆石坝位移及应力
Table 11 Rockfill dam displacement and stress results at different toe plates
方案 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa周边缝/mm 向上游 向下游 向上游 向下游 张开 沉陷 方案a 99.2 3.18 10.3 49.6 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28 方案b 99.1 3.19 10.4 49.6 2.77 105.2 44.68 5.9 54.9 4.02 3.78 2.01
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表 12 不同趾板位置混凝土坝坝体位移及应力
Table 12 Displacement and stress results of concrete dam at different toe plates
方案 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm顺河向位移/
cm应力/MPa 沉降/
cm顺河向位移/
cm应力/MPa 水平 垂直 水平 垂直 方案a 4.10 0.70 4.97/0.23 3.76/2.65 5.2 5.4 5.27/0.38 5.30/1.10 方案b 4.09 0.73 4.47/0.29 3.26/2.71 5.17 5.8 4.83/0.47 5.01/1.22 注：“/”前为最大值，后为最小值。
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表 13 复式结构与常规结构的堆石坝位移及应力对比
Table 13 Comparison of rockfill dam displacement and stress with compound structure and conventional structure
坝型 竣工期 蓄水期-静力 沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa沉降/
cm挠度/
cm顺河向位移/cm 主应力/
MPa周边缝/mm 向上游 向下游 向上游 向下游 张开 沉陷 常规 99.6 3.75 12.01 50.28 2.93 105.88 49.26 8.81 55.59 4.31 1.75 0.78 复式 99.2 3.18 10.30 49.60 2.78 105.3 44.67 5.9 54.9 4.03 1.27 1.28 增减幅度/% −0.40 −17.92 −16.60 −1.37 −5.40 −0.55 −10.28 −49.32 −1.25 −6.95 −37.80 39.06
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