新疆下坂地水利樞紐工程中壩基和砂礫石的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

新疆下坂地水利樞紐工程中壩基和砂礫石的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

1重點(diǎn)山區(qū)水庫(kù)工程新疆下灘水庫(kù)工程是塔里木河流域最近綜合處理中唯一的大型山區(qū)水庫(kù)工程。這是一個(gè)集水區(qū)、生態(tài)補(bǔ)充水和春季干旱于一體的綜合水庫(kù)工程。工程地處喀什地區(qū)塔什庫(kù)爾干塔吉克自治縣境內(nèi),距喀什市315km。水庫(kù)總庫(kù)容8.67億m2設(shè)計(jì)與分析2.1大壩上下坡面設(shè)計(jì)大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,下接85m深防滲墻,深層采用帷幕灌漿,帷幕最低高程2741m。壩高78m,壩頂高程2966m,心墻最大厚度1.2m,頂部厚度0.6m,大壩上游坡比1︰2.35,下游坡比1︰2.15。為了提高壩坡和壩基的穩(wěn)定性,同時(shí)提高壩基砂層的上覆壓重,在上下游壩趾置鎮(zhèn)壓層,其頂部高程為2910m,上游鎮(zhèn)壓層長(zhǎng)為40m,下游鎮(zhèn)壓層長(zhǎng)為60m,鎮(zhèn)壓層采用開挖石渣料填筑。2.2穩(wěn)定計(jì)算2.2.1指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析瀝青混凝土心墻采用西安理工大學(xué)試驗(yàn)指標(biāo),其余材料(砂礫石壩殼料、壩基砂礫石及壩基砂土等)指標(biāo)結(jié)合地勘資料(水利部陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)隊(duì))和試驗(yàn)單位(水利部西北水利科學(xué)研究所)統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)參考工程類比確定。需要說(shuō)明的是強(qiáng)度指標(biāo)采用三軸剪切試驗(yàn),試驗(yàn)的應(yīng)力圓直徑和圓心均用小值平均值,然后依據(jù)摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則得出試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度指標(biāo)采用低壓(σ2.2.2性試驗(yàn)方法為了獲得壩基和筑壩材料的動(dòng)力特性參數(shù),提供動(dòng)力分析計(jì)算參數(shù),中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)壩殼料和壩基砂礫石的動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。動(dòng)力特性試驗(yàn)在100t大型動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣直徑為300mm,高為750mm。試驗(yàn)結(jié)果表明,動(dòng)力殘余體應(yīng)變和動(dòng)力殘余軸應(yīng)變與初始應(yīng)力條件(土的類型、密度、固結(jié)應(yīng)力條件)和往返加荷條件有關(guān),在一定的初始應(yīng)力條件和動(dòng)剪應(yīng)力作用下,動(dòng)力殘余體應(yīng)變和動(dòng)力殘余軸應(yīng)變都隨振次的增大而增大,其增長(zhǎng)速率隨振次的增大而減小。初始應(yīng)力條件一定時(shí),作用在試樣上的動(dòng)剪應(yīng)力越大,所引起的殘余體應(yīng)變和殘余軸應(yīng)變就越大。2.2.3壩體抗滑穩(wěn)定最小制作在對(duì)材料指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析后,采用擬靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算,地震除考慮水平向地震作用外,同時(shí)考慮了豎向地震作用。計(jì)算程序是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳祖煜編寫的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB》,圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定按簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)還采用瑞典圓弧法進(jìn)行復(fù)核,非圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定按摩根斯頓—普賴斯法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知,壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求,壩體屬于淺層滑動(dòng)。由于基礎(chǔ)砂層取樣代表性和周圍邊界因素的影響,基礎(chǔ)砂層的殘余強(qiáng)度不一樣,《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB5028—99)附錄D闡述了“對(duì)砂性土地基內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值可采用內(nèi)摩擦角試驗(yàn)值的85%～90%,不計(jì)凝聚力值?！币虼?對(duì)壩基砂層內(nèi)摩擦角Υ按不同折減系數(shù)取值分析對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響,折減系數(shù)分別按0.85,0.9,0.95,1.0取值,對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角Υ為26°、28°、30°、31°,由此可得對(duì)應(yīng)的壩基抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù),見表1(計(jì)算工況:正常蓄水位2960m+9度地震上下游壩坡穩(wěn)定)。從表中可以發(fā)現(xiàn),砂層內(nèi)摩擦角Υ的取值對(duì)大壩表層滑動(dòng)沒(méi)有影響,只對(duì)深層滑動(dòng)有影響。對(duì)于深層滑動(dòng)分析,隨著折減系數(shù)的減小,安全系數(shù)隨之變小,當(dāng)采用畢肖普法時(shí)不同折減系數(shù)計(jì)算出的安全系數(shù)差值較大,當(dāng)采用瑞典圓弧法時(shí)折減系數(shù)取0.85和0.9對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)已小于1.0(下游坡),但畢肖普法和摩根斯頓—普賴斯法計(jì)算的K值均大于1.05,從敏感性對(duì)砂層內(nèi)摩擦角來(lái)分析,壩基抗滑穩(wěn)定安全也是可行的。綜合考慮各種因素,砂層內(nèi)摩擦角Υ取不同的折減系數(shù),大壩始終是安全穩(wěn)定的。2.3靜力應(yīng)力應(yīng)變分析在擬靜力法穩(wěn)定計(jì)算基礎(chǔ)上,為了多方面分析大壩的安全穩(wěn)定,研究大壩在施工期和蓄水期的壩體與防滲體應(yīng)力和變形,西安理工大學(xué)(E—μ模型)和大連理工大學(xué)(E—B模型、南水模型)做了二維和三維靜力有限元分析。2.3.1壩體防滲墻應(yīng)力通過(guò)試驗(yàn),可知:(1)壩體水平位移和垂直位移均在經(jīng)驗(yàn)的范圍內(nèi)。三維計(jì)算分析顯示,左岸壩基砂層分布較多,0+160斷面位移比較大;由于河谷的三維效應(yīng),三維計(jì)算位移值比二維計(jì)算的略小(南水模型);采用鄧肯模型三維分析所得的位移值均比南水模型大。(2)瀝青心墻在竣工期和蓄水期均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力,心墻順坡向應(yīng)力均大于上游面水壓力(沒(méi)有考慮心墻的凝聚力,偏于安全),不會(huì)發(fā)生水力劈裂,抗劈裂能力較好。(3)南水模型二維分析中,防滲墻應(yīng)力在安全的范圍內(nèi)。南水模型的三維分析中,在靠近兩岸處出現(xiàn)1.2MPa的拉應(yīng)力。鄧肯模型的三維分析中,在防滲墻底部靠近兩岸處出現(xiàn)20.2MPa的壓應(yīng)力;在防滲墻靠近兩岸處出現(xiàn)1.8MPa的拉應(yīng)力。較大的拉應(yīng)力表明:壩基砂層的存在使壩體和壩基從兩岸向砂層位置擠壓,防滲墻橫河向受到較大的摩阻力。2.3.2壩體總應(yīng)力三維有限元分析另外,做了總應(yīng)力法三維有限元分析,結(jié)論如下:(1)大壩蓄水期的沉降比竣工期有所增加,心墻向下游的水平位移增加較大。心墻有較明顯的拱作用,但沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。在大壩右岸的陡坡處,心墻中的小主應(yīng)力較小,局部應(yīng)力水平高。(2)由于壩基為深覆蓋層地基,且含有砂層,壩體的最大沉降發(fā)生在砂層上部;防滲墻上與砂層相鄰部分及防滲墻與灌漿帷幕接觸部分為高應(yīng)力區(qū)。(3)混凝土防滲墻內(nèi)大小主應(yīng)力的最大值位于混凝土防滲墻與砂層及與灌漿帷幕接觸的部位?；炷练罎B墻彈性模量小于1000MPa時(shí),混凝土防滲墻彈性模量變化對(duì)防滲墻應(yīng)力影響的敏感性大,而大于1000MPa時(shí)影響的敏感性小。(4)混凝土防滲墻的最大豎向位移位于混凝土防滲墻頂部。增大混凝土防滲墻的彈性模量,可以減少防滲墻上產(chǎn)生的位移。混凝土防滲墻彈性模量大于1000MPa時(shí),混凝土防滲墻彈性模量變化對(duì)防滲墻豎向位移影響的敏感性小,而小于1000MPa時(shí)影科研與管理響的敏感性大。2.4動(dòng)態(tài)電壓損失分析2.4.1工程特點(diǎn)及評(píng)價(jià)針對(duì)下坂地大壩工程的高強(qiáng)震、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細(xì)砂層的工程特點(diǎn),在壩料靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)和二維三維靜力分析的基礎(chǔ)上,中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)壩體和覆蓋層地基進(jìn)行了給定地震(8度設(shè)計(jì)地震和9度復(fù)核地震)情況下的地震反應(yīng)分析和評(píng)價(jià)。2.4.2心墻和心墻應(yīng)力(1)根據(jù)三維非線性動(dòng)力計(jì)算結(jié)果,8度地震作用下,壩體加速度反應(yīng)在順河向最為強(qiáng)烈,順河向加速度反應(yīng)在河床中部最大。壩體順河向最大加速度4.94m/s(2)根據(jù)振動(dòng)孔壓計(jì)算結(jié)果,在8度地震作用下,振動(dòng)孔壓最大值158.3kPa,最大孔壓比0.348,砂層中的最大孔壓比均小于0.5,不會(huì)發(fā)生液化。(3)在8度地震作用下,瀝青混凝土心墻中的最大動(dòng)剪應(yīng)力為221kPa,按照瀝青混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)Υ=26.1°,c=320kPa,不會(huì)發(fā)生動(dòng)力剪切破壞。(4)在8度地震作用下,防滲墻豎向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為1.34MPa和1.17MPa;防滲墻順河向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為0.92MPa和0.80MPa;防滲墻壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為1.55MPa和1.27MPa?？梢?在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動(dòng)拉應(yīng)力,壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力在岸坡處比較大。靜動(dòng)力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。(5)在8度地震作用下,地震過(guò)程中按動(dòng)力時(shí)程線法算得大壩上下游壩坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線最小值分別為1.20和1.13;按動(dòng)力等效值法算得的最小安全系數(shù)分別為1.32和1.26。可見,上下游壩坡是穩(wěn)定的。2.4.3震作用下壩體應(yīng)力分析(1)根據(jù)三維非線性動(dòng)力計(jì)算結(jié)果,9度地震作用下,壩體加速度反應(yīng)在順河向最為強(qiáng)烈,順河向加速度反應(yīng)在河床中部最大。壩體順河向最大加速度5.94m/s(2)根據(jù)振動(dòng)孔壓計(jì)算結(jié)果,在9度地震作用下,振動(dòng)孔壓最大值201.2kPa,最大孔壓比0.442,砂層中的最大孔壓比均小于0.5,不會(huì)發(fā)生液化。(3)在9度地震作用下,瀝青混凝土心墻中的最大動(dòng)剪應(yīng)力為273kPa,按照瀝青混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)Υ=26.1°,c=320kPa,不會(huì)發(fā)生動(dòng)力剪切破壞。(4)在9度地震作用下,防滲墻豎向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為1.72MPa和1.44MPa;防滲墻順河向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為1.18MPa和1.04MPa;防滲墻壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力分別為1.88MPa和1.59MPa。在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動(dòng)拉應(yīng)力,壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力在岸坡處比較大。靜動(dòng)力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。(5)在9度地震作用下,地震過(guò)程中按動(dòng)力時(shí)程線法算得大壩上下游壩坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線最小值分別為1.09和1.04;按動(dòng)力等效值法算得的最小安全系數(shù)分別為1.22和1.18?？梢?上下游壩坡基本上是穩(wěn)定的,但安全富裕度不大。綜上可見:(1)從大壩的動(dòng)力計(jì)算分析結(jié)果看,在地震作用下,壩體邊坡穩(wěn)定,滿足規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù),該壩的設(shè)計(jì)基本上是合理的。(2)覆蓋層地基砂層中出現(xiàn)了單元抗震安全系數(shù)小于1的區(qū)域,主要分布在上下游坡腳下的砂層上部,其厚度約3～7m,這說(shuō)明砂層雖然不會(huì)液化,但可能發(fā)生局部動(dòng)力剪切破壞。根據(jù)計(jì)算分析,通過(guò)動(dòng)力剪切破壞砂層的可能滑動(dòng)面的安全系數(shù)比壩坡淺層滑動(dòng)面的安全系數(shù)大,即通過(guò)動(dòng)力剪切破壞砂層的可能滑動(dòng)面并非是控制壩體穩(wěn)定安全的滑動(dòng)面;加上現(xiàn)有設(shè)計(jì)斷面的上下游壩腳處均設(shè)有石渣蓋重,因此,可以不對(duì)這部分區(qū)域的砂層再另外進(jìn)行專門處理。(3)在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動(dòng)拉應(yīng)力,壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力在岸坡處也比較大;靜動(dòng)力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力值較大。通過(guò)擬靜力法穩(wěn)定計(jì)算、砂層風(fēng)險(xiǎn)性分析、三維靜力計(jì)算、三維動(dòng)力計(jì)算,并參考類似工程實(shí)踐,