河谷地形對面板防滲體系的影響

河谷地形對面板防滲體系的影響

中國經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展，帶來了水電建設的高潮，特別是西部發(fā)展進程的加快。需要在河流、河流、河流、湖泊、河流上游和雅魯藏布江等大江和大河上修建具有一定調(diào)節(jié)能力的水庫。這些水庫的防洪水庫是大型水庫，水庫的高度超過200米，超過300米。我國的壩工建設正在向300m級的拱壩、250m級的面板堆石壩和200m級的碾壓混凝土重力壩發(fā)展。混凝土面板堆石壩因其經(jīng)濟性、便于施工、工期短、良好的抗震性,已成為超高壩的首選壩型之一?；炷撩姘宥咽瘔卧谖覈?jīng)歷了20年的飛速發(fā)展,我國在數(shù)量、壩高、規(guī)模、難度等方面都居于世界前列,積累了豐富的實踐經(jīng)驗和工程技術。目前,已建的面板堆石壩大多建于較寬闊的河谷,而在狹窄河谷地區(qū)或者復雜地形條件下修建面板堆石壩的實踐較少,還存在一些特殊的變形問題。1復雜地形下的堆垛石壩運營現(xiàn)狀1.1混凝土面板沉降的檢測巴西的辛戈壩高150m,建于1994年。在左壩肩,施工期間觀測到上游墊層料中發(fā)生垂直裂縫,大致與趾板平行,高程在103~207m之間,位置與該處的基坑開挖形狀非常契合,如圖1和圖2所示。另外,在運行期的水下調(diào)查發(fā)現(xiàn),在左壩肩的一些混凝土面板中發(fā)現(xiàn)裂縫,與施工期在墊層料中出現(xiàn)的裂縫在同一區(qū)域;在與趾板連接的5號面板中發(fā)現(xiàn)一個面板角破損,并測出5號面板相對于4號面板的非均勻沉陷最大為30cm。這與趾板定線的局部突變以及造成面板高應力集中的坡度有關。1.2水下的非均勻變形2002年建成的巴西伊塔佩比壩高100m。蓄水后水下調(diào)查發(fā)現(xiàn)4個面板有裂縫,大致高于趾板5~10m并與其平行(見圖3),認為裂縫是由于地基的幾何形狀引起非均勻變形造成的。1.3右壩肩結構場滲漏哥倫比亞的格里拉斯(Golillas)面板壩,河谷狹窄且兩岸陡立,壩高127m,河谷寬高比為0.87,岸坡陡達1∶0.1~1∶0.2(見圖4),1978年6月建成,因主干隧洞未完工,直到1982年6月才開始第一次蓄水。蓄水后滲漏量很大,而且隨著庫水位升降而增減,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),在與趾板突出部位一致或方向劇變的地方,靠近趾板的混凝土發(fā)生壓碎破壞,在這些部位的正前方,混凝土面板中還見到張開裂縫。另外,在右壩肩的周邊縫中,PVC止水沿中心管局部發(fā)生剪切破壞。由于采用堅硬的砂礫料筑壩,實測堆石體的沉降較小。初次蓄水后的壩體變形實測資料表明,面板靠近兩岸陡峭壩肩的沉降量與峽谷中心的沉降量接近,壩體沿兩岸陡峭壩肩的基巖面產(chǎn)生了滑動。1.4混凝土面板裂縫羅馬尼亞里蘇(Lesu)面板堆石壩,壩高60m,1972年建成,采用分離式混凝土面板。水庫運行2年后,左岸壩肩面板與趾板間產(chǎn)生顯著位移,導致周邊縫止水破壞,漏水逐漸加大,滿庫運行4年后,右岸壩肩面板繼續(xù)產(chǎn)生了一系列裂縫(見圖5)。后經(jīng)多方論證,認為堆石體長期流變引起堆石體沿岸坡的運動是其主要原因。1.5周邊鉸接板的檢查哥倫比亞1974年建成安奇卡亞壩,壩高140m,河谷寬高比1.86?？紤]到壩址岸坡較陡,設計中采用了平行岸坡的周邊鉸接板。1974年11月放空水庫進行檢查,沒有發(fā)現(xiàn)面板有大裂縫、斷裂等缺陷。在面板止水系統(tǒng)共查到8個主要漏水點(見圖6),左岸1、2號漏水點表明鉸接板在幾何形狀突變處有明顯的移動;右岸567~623m高程之間的周邊縫都是張開的,大部分鉸接板的垂直縫也是張開的。1.6大壩填筑及其澆筑水布埡面板堆石壩高233m,壩址為V型峽谷。大壩于2003年1月底開始填筑,于2006年10月填筑至405m高程,大壩填筑基本完成。2005年1~3月澆筑第一期面板至278m高程,2006年1~3月澆筑第二期面板至340m高程(參見圖7)。2006年6月檢查發(fā)現(xiàn),右岸壩肩趾板線發(fā)生轉折處的一期R12、R13號面板底部周邊縫部位混凝土出現(xiàn)不同范圍和厚度的破碎、脫皮、起殼現(xiàn)象。2河谷地形對混凝土面板防滲體系的影響作用關于河谷地形對堆石體變形的影響,不同專家之間仍然存在相反的觀點,有專家認為地形對堆石體的變形影響顯著,但同時又有專家舉出例證,認為堆石體變形與河谷地形沒有直接關系。這種分歧的原因,主要是在于,堆石體的變形存在眾多的影響因素,例如堆石料的巖性、顆粒級配、碾壓參數(shù)、施工質(zhì)量、河谷地形等等,各種因素相互影響糾結在一起,河谷地形不再是起關鍵作用的因素,對壩體變形的影響程度難以分離和量化顯示。但是,經(jīng)過對不同地形條件的面板壩的建設實踐和運行監(jiān)測分析,因為統(tǒng)一的鋼筋混凝土材料和一致的面板結構設計理念,河谷地形對混凝土面板的防滲體系的安全性的影響作用較為明顯地顯現(xiàn)出來,具體如下幾點。(1)壩址基坑的開挖形狀,尤其是壩軸線上游部位的基坑幾何形狀,對上游墊層料的變形、乃至上覆混凝土面板的變形起著重要的影響作用?；鶐r和堆石料的變形模量相差甚大,以水布埡面板壩為例,截至2006年11月,下游壩腳處測得的基巖最大沉降變形約為1mm,壩基經(jīng)過強夯后保留的覆蓋層最大沉降變形約為97mm,壩體堆石體的最大沉降變形達2200mm左右。通過比較可以看出,堆石體和基巖的變形相差甚大,基巖的變形可以忽略。從辛戈壩和伊塔佩比壩的觀測資料可以看出,在上游基坑開挖邊坡發(fā)生突變的部位,往往會引起堆石料與基巖之間的不均勻變形,從而可能導致墊層料和面板的裂縫。這個問題已經(jīng)引起工程界的重視,并在現(xiàn)今工程的設計中采取平順過渡的基坑開挖邊線等措施,以免基坑突變的幾何形狀引起面板防滲體系的破壞。(2)河谷的寬窄程度對面板體系變形的不同影響。寬闊的河谷為堆石區(qū)和面板的較大變形創(chuàng)造了條件,因此寬闊河谷的面板撓曲變形更加明顯,引起周邊縫和垂直接縫較大的張開,但垂直沉降和錯動較小。相反,狹窄河谷存在拱效應,限制堆石體和面板沿壩軸線方向的水平位移,面板的撓曲變形較小,垂直接縫的張開度較小;但是荷載引起的壩體變形主要集中在垂直沉降上,壩肩附近經(jīng)常表現(xiàn)為與河谷中心接近的沉降量,導致面板的接縫系統(tǒng)的錯動變形明顯。這些作用在格里拉斯壩和安奇卡亞壩表現(xiàn)得較為明顯。(3)在岸坡發(fā)生轉折處,面板及接縫系統(tǒng)往往最為薄弱和可能出現(xiàn)缺陷。主要有兩種情況,一是面板發(fā)生起殼,脫皮等被壓碎的狀況,這通常發(fā)生在上緩下陡的地形:反之,在上陡下緩的地形情況下,在轉角處的上部易發(fā)生周邊縫和垂直接縫系統(tǒng)的張開。3岸壁摩擦接觸模擬分析3.1接觸條件的確定關于基坑開挖形狀對面板的影響,工程界已經(jīng)達成共識,并采取了相應的對策,不再贅述。針對河谷岸坡的地形對面板體系的影響,下面將采用一種摩擦接觸的方法加以分析論證。在通常的土石壩數(shù)值分析中,將堆石體與岸坡的接觸視為固結,即岸坡邊緣的堆石體結點是固定的。從堆石壩的工程實踐來看,堆石體與壩肩岸坡之間實際是一種摩擦接觸關系,這種接觸的特點主要反映在兩方面,首先相對于堆石,岸坡巖體可以看作剛性介質(zhì),無需研究其變形;另外,河谷岸坡一般都是正坡(工程中對局部反坡將作專門處理),因此堆石體產(chǎn)生沿岸坡的剪切滑移或錯動一般都是壓剪狀態(tài)。此時即使存在剪切錯動薄層,也不會對尺度較大的實體堆石單元的剛度產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)以上分析,采用可以沿接觸界面滑動的支座來模擬堆石與岸坡的接觸,即假定與岸坡接觸的堆石單元結點在岸坡的法線方向固定,而在沿岸坡的切線方向可以滑移。此外,接觸面采用剛塑性模型,當剪應力τ≤τf(剪切破壞強度)時,結點固定,而τ>τf時,結點在切線方向可以滑移。根據(jù)上述模型,則壩體堆石與壩肩岸坡的摩擦接觸狀態(tài)的判別標準為:當FT≤N·tanψ時,結點處于固定狀態(tài);當FT>N·tanψ時,結點處于滑移狀態(tài),且受到超值切向荷載(FT-N·tanψ)的作用。其中:ψ為岸坡與堆石的接觸摩擦角;FT為堆石沿岸坡斜面的切向分力;N為垂直于岸坡斜面的法向分力。隨著時間的推移,岸坡與堆石體的接觸摩擦強度可能發(fā)生衰減,堆石體與壩肩的摩擦接觸狀態(tài)也會隨著改變,最終達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。因此在岸坡摩擦接觸分析中,建立了岸坡與堆石體之間的接觸摩擦角ψ的衰減模式。堆石與岸坡之間的接觸摩擦角ψ隨時間的變化關系,選用指數(shù)型衰減曲線:ψ=ψf+(ψ0-ψf)e-ct(1)ψ=ψf+(ψ0?ψf)e?ct(1)其中:ψ0為初始接觸摩擦角;ψf為強度衰減后的最終接觸摩擦角;c為衰減參數(shù)。在有限元計算分析中,考慮大壩填筑至水庫蓄水過程中每一荷載增量的持續(xù)時間很短,壩肩與堆石體間的接觸摩擦強度不發(fā)生衰減,保持初始摩擦角ψ0,堆石體在荷載增量的作用下產(chǎn)生瞬時變形,并且堆石與壩肩的接觸在ψ0下迭代至穩(wěn)定狀態(tài);在蓄水以后,隨著時間的推移,堆石與壩肩之間的接觸摩擦角發(fā)生衰減至ψf,堆石體在此過程可能發(fā)生滑移并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。在堆石壩的變形有限元數(shù)值分析中,以整體坐標系oxyz建立平衡方程求解。由于采用接觸模型模擬堆石與壩肩的接觸,須要沿岸坡斜面進行摩擦接觸條件的判別,因此涉及到由沿岸坡斜面的局部坐標系向整體坐標系轉換的問題。設整體坐標系為oxyz,其中x軸為壩軸線方向,y軸為指向下游方向,z軸為豎直方向。局部坐標系為ox’y’z’,x’為沿岸坡斜面方向,y’為指向下游方向,z’為岸坡斜面的法向方向。從整體坐標系到局部坐標系的轉換關系為:{x′y′z′}=L{xyz}?L=[l1m1n1l2m2n2l3m3n3](2)?????x′y′z′?????=L?????xyz??????L=???l1l2l3m1m2m3n1n2n3???(2)其中,li(i=1,2,3)為局部坐標系的各軸與x軸的方向余弦,mi(i=1,2,3)為局部坐標系的各軸與y軸的方向余弦,ni(i=1,2,3)為局部坐標系的各軸與z軸的方向余弦。以x′方向為例,岸坡處堆石單元沿岸坡斜面上的法向應力σz′和切向應力τx′z′、τy′z′的計算公式如下:{σz′τx′z′τy′z′}=[l3m3n3l1m1n1l2m2n2]?[σxτyxτzxτxyσyτzyτxzτyzσz]?{l3m3n3}(3)?????σz′τx′z′τy′z′?????=???l3l1l2m3m1m2n3n1n2???????σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz?????????l3m3n3?????(3)例如對岸坡處堆石單元m,其沿岸坡斜面的正應力為σmz′,剪應力為τmx′、τmy′,s為單元與岸坡的接觸面積,岸坡接觸摩擦角為ψ,當|τmx′|>|σmz′|·tanψ時,單元m產(chǎn)生切向滑動力Tmx′:Τmx′=s?τmx′|τmx′|(|τmx′|-|σmz′|?tanψ)(4)當|τmx′|≤|σmz′|·tanψ時,Tmx′=0。y′方向τmy′、Tmy′的判斷和計算遵循與x′方向相同的法則。然后,將滑動力Tmx′、Tmy′轉換到整體坐標系中:{ΤmxΤmyΤmz}=[l1l2l3m1m2m3n1n2n3]{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′0}(5)對結點作用力進行單元疊加,如結點i:Τix=∑mΤmx,i,Τiy=∑mΤmy,i,Τiz=∑mΤmz,i,m=1,2,?Ν(6)然后進行總體剛度矩陣的集成和求解,步驟同有限元法的基本原理,不再詳述。3.2堆石體壩肩滑移對不同坡度的壩肩岸坡(1∶0.6、1∶1.0、1∶1.5)與堆石壩體之間采用摩擦接觸模型,進行壩軸線縱剖面的有限元變形分析(H=150m,見圖8)。某面板壩工程堆石料的清華非線性K-G模型參數(shù)見表1,計算位移見表2。圖9、圖10為岸坡坡度為1∶0.6的壩軸線縱剖面堆石體的計算變形分布情況。在對稱的地形條件下,堆石體變形也呈對稱分布。在壩體竣工以后,隨著岸坡接觸摩擦角的衰減,堆石體沿岸坡發(fā)生一定數(shù)值的滑移。從不同坡比的計算結果比較可得,壩體的沉降與壩高成正比而與兩岸岸坡的坡度關系不大,但堆石體的水平位移隨岸坡坡度變陡而變小,顯示了壩肩的拱效應。另外,我們發(fā)現(xiàn),隨著岸坡坡度從1∶0.6逐步放緩至1∶1.0、1∶1.5,堆石體沿岸坡的滑移也逐漸增大,從11.26cm增大到20.59cm和24.03cm。從這里可以看出,窄河谷壩肩對堆石體的拱效應是不會隨著岸坡摩擦角的衰減而消散的,不論是竣工期還是最后的穩(wěn)定期,窄陡岸坡地形的堆石體變形都要小于寬緩河谷。另外,為分析岸坡轉折的地形對面板防滲體系的影響,參照里蘇壩的地形特點,擬定了150m高的具有轉折岸坡的典型堆石壩的最大縱向剖面(圖11)進行考慮岸坡摩擦接觸的平面變形分析,參數(shù)見表1。從計算結果可見,壩體竣工時沉降與水平位移的分布與通常接近(見圖12),壩體最大沉降69.58cm。當岸坡的接觸強度發(fā)生衰減(ψ從45°減到40°)時,由于堆石體沿岸坡發(fā)生滑移,壩體變形有所增加,壩體最大沉降增至84.44cm(見圖13)。從圖14可以看出,堆石體沿岸坡發(fā)生了明顯的位移增量,左岸壩肩的水平方向滑移最大為6.15cm,豎直方向滑移最大為10cm。右岸在上部的較緩岸坡上水平方向滑移最大達到78.41cm,豎直方向的滑移在岸坡轉折處達到42.86cm,引起該部位堆石體向壩坡面外凸出,影響到外覆面板,導致面板起殼脫皮。4工程措施進行改進本文通過對復雜地形條件下已建面板壩工程實際性狀的分析,認為河谷地形對面板防滲體系的不利影響主要體現(xiàn)在:基坑開挖形狀的突變往往會導致堆石體的不均勻變形,壩肩岸坡發(fā)生轉折處往往會出現(xiàn)面板的應力集中及接縫系統(tǒng)的破壞。通過模擬堆石體沿岸坡的滑移,作者認為寬闊河谷為堆石體的較大變形提供了條件,面板的撓曲變形和接縫系統(tǒng)的張開較大,狹窄河谷的拱效應限制了堆石體的水平位移,因此面板的撓曲變形和接縫系統(tǒng)的張開度較小,但是沉降和錯切變形要慎重考慮。通過對岸坡轉折地形的變形模擬分析,解釋了堆石體沿岸坡的