（水利工程专业论文）四川田湾河仁宗海水库电站软基筑坝分析与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对四川省田湾河仁宗海水库电站的软基筑坝问题进行了深入的研究，仁 宗海水库电站坝址区地质条件十分复杂，有崩积体和深厚淤泥质壤土土层。在相对 较强的崩积体土层和软弱的淤泥质壤土层两种强度和变形特性相差很大的地基上修 建5 6 米高的大坝，在国内外还没有先例。处理好极为软弱的淤泥质壤土地基，解决 两种不同地基土层的差异沉降是仁宗海水库电站工程建设面临的最大挑战。 本文主要研究了以下内容： 1 、通过淤泥质壤土、筑坝材料的物理力学特性试验研究测定泥质壤土的抗剪强 度指标、渗透系数、应力变形参数等，为基础处理的分析比较和设计施工提供决策 依据： 2 、通过原渗流及应力变形、现场碾压试验和现场筛分试验以及生产性试验论证 软基筑坝的可行性，为大坝优化设计和施工技术参数控制提供科学依据； 3 、根据试验结果以及坝基应力分布情况、工程地质情况，对淤泥质壤土地基加 固处理进行设计，提出各区振冲桩桩、排距，使用振冲设备及施工技术要求； 4 、在坝体边坡稳定分析的基础上，充分利用坝体结构特点，对坝体进行合理分 区设计，以达到对软基先期囤结，确保坝体安全，加快工程建设进度的目的。 实际工程建设证明，四川仁宗海水库电站大坝采用振冲碎石桩处理厚达1 9 ，o 米 的淤泥质壤土地基，基础处理和检测结果都表明效果很好。通过有限元固结计算、 坝坡稳定数值分析和振冲碎石桩生产性试验，确认了振冲碎石加固软基、修筑1 4 m 高的反压平台预压固结和分期施工综合应用方案修建仁宗海大坝的可行性与有效 性。经过振冲加固处理及检测，表明振冲碎石桩处理软基是成功的。 关键词：仁宗海水库电站淤泥质壤土振冲碎石桩软基筑坝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：j 习力 日期：撕6 年v 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和倍阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫接等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：、习力 日期：洲年p 月习日 指导教师签名：i 毖盹孚 日期：枷口年乒月句日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 本文的研究来源于四川川投田湾河开发有限责任公司做的试验项目“仁宗 海水库电站现场碾压试验”、“四川省田湾河仁宗海水库电站技施设计优化阶段筑坝 材料试验”、“四川田湾河流域仁宗海水库电站堆石坝坝基淤泥质壤土处理现场生产 性试验”等项目。 仁宗海水库电站位于四川省甘孜州康定县和雅安市石棉县境内，为引水式龙头 水库电站。采用混合式开发，即在田湾河干流上建坝，将干流上的水量引至田湾河 最大支流环河上的仁宗海水库，汇合于、支流水量发电。电站地处川西高原东 南边缘，总体地势西北高东南低。山岭海拔高程一般3 6 0 0 5 0 0 0 m ，属高山区。本电 站装机2 台，单机容量1 2 0 m w ，总装机容量2 4 0 m w 。 仁宗海水库的坝址区地质条件十分复杂，有崩积体和深厚淤泥质壤土土层。在这 样的地区修建5 6 m 高的大坝，在国内外还没有先例。淤泥质壤土层最大厚度达1 8 m 而且这种壤土远远没有达到固结，孔隙比在2 1 4 7 2 9 4 9 之间，相对含水量一般为 o 9 l i 0 9 ，呈可塑状软塑状，抗剪强度不到f 8 k p a 。 由于地形条件的限制，坝体不得不坐落在相对较强的崩积体土层和软弱的淤泥 质壤土层两种强度和变形特性相差很大的地基上。科研工作和工程建设都面临十分 巨大的挑战。如何处理极为软弱的淤泥质壤土地基，解决两种不同地基土层的差异沉 降是仁宗海水库电站工程中最大的困难，也是本论文研究的主要目标。 由于淤泥质壤土具有高压缩性、高灵敏度、高流变性和低强度、低渗透系数的 特点，因此在软基上施工将面临“孔压过高、变形过大、抗力过小”的难题。在堤坝 施工期间，壤土存在排水固结过程，如果上坝速度过快，软基内的水将无法及时排出， 从而使地基孔隙水压力升高，有效应力降低。进而导致坝体产生开裂、滑坡或者地基 失稳等事故。 同时由于壤土的强度较低，地基的承载力也是需要关注的问题。对于这类工程问 题，通常的对策是减缓坝坡或者以极缓慢的速度筑坝。但是这类措施往往与工期发生 矛盾，并使工程量增加。因此，工程技术人员一直在寻找措施，如何通过对软基进行处 华中科技大学硕士学位论文 理来保证大坝的安全。通常的手段是设置砂井、水平排水等方法加快排水，或者利用 碎石桩等手段提高基础强度和承载力，同时对上坝速度加以严格的控制，以使壤土充 分圆结，提高基础的整体速度。田湾河梯级电站环保、水保要求高，堆石料场的开采 对环境有一定影响，实施较困难：加之坝基淤泥质壤土开挖及开挖后的堆放也有一 定难度；因此，对原设计的坝基处理方案和坝体结构形型式应做进一步的研究。 1 2 软基处理方案比选 仁宗海水库电站大坝设计方案经历了多次的反复，基础处理先后进行了袋装砂 井、大口径砂井、塑料排水板、大开挖、振冲置换碎石桩方案的技术可靠性与经济 合理性的比较，并召开了专家咨询会进行咨询，提出了咨询意见。 ( 1 ) 砂井方案：砂井利用预压可以加速软土排水固结，提高地基承载力，减少差 异沉降；但是处理后需要预压，固结时问长，不利于整个工程建设的工期安排：而且 砂井无法穿过或绕过仁宗海软基中的大孤石、大树根等障碍物，适应复杂地基的能力 差；当地缺乏处理地基所需的砂料，塑料排水扳自身不具备良好的承载力，对湖积软 土承载力和抗剪强度的改善作用较小。 ( 2 ) 大开挖方案：大开挖将整个软基全部清除，使坝体置于基岩上，增加了坝体 的安全可靠性：但开挖施工需要增大工作面，以解决出渣问题：而环保要求，出渣没有 堆放位置：另外，软基开挖完成后，将形成一个面积大于1 5 0 0 0 m 2 ，深度超过3 0 m 的基 坑，势必给施工排水、基坑的护壁加固带来了较大困难。 ( 3 ) 振冲碎石桩方案：振冲碎石桩可有效穿透树叶层等障碍物，装体连续性好； 由高强度的微风化灰岩碎石作为填料与软基组成复合地基，经适当的固结后抗剪强 度满足上部结构的抗滑稳定要求，承载力将能明显改善和提高“1 。软基加固后，由于力 学性能的改善、承载力的提高，提高了两岸边坡的稳定性。 仁宗海水库电站工程最终选定了振冲碎石桩和8 5 m 高的混凝土防渗墙、严格控 制上坝速度等一系列技术措旌。振冲碎石桩和混凝土防渗墙工程分别于2 0 0 5 年6 月 和8 月份相继开工，2 0 0 6 年2 月份完成了振冲碎石桩施工及质量检测，大坝计划于 2 0 0 6 年6 月份开始坝体填筑，预计2 0 0 7 年1 1 月大坝填筑到设计高程，2 0 0 8 年3 月 水库蓄水达最高水位2 9 3 0 o o m 。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 随着人类活动的开展，软土地基愈来愈受到重视。世界各地在沿海、内陆有着广 泛的海相、湖相和冲积的沉积物以及“填海造陆、围湖造田”形成的冲壤土等大量 软土“3 。人们在软土地基上修建大量的堤坝、房屋、道路、油罐等等各类建筑物0 1 。 水利工程特别是中小水利工程中常常需要在软土地基上修筑堤坝“3 ，但是堤坝的高度 一般都很低，绝大多数为几米到十几米，软基上的高坝非常少。表l _ 1 中列举了一些 修建在软基上较高的坝，从这些堤坝修建的经验来看，工程中主要采用振冲碎石桩、 砂井处理软基”1 ，加速地基的排水固结过程，或者利用分期施工控制填筑速度等措施 来保证软基的充分固结“1 ，提高地基的承载力。 从表中可以看出，仁宗海水库电站工程的大坝高5 6 0 0 m ，是目前世界上修建在软 基上最高的坝。淤泥质壤土的厚度1 8 m ，也是世界上罕见的。 表1 1 国内外软基筑坝工程实例 曾 工程名称坝高 地基情况 处理方法 百 资料来 源 l 四川仁宗海水库电站 5 6 m 加拿大阿尔伯特 k 【i l d r e d l a k e 1 l m 4 3 m 一系列坝 ，翟篙一。 。，m 4 浙江慈溪杜湖水库 1 7 5 “ 1 8 m 厚淤泥质壤土与崩积体 l l n 多厚的泥炭土，长f 2 0 m ( 湖的 西边) 和2 2 0 m ( 湖的东边) 。1 _ 4 m 厚很软的有机粉土 1 4 m 厚湖积软土夹杂透水砂层。 不排术强度为5 9 0 k p a 。最上面 4 m 的工程性质较差，下面两层相 对较好 1 6 m 软粘土，含水量4 5 ，塑性指 数l 觎，有效内摩搽角2 9 度，凝聚 力0 振冲碎石桩 本文 挖出部分泥炭土参考 分期施工 文献【7 】 坡度3 ：】，分期施参考 工渺井排水系统文献【8 】 蚕群耋蒿赢 井，直径4 2 c i r i 间i 二 距30 i i l “1 5 浙江绍兴汤浦水库3 72 m3 5o m 厚的淤泥质粘土 振冲碎石桩：， x l 矾i l ”j 。 英国贝尔法斯特高速 。】0 m 厚稀泥，含水量7 0 ，客重 参考 。 路路堤 8 m i6 9 向n 3 ，剪切强度l o - 2 0 k p a 修开 文献f 1 1 j 加拿大阿尔伯特东西两座 湖积软土，东部埙下6 0 m 厚，西部分期施工，喜卓 7 f o 哪m i l e 坝均为 3 5 m 厚。塑限1 8 - 2 5 ，有效内1 ：8 的坡度，下游砂 i ；， c o u l e e2 8 m 摩搽角1 9 5 度井排水 卜叫 。 巴西里约热内卢1 2 高 有机软土，厚3 2 - 4 2 m 。含水量超分期藏工，上下游参考 。 j u t 哪出b a i2 k m 长 过1 0 0 ，孔隙比超过4 0坡度为l ：4 和15 文献f 1 3 l 加拿大 9s a s k a t c h e w a n r a 蛐 凳凛蓉裟嚣牵纂彗絮嚣袋装砂井 参考 文献 1 4 】 3 华中科技大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 淤泥质壤土和筑坝材料的物理力学特性试验研究 对淤泥质壤土进行全面的室内和现场的物理力学特性试验研究，试验包括：物理 性质试验8 9 组、土料液塑限试验5 3 组、大型相对密度试验5 3 组、击实试验2 4 组、 坝壳填筑料室内力学试验1 5 组、防渗土料掺合力学性质试验2 4 组、高压大三轴试 验7 组、防渗土料矿化分析成果3 组、比重试验3 6 组、渗透及渗透变形试验1 4 组、 大型压缩试验2 8 组、三轴剪切试验1 4 组。通过试验测定淤泥质壤土的抗剪强度指 标、渗透系数、应力变形参数等，为基础处理措施的分析比较和设计、施工提供决 策依据。同时还对筑坝的坝壳料进行室内物理力学特性试验，为大坝的设计提供科学 依据。 ( 2 ) 筑坝方案的研究 针对采用振冲碎石桩加固处理方案，通过原渗流及应力变形研究、现场碾压试验 和现场筛分试验以及生产性试验论证软基筑坝的可行性，为大坝优化设计和施工技 术参数控制提供科学依据。 原渗流及应力变形研究 采用严密的比奥固结理论和先进的有限元方法对大坝和地基的应力应变与固结 过程进行三维渗流计算、坝坡稳定计算及三维应力变形计算分析。分析竣工期坝体 及坝基覆盖层的变形与应力、正常蓄水期坝体及坝基覆盖层的变形与应力、坝基混 凝土防渗墙的变形与应力的变化过程。 现场碾压和现场筛分试验研究 通过现场碾压试验和现场筛分试验，验证坝料设计填筑标准的合理性，根据初拟 的坝体填筑料的填筑标准，确定各堆筑料达到填筑设计标准的碾压参数：碾压设备 型号、振动频率及重量、行进速度、铺筑厚度、碾压遍数、加水量等；检验所选用 的填筑压实机械的实用性及其性能的可靠性；通过对比试验，确定各堆筑料经济合 理的压实参数；研究和完善坝料填筑的旖工工艺和措施；确定坝体填筑施工质量控 制及质量检验的方法和要求。为大坝优化设计和施工技术参数控制提供科学依据。 振冲处理的生产性试验 4 华中科技大学硕士学位论文 为了论证振冲处理的可行性、合理性以及振冲设备的适用性，确定振冲碎石桩桩、 排距，选定藏工参数及施工工艺。在振冲区域内选择代表性较好的场地( 面积5 6 0 m 2 ) 分别进行了1 3 0 k w 及7 5 k w 生产性振冲试验。为了检测处理效果及振冲桩体质量，对 振冲后的地基进行桩间土、桩体和复合地基的工程性质试验研究。包括密度、渗透、 标贯、动力触探以及复合地基现场大型静载等试验。 ( 3 ) 坝基处理、坝体分区设计 坝基处理设计：根据原渗流及应力变形研究、现场碾压和现场筛分试验研究、振 冲生产性试验结果以及坝基应力分布情况、工程地质情况，对淤泥质壤土地基加固处 理进行设计。提出各区振冲桩桩、排距，使用振冲设备及旖工技术要求。 坝体结构设计：在坝体边坡稳定分析的基础上，充分利用坝体结构特点，对坝体进 行合理分区设计。达到对软基先期固结，确保坝体安全，加快工程建设进度的目的； ( 4 ) 坝基处理及质量检测 对经振冲加固处理后的坝基进行桩问土、桩体和复合地基的工程性质试验研究， 对工程施工质量进行控制和指导。包括密度、渗透、标贯、动力触探以及复合地基 现场大型静载等试验，并对旋工质量进行检测、对结果进行统计分析。 1 5 论文的章节安排 第1 章简要介绍四川仁宗海水库电站工程的基本情况和需要分析与研究的问题。 第2 章详细叙述仁宗海水库电站工程地质情况及岩土工程性质，特别是淤泥质壤土 大量的室内外试验成果。第3 章介绍仁宗海水库软基筑坝原渗流及应力变形计算成 果，论证采用采用碎石桩置换加固软基及筑坝的可行性。第4 章阐述仁宗海水库大 坝填筑碾压试验成果，分析研究软基筑坝的施工工艺和方法。第5 章为振冲碎石桩 的生产性试验成果。第6 章阐述坝基加固处理设计和大坝分区设计的内容。第7 章 介绍振冲碎石桩施工和质量检测情况，特别是有关检验软基处理的效果的一系列现 场试验的成果。第8 章为结语。 华中科技大学硕士学位论文 2 工程地质与岩土力学特性 2 1 仁宗海水库电站工程概况 本流域位于四川盆地向青藏高原的过渡地带，属亚热带季风气候区。流域内由 于地势高差悬殊，立体气候显著。气温由下游随海拔高程升高而逐渐递减，金窝( 海 拔约2 0 0 0 m ) 年平均气温1 1 左右，草科至河口( 海拔1 4 0 0 l o o o m ) 多年平均气 温1 3 】5 左右。降水量则山地多于河谷，根据观测资料具有随海拔高程上升而增 加的规律。田湾雨量站多年平均年降水量为1 2 5 2 3 m m ，草科以下的河谷地带，冬季 寒冷少雨，夏季酷热多雨，干湿季明显，每年4 月降水量明显增多，4 1 0 月降水量 占全年降水量的9 0 以上。本流域易产生地形雨，且夜间降雨较多。 水库坝址距康定县城9 8 k 札距石棉县城8 0 k m ，电站厂址距成昆铁路乌斯河车站 约1 7 6 k m ，乌斯河车站至石棉县城约9 6 k m 。厂、坝间连接公路长约1 3 k m ，厂址至 河口( 田湾河与大渡河汇合口) 约3 0 k m ，有公路与3 1 8 国道相通，河口至石棉县城 约5 0 k m ，对外交通较方便，是四川省水电工程重点建设项目，对振兴当地经济发展 起着非常重要的作用。 水库水源由本区径流供给，本区控制流域面积3 3 2 k m 2 ，多年平均年径流量1 3 2 0 0 万m 3 ，1 0 0 年一遇设计最大洪峰流量1 8 2 m 3 s ，1 0 0 0 年一遇加1 0 安全保证值校核最 大洪峰流量31 1m 3 s ，多年平均悬移质年输沙量1 4 9 万t 年 水库正常蓄水位2 9 3 0o o m ，设计洪水位百年一遇为2 9 3 0 0 9 m ( p = 1 ) ，校核洪 水位百年一遇加1 0 的安全保障为2 9 3 09 4 m ( 口一o 1 + 1 0 ) ，死水位2 8 8 6 0 0 m 。 总库容1 1 2 0 0 万m 3 ，调节库容9 1 0 0 万m 3 ，死库容1 0 9 0 0 万m 3 ，其重要任务是发电， 仁宗海水库电站规模为大( 2 ) 型，工程等别为i i 等，堆石坝等主要建筑物级别为2 级， 其他次要及临时建筑物级别为3 级。 该地区在大地构造部位上处于川滇南北向构造带与甘孜褶断带交汇部位，区域 地质构造背景复杂。该地区地震基本烈度为度，构造稳定性属基本稳定区，建筑物 设防烈度度，相应基岩水平加速度为1 3 5 c 耐s 2 。 电站主要由坝区枢纽、引水系统、厂区枢纽和“引团入环”输水枢纽等建筑物组 成。水库坝区枢纽由堆石坝、放空洞和泄洪洞等组成。引水系统由电站进水口、引 6 华中科技大学硕士学位论文 水隧洞、调压室和压力管道组成；厂区枢纽由主副厂房、主变室、母线洞、出线洞、 通风洞、无压尾水洞、进厂交通洞和开关站等组成。“引田入环”输水工程由底格栏 栅坝、输水隧洞和出口消能槽等组成。 大坝设计为混凝土防渗墙与复合土工膜结合的堆石坝，坝顶高程2 9 3 4 0 0 m ，最 大坝高5 6 m ，坝顶长8 3 08 5 m ，坝顶宽度8 m 。坝体基础为深厚覆盖层( 其中淤泥质 壤土层厚约2 l m ) ，坝基防渗采用悬挂式混凝土防渗墙，最大墙深约8 5 m ，墙厚1 0 m 。 两岸坝肩岩体防渗采用帷幕灌浆处理。 水库库容1 1 2 0 0 万m 3 ，工程规模为中型：大坝的主要工程特性见表2l ，大坝典 型剖面见图2 1 。 表21仁宗海水库电站工程主要特性 项目 单位数量 坝型 坝项高程 坝底高程 最大坝高 坝项长 坝顶宽 最大坝底宽 上游平均坝坡 下游平均坝垃 防渗墙项高程 防渗墙底高程 踌渗墙厚度 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 死水位 总库容 调节库容 死库容 调节特性 混凝土防渗墙与复合土工膜结合堆石坝 m m m m m m 1 0 4 m 3 1 0 4 m 3 1 0 3 完全年调节 7 ， 0 ； 舛， ，鬻罴淼慧淼魏蒜鬻淼 2 2 5 8 8 2 1 1 2 2 l 2 2 2 2 1 9 华中科技大学硕士学位论文 4 3 m ( r z k 2 孔) 92 m ( r z l ( 1 孔) 1 56 m ( r z k 9 孔) ，坝线附近横河方向宽1 6 0 2 4 0 m ， 灰色淤泥质壤土含有机质，物性试验资料表明：以细砂及粉粒为主，分别占3 8 6 2 、 4 1 1 6 ，粘粒占1 5 6 ，表明级配基本连续，天然密度1 8 9 c m 3 ，孑l 隙比o 6 9 6 1 4 5 3 ， 天然含水量2 4 6 5 1 5 ，塑限2 6 3 5 ，液限4 0 2 3 ，塑性指数1 3 9 ，属高液限 粉土，呈可塑软塑状。室内试验；e s = 4 2 8 8 9 4 押a ，c = 0 0 3 5 0 0 6 咿a ， 巾= 6 1 l o 8，k = ( 1 2 9 5 4 ) 1 0 c m s ，呈可塑状软塑状，表明其力学特性差， 透水性弱，摩擦角仅6 。9 。，鉴于该土层内据其形成时代( q 4 2 ) ，粘粒含量( 1 3 2 ) ，相对含水量( o 9 l 1 - 0 9 ) ，液性指数( o 6 9 1 2 2 ，平均为1 ) 等，判为 液化土，该层层渗透系数在1 0 4c m s 左右，基本上属弱透水，但因厚度较小，分布 于左岸表层，未铺满整个河床，不能形成坝基可靠的相对隔水层，因此存在沿坝基 覆盖层向下游渗漏的可能性，不能满足坝基承载、变形及坝坡抗滑稳定要求，物理 力学性能差，应采取加固处理。 23 2 砂砾石层 砂砾石层为第层第层，深度1 3 0 m ，为坝基的主要持力层。 第层：含孤、块碎石土，系冰川堆积( g l q 3 1 ) ，分布于河床底部，钻孔揭示厚度 3 9 7 4 m ( r z k 5 孔) 5 1 8 6 m ( r z l ( 3 孔) ，顶面埋深8 0 ，1 2 m ( r 2 i ( 4 孔) 1 0 0 6 4 m ( r z k 6 孑l ) 。 孤块碎石成分以变质砂岩为主，极少量板岩，偶见石英岩，粒径比较分散，一般2 5 c m 和1 2 4 0 c m ，最大达1 m 以上，呈棱角次棱角状。土为浅灰色粉质土，结构 密实。 第层：块碎石土，系冰川冰水混合堆积悖l + 垮l q 3 2 ) ，分布于河床下部，揭示厚 度94 1 m ( r z k l 7 孔) 3 l4 2 m ( r z l 【2 孔) 3 7 5 2 m ( r z l ( 6 孔) ，顶面埋深4 78 3 m 啮孔) 6 6 8 0 m ( r z l ( 2 孔) ，块碎石成分同上，粒径一般3 6 c m 和l o 2 0 c m ，呈棱角次棱 角状，土为浅灰色粉土，结构较密实。 第层：青灰色粉质土，系堰塞湖积( 1 q 3 3 1 ) ，仅分布于河床左岸中部，呈透镜 状展布，揭示厚度6 8 m ( r z k 2 孔) ，顶面高程2 8 2 5 7 2 m ，顶面埋深6 0 m ，结构较密实， 透水性弱。 第层：含块碎砾石土，系横向干沟冰水堆积( 垮l q 33 。2 ) ，分布于河床中上部，揭 1 0 华中科技大学硕士学位论文 该层粗颗粒基本形成骨架，力学性能较好，局部具架空现象，考虑到试验的代 表性，结合土体结构特征、颗粒级配等，类比其它工程经验，建议承载力【r 】= o4 o 6 m p a 、变形模量e o = 3 0 5 0 m p a 、渗透系数k = 2 1 x 1 0 。2 2 6 l o c 1 1 1 s ，属中等 强透水。 2 33 崩坡积体 崩坡积体( c o l + d l q 4 2 ) 为块碎石土，主要分布于两岸坝肩低高程部位( 左岸3 0 5 0 m 、 右岸2 9 4 0 m 以下) ，推测右岸厚度46 m ( r z k l l 孔) 2 0 m 。左岸坝肩部位据钻孔揭示 厚度7o m ( r z k l 2 孔) 3 83 m ( r z k l 3 孔) 4 7 2 m ( r z k l 5 ) ，向下游据钻孔r z k l 8 揭示其 厚度大于1 2 35 9 m 。块碎石成分以变质砂岩为主，极少量板岩，粒径3 7 c m 和1 2 2 0 c m ，棱角状。据颗分试验，以碎砾石为主，占6 9 2 ，块石占1 6 ，粉粒占7 4 ， 粘粒占19 ，小于5 m m 含量约占1 8 7 ，属不良级配土，天然密度2 1 2 2 9 c m ， 天然含水量66 76 ，孔隙比o 3 4 l o 4 3 1 ，渗透系数k = 29 5 1 0 。1c 州s ，结构较 松散，透水性强。坝基覆盖层的典型地质剖面见图2 2 。 图2 2 坝基覆盖层的典型地质剖面囤 2 4 淤泥质壤土的物理力学特性试验 24 1 室内物理特性试验 室内试验主要针对3 组原样土试验、2 组第层土和4 组第层与第层掺合土 2 华中科技大学硕士学位论文 数1 0 3 1o 5 c 州s ，破坏坡降为3 2 4 ，仅能基本满足要求，但坡降仍较低( 无反滤情 况) ，淤泥质壤土层室内力学试验成果见表23 ，室内压缩试验成果见表24 ，淤泥质 壤土层物理力学参数建议值见表25 。 表23 淤泥质壤土层室内力学试验成果表 击实制样控铽器什母摊( n “l 圳渗透变形试验直蛳趱( 韫卧曲 * 轮鳊；糍磁俳酬蛆嘲。f 黼燃删黝黼 k9d u b却、i如 -c0 洲“m、州 “一m ( 。) 傀7 2l 锥五6t hn 筠54l矿m晰 m 8 ( 据7 0l 签m j4 簋n 算3 ，坩n m i r 固砸i l 僻1 2l a 贸n 1 5 63 l 3 6 x 1 旷 流土 5 5 7l r 9 电b o 【1 ：1 ) 4 l 带m 7l 吣6n 51 3 62 睨2 1 8 1 盯。沉土1 n 科1 ( 5 b 国【1 均舯4 l 砣m 990l衔i 苒1 岛3 懒x 1 盯j流土抑1 q t r 虹) z 7 l 刀l i 4唧n l 记 一 3 抖啦l x l 矿流土7 1 9 4 瞧b ：o 【1 ：1 z 瑚l 跎1 1 2l n 盅n ml 男2 鲫l 3 l x 妒躐上g 瞄丑l 瓯【l ：玛删 堋1 4 2i 嘶。瑚l 3 0 i o明1 矿 流 佃m 6 备注：试样7i 、72 均为第层上部土体处于湖水位之上；7 3 为水位之下士体，n 6 l5 m 处土样。 表2 4 淤泥质壤土层室内压缩试验成果 r 砬：韫惴掊! 目时( o 也娅可怕 晒也炉0 a 仿m l m 住皿l 也玛m h以2 n 唧恤以4 0 雄性h 试验犏号端懒撇霍霖露霸嚣霜露霾霪霖篷霜 肚 轧 。 蚝却蚝均却蚝却岛如却 槲m 、删m 、wmwm mw m 1 b坦)印il 母l 配2 w蜊1 晒n 5 s 嚣 瑚 m 豫0 l 堑 2 l 冁韭舯( “m ( b ：锄( i ：1 ) 4l 乃l 盯1 2 n 1 签4 凹0 鲫6 舛0 l l n 3 6 0 1 5 5 坦n 咖，6 * b ：，。( l ：珊日l 瓦托91 舒n g *4 n 靴；6 五 n 彻9 硒n l 舒丑船n 0 田4 l n d 田 r 丑2 7 柏l 奄1 s 43 岱n 毋41 a j 6 霓0 牡l n 舟0 1 靶娅魁q a 丌3 瑚酊 c k ：( 1 ：1 1 2 j l 啦! 3 22 稻n 53 盯a 增6s 岔q 2 nm 掘0 1 4 51 豫n 0 贮盟1 0n o c 弛：o f l ：萄狲l 虬“21 庸n m 83 ma 5 us 醯q 2 7 lm 2 60 l 钟2 l n 靶舒 n 0 表25 淤泥质壤土层物理力学参数建议值表 窜席 干密允许变形 “ 度承载力模量蠢茎 渗透系数允许坡降边坡比 层位岩性 ppd r 】 e 0 mckj ， 水上水下 g ，c m 曲r m p am p a 度 m p ac m s 淤泥 l5 0ll oo0 800 1 1 1 5 1 0 4 0 3 暖壤 jjs4 56 9j i i 土 i 7 01 3 00 1 00 叭5 57 5 1 0 4 0 4 说明：建议坡比值一般适宣于坡高小于1 0 m ，并有护坡措施，若遇特殊情况须男作处理。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4 2 淤泥质壤土的力学特性试验 ( 1 ) 三轴剪切试验 对 5 ：1 ：l 按击实功能6 0 4k j ，m 3 下密度制样，分别进行饱和固结排水剪 和固结不排水剪各1 组，并分别按有效应力和总应力法求取强度指标、和不同应力 路径求取，同时对固结不排水剪求取孔压系数，试验方法为饱和固结快剪。成果见 表2 6 。 表26 三轴剪切试验成果 蓦萼 ! 麟排槭! 盅麟霉椭掣_ p 女= l8 2 9 c r( _ ) = 1 3 0 c do dc o ：( 1 ：1 )l o 8 42 6 9 扩9 3 92 70 8 0 2 5 筑坝材料的力学特性试验 2 5l 力学特性试验主要内容 主要包括垫层料、干沟料、混合土、坡积体料、5 4 0 0 m m 排水体料( 含 5 m m ) 、 5 8 0 0 m m 排水体料( 含 5 m m ) 上包线和平均级配以及5 4 0 0 m m 排水体( 不含 5 m m ) 、5 8 0 0 m m 排水体( 不含 5 m m ) 平均级配的渗透及渗透稳定试验。 252 渗透与渗透变形试验 试验采用垂直渗透变形仪，试样直径3 0 0 m m ，高6 0 0 m m 。 华中科技大学硕士学位论文 坡积体料、5 4 0 0 m m 排水体料( 不含 5 m m ) 、5 8 0 0 m m 排水体料( 不含 5 m m ) 这三种坝料 5 m m 的含量均不超过5 ，当试验时的水力比降在o0 2 附近时渗流已紊 流状态，未能测出渗透系数，而5 8 0 0 m m 排水体( 含 5 m m ) 平均级配 5 m m 的含 量为8 ，试验水力比降为o 0 0 8 ，它的渗透系数为8 9 4 c “s ，以 9 o c i i l s 。在o 0 2 的水力比降下渗流己不符合达西 渗流。渗透稳定试验结果，除混合土料上包线渗透破坏型式为过渡型外，其它试验 结果渗透破坏型式均为管涌型。坡积体和排水体( 不含 5 m m ) 中 5 m m 的颗粒含量 均 5 ，渗流为紊流状态，不属渗流变形研究范畴。坝料渗透及渗透稳定试验成果 见表28 。 表2 ，8 坝料渗透及渗透稳定试验成果 253 压缩试验 试验仪器系大型高压压缩仪，压缩仪容器的直径为3 0 0 m m 、高1 8 0 m m ，最大垂 直压力1 0 m p a 。 压缩试验各参数的计算如下： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 试样的初始孔隙比e 。 ：丛卫型一1 ( 2 1 ) p o g 。土粒比重 p - _ 一水的密度，g c m 3 ： p 。试样初始密度，g c m 3 u 。试样初始含水率， 各级压力下固结稳定后的孔隙比e ， 铲一( 1 + ) 警 ( 2 2 ) e 。某级压力下的孔隙比； h ，某级压力下的试样高度变化， h 。试样初始高度， 某一压力范围的压缩系数a ， 以= 垒二鱼( 2 3 ) p 。“一p p i 某一压力值，k p a 某一压力范围的压缩模量e s b ：堡鱼 ( 2 4 ) 吼 试验结果见表2 9 至表21 3 。 从表2 9 表2 1 3 所列压缩试验结果可以看出，坝料级配都比较好，除5 8 0 0 唧 排水体料( 不含 5 啪) 外，其余坝料的压缩变形量较小，属低压缩性土。 华中科技大学硕士学位论文 表2 9 压缩试验结果 试验条件 垂直压力 ( m p a ) 试样状 级配干密度试验参数 名称态 001o2o 4 o 81632 g cm 。 垫 非 上饱 限和 级 配 层 22 8 料 干 饱 和 非 平饱 均和 级 配 饱 和 非 上饱 限和 沟 22 3 级 料 配 饱 和 - 孔隧比 压缩系数( p a ) 压缩模量( m p a ) 孔隙比 压缩系数棚p 一) 压缩模量棚p a ) 孔隙比 压缩系数( h p i l ) 压缩模量( _ p a ) 孔隙比 压缩系数棚p a l ) 02 2 8o2 2 4o2 2 3o2 2 202 2 102 1 9 02 1 3 00 4 3 1 00 100 0 5 00 0 2o0 0 3 1 2 32 4 6 6 1 44 0 9 o0 0 4 3 0 7 o2 2 802 2 402 2 2o2 2 1 o2 1go2 16o2 12 00 4 3 1 00 200 0 50 0 0 5 00 0 4o0 0 2 6 12 4 62 4 63 0 7 6 1 4 02 2 802 2 502 2 4 02 2 302 2 2o2 2 002 1 6 o 0 3 4 1 o 0 1o0 0 5 00 0 2o0 0 3o0 0 2 2 32 4 66 1 4 4 0 96 1 4 o 2 2 8 o2 2 502 2 4o2 2 3o 2 2 1 o2 19o2 1 3 o0 3 0 0 100 0 5o 0 0 500 0 3 00 0 4 压缩模量棚p a ) 4 11 2 3 2 4 62 4 64 0 9 3 0 7 孔隙比 压缩系数( m p a 。) 压缩模量( m p a ) 孔隙比 压缩系数( m p a 。) 02 3 3o2 3 102 3 0 0 2 2 8o2 2 602 2 402 2 0 00 2 6 2 o0 1o0 1 00 0 5o0 0 3 2 31 2 32 4 7 4 1 00 0 2 6 1 7 o2 3 3o2 2 80 2 2 7 02 2 502 2 302 2 0o2 1 0 o0 500 1o0 1 00 0 5o0 0 4o0 0 6 压缩模量棚p a ) 2 5 1 2 31 2 32 4 7 3 0 82 0 6 1 8 华中科技大学硕士学位论文 六种坝料均属无粘性粗粒土。试验汪明，在比较大的应力范围内，无粘性粗粒 土的强度与法向应力之间的比例关系并不是一个常数，它随周围压力o 。增加。抗剪 强度是 篡级配曼。，誉。指三g c m 。m p a ( 度)( 度)m p a( 厦) 华中科技大学硕士学位论文 3 原渗流及应力变形计算分析 3 1 三维渗流计算 渗流固结计算是岩土工程中最基本也是最复杂的问题之一。比奥固结理论“町是 渗流、结果和固结分析“7 1 计算中最具普遍意义、最接近实际情况的。该理论可以准 确反映孔隙压力消散与土骨架变形之间的相互关系。 3ll 渗透比降 两岸基岩水力坡降在o 1 以下，在防渗帷幕下方的岩石水力坡降值较大，其值在 o 1 0 o 4 9 范围内。 覆盖层( 9 1 q 3 1 ) 和覆盖层( g l + 龟l q 3 2 ) 允许坡降为o2 5 o3 ，该层内绝大 部分区域的水力坡降在o3 以下，满足允许值要求。仅在防渗墙附近局部区域水力坡 降较大，计算最大值分别为o7 1 2 和0 6 7 6 ，考虑到计算模型中防渗墙的影响，该处 的水力坡降变化梯度较大，水力坡降迅速降低至o _ 3 以下。 覆盖层( 1 q 3 3 1 ) 允许坡降为o ，5 o 6 ，该层内的水力坡降均小于o 5 ，满足渗 透稳定要求。 覆盖层( 龟l q 3 3 2 ) 允许坡降为o 2 5 o3 ，临界坡降为1 7 5 ，破坏坡降为2 9 9 。 该层内绝大部分区域水力坡降在o 3 以下，满足允许坡降要求。仅在3 坝段处，有很 小的区域水力坡降超出允许值，最大值约o 3 6 ，但远小于临界坡降，因此该层不会 发生渗透破坏。 覆盖层( a i + 龟l q 3 3 3 ) 允许坡降为o1 5 o 1 8 。该层绝大多数区域水力坡降在 o 1 8 以下，仅在1 0 l l 坝段，有很小区域超出允许值，其最大值在1 0 坝段处，为o 4 7 1 。 覆盖层( p l q 4 1 ) 允许坡降在o1 5 o2 ，临界坡降为o 2 1 ，破坏坡降为o 8 l ，该 层绝大多数区域水力坡降在o 2 以下，在1 3 坝段坝基与反滤层相交处，有局部很小 的区域内水力坡降超出临界坡降，其最大值在3 坝段处，约为o 6 4 ，未超出破坏坡 降。 反滤层上的水力坡降绝大多数在o 1 以下。反滤层与防渗墙交接处的水力坡降较 大，其中在3 坝段最大，最人值约为o8 l l 。 华中科技大学硕士学位论文 表3 4 复合土工膜防渗堆石坝坝坡稳定计算成果表 计算工况 安全系数 简化毕肖普法 瑞典圆弧法允许值 正常运用条件 稳定渗流期上游坡 6 9 。 4 5 2 i - 3 5 ( 1 2 5 ) 稳定渗流期下游坡 1 8 91 3 4 1 3 5 ( 1 1 5 ) 竣工期上游坡 1 8 41 3 5 1 2 5 ( 1 1 5 ) 非常运用条件i 竣工期下游坡 2 7 42 1 5 1 2 5 ( 1 ，1 5 ) 正常运用遇地震上游4 2 2 3 2 9 1 1 5 ( 1 0 5 ) 非常运用条件1 1 筐常运用遇地震下游1 4 41 1 61 1 5 ( 1 0 5 ) 一ie口：一一一 由计算结果可见，在各种计算工况下，堆石坝的坝坡稳定安全系数均满足规范 规定的允许值要求。 3 3 三维应力变形计算 由于仁宗海水库大坝坝体结构特别，基础覆盖层深厚，可研设计阶段对大坝及 基础作了三维静力有限元分析。三维静力有限元分析计算中采用的固结计算程序 c o n 2 d 由邓肯等人n 8 、例开发、后经中国水利水电科学研究院担伽和清华大学曲1 改进 的二维平面应变固结计算程序c o n 2 d ，该程序经过了大量的算例和工程实践的考 核，例如美国加州的n e wm e l o n e s 大坝和我国小浪底斜心墙高土石坝，均证明此程 序是可靠的。 ( 1 ) 计算基本参数 碎石土心墙+ 复合土工膜堆石坝坝体及基础材料的计算参数见表3 5 。 ( 2 ) 计算模型 计算本构模型采用邓肯改进e b 模型。 ( 3 ) 计算工况 a 竣工期，上下游无水： b 正常蓄水期，上游水位为2 9 3 0o o m ，下游无水； c ，正常蓄水朗+ 7 度地震。 华中科技大学硕士学位论文 处，其最大值约为0 8 。坝基覆盖层的应力水平最大值为0 2 ，碎石土心墙上的应力 水平较小，约在o 2 左右。由此可见，在水的作用下，大坝的稳定性较竣工期有所 减弱，但仍在安全范围内。 坝基混凝土| 坊渗墙的变形与应力 竣工期防渗墙的总位移以垂直向和顺河向位移为主。防渗墙的最大沉降值出现 在主河床最大墙深截面的上部，其值为o 5 2 m ，顺河向位移最大值出现在主河床段防 渗墙的中部其值为一o 4 6 m ( 向上游变形) 。蓄水期防渗墙最大变形值出现的部位与竣 工期同，在水的作用下，防渗墙的最沉降大值为o 5 9 m ；防渗墙顺河向的变形得以改 善，位移值为o 4 2 m 。 竣工期防渗墙应力分布表明：防渗墙在垂直向、顺河向和横河向的正应力均为 压应力；防渗墙上的大主压应力o1 均为压应力，左岸的各坝段下防渗墙的大主压应 力较右岸坝段的大主压应力值大，最大主压应力值为1 2 m p a ，出现在主河床段防渗墙 的中部；绝大部分区域的最小主应力o3 为压应力状态，在左、右两岸的坝肩和坝基 面以上的刺墙局部出现一定的主拉应力，拉应力约为l m p a 。 蓄水期防渗墙上的各种应力分布规律与竣工期相似，应力大小有所变化，最大 主压应力值为1 4 m p a ，与竣工期比较可见，防渗墙上的小主应力值受拉的区域有所减 小，拉应力值也有所减小，特别是防渗墙与左岸交界处的拉应力区域消失。在右岸 的坝肩和坝基面以上的刺墙局部出现的主拉应力值约为0 8 m p a 。 华中科技大学硕士学位论文 4 大坝填筑碾压试验 本项试验研究的目的是通过现场碾压试验和现场筛分试验，为大坝优化设计和 施工技术参数控制提供科学依据。验证坝料设计填筑标准的合理性：根据初拟的坝 体填筑料的填筑标准，确定各堆筑料达到填筑设计标准的碾压参数：碾压设备型号、 振动频率及重量、行进速度、铺筑厚度、碾压遍数、加水量等：检验所选用的填筑 压实机械的实用性及其性能的可靠性；通过对比试验，确定各堆筑料经济合理的压 实参数；研究和完善坝料填筑的施工工艺和措施；确定坝体填筑施工质量控制及质 量检验的方法和要求。 4 1 试验内容 本次现场试验包括现场筛分试验、现场碾压试验和压实质量检测三部分内容。 4 2 现场筛分试验 在现场选点进行天然料的颗粒分析试验，每种料进行6 组试验。该项试验原计划 进行反滤料、垫层料、干沟天然砂卵石料、环河天然砂卵石料、混合土卵石料和崩坡 积体6 种料的试验。后由于料源解决困难，根据业主和设计要求取消了反滤料的筛 分试验以及该料的现场碾压试验和室内试验工作。 4 3 现场碾压试验 对坝体垫层料、坝体填筑i 区料、坝体填筑区料和两种排水体料( 5 8 0 0 m m 排水 体料和5 4 0 0 m m 排水体料) 5 种筑坝材料进行现场碾压试验。 表41 碾压试验组合 华中科技大学硕士学位论文 碾压试验所用有5 种坝料，其中混合土卵石料和天然卵石料在取料现场剔除超大 粒径颗粒即可直接进行试验，排水体和垫层料需经过砂石筛分系统加工方可用于试 验。取样地点由试验人员会同设计地质人员确定。 混合土卵石料在料场的2 4 取样点挖取，开采方式为立面开采，取料的同时剔除大 于4 0 0 m m 粒径颗粒。 天然卵石料在干沟料场挖取，开始在料场3 ”点取料，由于施工道路的影响以后部 分改在干沟出口处附近。取料的同时剔除大于8 0 0 m m 粒径颗粒。 5 8 0 0 m m 排水体料在干沟料场挖取，通过简易砂石筛分系统剔除5 m m 以下细颗 粒和超过8 0 0 m m 粒径颗粒部分。由于在加工过程中大颗粒与小颗粒分别堆放，混料 装载过程中有颗粒分离现象，与料场实际有一定的差异。 5 4 0 0 m m 排水体料在干沟料场挖取，通过简易砂石筛分系统剔除5 m m 以下细颗 粒和超过4 0 0 m m 粒径颗粒部分。与5 8 0 0 m m 料排水体加工过程相同，该料也存在 粗细颗粒分离现象。 垫层料在环河料场挖取，通过砂石筛分系统剔除超过8 0 m m 粒径颗粒部分。在加 工过程中部分大粒径颗粒被砂石筛分系统破碎，试验料中含有部分碎石。 4 3 ，1 基础垫层的摊铺与碾压 在场地准备好后，即可进行各试验场的垫层摊铺( 第层) ，卸料方式为后退法。 该层厚4 0 c m ，与上部第二层试验料为同种坝料，这样可减少试验误差，同时利用该 垫层可以适当调整试验场地的平整程度。 由于垫层比较薄，因此在上该层坝料时，大于4 0 c m 颗粒应剔除，例如混合土卵 石料、天然卵石料以及环河料等。 2 4 、3 4 和4 4 试验场地的垫层料采用与试验料相同的坝料，由于工期较紧，试验用 料加工困难，5 “和6 4 场地的垫层料，部分采用杂渣料。 垫层铺好后，用振动碾碾压1 0 遍。 43 2 试验层摊铺与碾压 在基础垫层碾压完成后，即进行试验料的摊铺，铺料方式采用后退法。 上料完毕后，