河谷地形对面板防渗体系的影响

河谷地形对面板防渗体系的影响

中国经济快速稳定发展，带来了水电建设的高潮，特别是西部发展进程的加快。需要在河流、河流、河流、湖泊、河流上游和雅鲁藏布江等大江和大河上修建具有一定调节能力的水库。这些水库的防洪水库是大型水库，水库的高度超过200米，超过300米。我国的坝工建设正在向300m级的拱坝、250m级的面板堆石坝和200m级的碾压混凝土重力坝发展。混凝土面板堆石坝因其经济性、便于施工、工期短、良好的抗震性,已成为超高坝的首选坝型之一。混凝土面板堆石坝在我国经历了20年的飞速发展,我国在数量、坝高、规模、难度等方面都居于世界前列,积累了丰富的实践经验和工程技术。目前,已建的面板堆石坝大多建于较宽阔的河谷,而在狭窄河谷地区或者复杂地形条件下修建面板堆石坝的实践较少,还存在一些特殊的变形问题。1复杂地形下的堆垛石坝运营现状1.1混凝土面板沉降的检测巴西的辛戈坝高150m,建于1994年。在左坝肩,施工期间观测到上游垫层料中发生垂直裂缝,大致与趾板平行,高程在103~207m之间,位置与该处的基坑开挖形状非常契合,如图1和图2所示。另外,在运行期的水下调查发现,在左坝肩的一些混凝土面板中发现裂缝,与施工期在垫层料中出现的裂缝在同一区域;在与趾板连接的5号面板中发现一个面板角破损,并测出5号面板相对于4号面板的非均匀沉陷最大为30cm。这与趾板定线的局部突变以及造成面板高应力集中的坡度有关。1.2水下的非均匀变形2002年建成的巴西伊塔佩比坝高100m。蓄水后水下调查发现4个面板有裂缝,大致高于趾板5~10m并与其平行(见图3),认为裂缝是由于地基的几何形状引起非均匀变形造成的。1.3右坝肩结构场渗漏哥伦比亚的格里拉斯(Golillas)面板坝,河谷狭窄且两岸陡立,坝高127m,河谷宽高比为0.87,岸坡陡达1∶0.1~1∶0.2(见图4),1978年6月建成,因主干隧洞未完工,直到1982年6月才开始第一次蓄水。蓄水后渗漏量很大,而且随着库水位升降而增减,经检查发现,在与趾板突出部位一致或方向剧变的地方,靠近趾板的混凝土发生压碎破坏,在这些部位的正前方,混凝土面板中还见到张开裂缝。另外,在右坝肩的周边缝中,PVC止水沿中心管局部发生剪切破坏。由于采用坚硬的砂砾料筑坝,实测堆石体的沉降较小。初次蓄水后的坝体变形实测资料表明,面板靠近两岸陡峭坝肩的沉降量与峡谷中心的沉降量接近,坝体沿两岸陡峭坝肩的基岩面产生了滑动。1.4混凝土面板裂缝罗马尼亚里苏(Lesu)面板堆石坝,坝高60m,1972年建成,采用分离式混凝土面板。水库运行2年后,左岸坝肩面板与趾板间产生显著位移,导致周边缝止水破坏,漏水逐渐加大,满库运行4年后,右岸坝肩面板继续产生了一系列裂缝(见图5)。后经多方论证,认为堆石体长期流变引起堆石体沿岸坡的运动是其主要原因。1.5周边铰接板的检查哥伦比亚1974年建成安奇卡亚坝,坝高140m,河谷宽高比1.86。考虑到坝址岸坡较陡,设计中采用了平行岸坡的周边铰接板。1974年11月放空水库进行检查,没有发现面板有大裂缝、断裂等缺陷。在面板止水系统共查到8个主要漏水点(见图6),左岸1、2号漏水点表明铰接板在几何形状突变处有明显的移动;右岸567~623m高程之间的周边缝都是张开的,大部分铰接板的垂直缝也是张开的。1.6大坝填筑及其浇筑水布垭面板堆石坝高233m,坝址为V型峡谷。大坝于2003年1月底开始填筑,于2006年10月填筑至405m高程,大坝填筑基本完成。2005年1~3月浇筑第一期面板至278m高程,2006年1~3月浇筑第二期面板至340m高程(参见图7)。2006年6月检查发现,右岸坝肩趾板线发生转折处的一期R12、R13号面板底部周边缝部位混凝土出现不同范围和厚度的破碎、脱皮、起壳现象。2河谷地形对混凝土面板防渗体系的影响作用关于河谷地形对堆石体变形的影响,不同专家之间仍然存在相反的观点,有专家认为地形对堆石体的变形影响显著,但同时又有专家举出例证,认为堆石体变形与河谷地形没有直接关系。这种分歧的原因,主要是在于,堆石体的变形存在众多的影响因素,例如堆石料的岩性、颗粒级配、碾压参数、施工质量、河谷地形等等,各种因素相互影响纠结在一起,河谷地形不再是起关键作用的因素,对坝体变形的影响程度难以分离和量化显示。但是,经过对不同地形条件的面板坝的建设实践和运行监测分析,因为统一的钢筋混凝土材料和一致的面板结构设计理念,河谷地形对混凝土面板的防渗体系的安全性的影响作用较为明显地显现出来,具体如下几点。(1)坝址基坑的开挖形状,尤其是坝轴线上游部位的基坑几何形状,对上游垫层料的变形、乃至上覆混凝土面板的变形起着重要的影响作用。基岩和堆石料的变形模量相差甚大,以水布垭面板坝为例,截至2006年11月,下游坝脚处测得的基岩最大沉降变形约为1mm,坝基经过强夯后保留的覆盖层最大沉降变形约为97mm,坝体堆石体的最大沉降变形达2200mm左右。通过比较可以看出,堆石体和基岩的变形相差甚大,基岩的变形可以忽略。从辛戈坝和伊塔佩比坝的观测资料可以看出,在上游基坑开挖边坡发生突变的部位,往往会引起堆石料与基岩之间的不均匀变形,从而可能导致垫层料和面板的裂缝。这个问题已经引起工程界的重视,并在现今工程的设计中采取平顺过渡的基坑开挖边线等措施,以免基坑突变的几何形状引起面板防渗体系的破坏。(2)河谷的宽窄程度对面板体系变形的不同影响。宽阔的河谷为堆石区和面板的较大变形创造了条件,因此宽阔河谷的面板挠曲变形更加明显,引起周边缝和垂直接缝较大的张开,但垂直沉降和错动较小。相反,狭窄河谷存在拱效应,限制堆石体和面板沿坝轴线方向的水平位移,面板的挠曲变形较小,垂直接缝的张开度较小;但是荷载引起的坝体变形主要集中在垂直沉降上,坝肩附近经常表现为与河谷中心接近的沉降量,导致面板的接缝系统的错动变形明显。这些作用在格里拉斯坝和安奇卡亚坝表现得较为明显。(3)在岸坡发生转折处,面板及接缝系统往往最为薄弱和可能出现缺陷。主要有两种情况,一是面板发生起壳,脱皮等被压碎的状况,这通常发生在上缓下陡的地形:反之,在上陡下缓的地形情况下,在转角处的上部易发生周边缝和垂直接缝系统的张开。3岸壁摩擦接触模拟分析3.1接触条件的确定关于基坑开挖形状对面板的影响,工程界已经达成共识,并采取了相应的对策,不再赘述。针对河谷岸坡的地形对面板体系的影响,下面将采用一种摩擦接触的方法加以分析论证。在通常的土石坝数值分析中,将堆石体与岸坡的接触视为固结,即岸坡边缘的堆石体结点是固定的。从堆石坝的工程实践来看,堆石体与坝肩岸坡之间实际是一种摩擦接触关系,这种接触的特点主要反映在两方面,首先相对于堆石,岸坡岩体可以看作刚性介质,无需研究其变形;另外,河谷岸坡一般都是正坡(工程中对局部反坡将作专门处理),因此堆石体产生沿岸坡的剪切滑移或错动一般都是压剪状态。此时即使存在剪切错动薄层,也不会对尺度较大的实体堆石单元的刚度产生明显的影响。根据以上分析,采用可以沿接触界面滑动的支座来模拟堆石与岸坡的接触,即假定与岸坡接触的堆石单元结点在岸坡的法线方向固定,而在沿岸坡的切线方向可以滑移。此外,接触面采用刚塑性模型,当剪应力τ≤τf(剪切破坏强度)时,结点固定,而τ>τf时,结点在切线方向可以滑移。根据上述模型,则坝体堆石与坝肩岸坡的摩擦接触状态的判别标准为:当FT≤N·tanψ时,结点处于固定状态;当FT>N·tanψ时,结点处于滑移状态,且受到超值切向荷载(FT-N·tanψ)的作用。其中:ψ为岸坡与堆石的接触摩擦角;FT为堆石沿岸坡斜面的切向分力;N为垂直于岸坡斜面的法向分力。随着时间的推移,岸坡与堆石体的接触摩擦强度可能发生衰减,堆石体与坝肩的摩擦接触状态也会随着改变,最终达到一个稳定的状态。因此在岸坡摩擦接触分析中,建立了岸坡与堆石体之间的接触摩擦角ψ的衰减模式。堆石与岸坡之间的接触摩擦角ψ随时间的变化关系,选用指数型衰减曲线:ψ=ψf+(ψ0-ψf)e-ct(1)ψ=ψf+(ψ0−ψf)e−ct(1)其中:ψ0为初始接触摩擦角;ψf为强度衰减后的最终接触摩擦角;c为衰减参数。在有限元计算分析中,考虑大坝填筑至水库蓄水过程中每一荷载增量的持续时间很短,坝肩与堆石体间的接触摩擦强度不发生衰减,保持初始摩擦角ψ0,堆石体在荷载增量的作用下产生瞬时变形,并且堆石与坝肩的接触在ψ0下迭代至稳定状态;在蓄水以后,随着时间的推移,堆石与坝肩之间的接触摩擦角发生衰减至ψf,堆石体在此过程可能发生滑移并最终达到稳定状态。在堆石坝的变形有限元数值分析中,以整体坐标系oxyz建立平衡方程求解。由于采用接触模型模拟堆石与坝肩的接触,须要沿岸坡斜面进行摩擦接触条件的判别,因此涉及到由沿岸坡斜面的局部坐标系向整体坐标系转换的问题。设整体坐标系为oxyz,其中x轴为坝轴线方向,y轴为指向下游方向,z轴为竖直方向。局部坐标系为ox’y’z’,x’为沿岸坡斜面方向,y’为指向下游方向,z’为岸坡斜面的法向方向。从整体坐标系到局部坐标系的转换关系为:{x′y′z′}=L{xyz}‚L=[l1m1n1l2m2n2l3m3n3](2)⎧⎩⎨⎪⎪x′y′z′⎫⎭⎬⎪⎪=L⎧⎩⎨⎪⎪xyz⎫⎭⎬⎪⎪‚L=⎡⎣⎢l1l2l3m1m2m3n1n2n3⎤⎦⎥(2)其中,li(i=1,2,3)为局部坐标系的各轴与x轴的方向余弦,mi(i=1,2,3)为局部坐标系的各轴与y轴的方向余弦,ni(i=1,2,3)为局部坐标系的各轴与z轴的方向余弦。以x′方向为例,岸坡处堆石单元沿岸坡斜面上的法向应力σz′和切向应力τx′z′、τy′z′的计算公式如下:{σz′τx′z′τy′z′}=[l3m3n3l1m1n1l2m2n2]⋅[σxτyxτzxτxyσyτzyτxzτyzσz]⋅{l3m3n3}(3)⎧⎩⎨⎪⎪σz′τx′z′τy′z′⎫⎭⎬⎪⎪=⎡⎣⎢l3l1l2m3m1m2n3n1n2⎤⎦⎥⋅⎡⎣⎢σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz⎤⎦⎥⋅⎧⎩⎨⎪⎪l3m3n3⎫⎭⎬⎪⎪(3)例如对岸坡处堆石单元m,其沿岸坡斜面的正应力为σmz′,剪应力为τmx′、τmy′,s为单元与岸坡的接触面积,岸坡接触摩擦角为ψ,当|τmx′|>|σmz′|·tanψ时,单元m产生切向滑动力Tmx′:Τmx′=s⋅τmx′|τmx′|(|τmx′|-|σmz′|⋅tanψ)(4)当|τmx′|≤|σmz′|·tanψ时,Tmx′=0。y′方向τmy′、Tmy′的判断和计算遵循与x′方向相同的法则。然后,将滑动力Tmx′、Tmy′转换到整体坐标系中:{ΤmxΤmyΤmz}=[l1l2l3m1m2m3n1n2n3]{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′0}(5)对结点作用力进行单元叠加,如结点i:Τix=∑mΤmx,i,Τiy=∑mΤmy,i,Τiz=∑mΤmz,i,m=1,2,⋯Ν(6)然后进行总体刚度矩阵的集成和求解,步骤同有限元法的基本原理,不再详述。3.2堆石体坝肩滑移对不同坡度的坝肩岸坡(1∶0.6、1∶1.0、1∶1.5)与堆石坝体之间采用摩擦接触模型,进行坝轴线纵剖面的有限元变形分析(H=150m,见图8)。某面板坝工程堆石料的清华非线性K-G模型参数见表1,计算位移见表2。图9、图10为岸坡坡度为1∶0.6的坝轴线纵剖面堆石体的计算变形分布情况。在对称的地形条件下,堆石体变形也呈对称分布。在坝体竣工以后,随着岸坡接触摩擦角的衰减,堆石体沿岸坡发生一定数值的滑移。从不同坡比的计算结果比较可得,坝体的沉降与坝高成正比而与两岸岸坡的坡度关系不大,但堆石体的水平位移随岸坡坡度变陡而变小,显示了坝肩的拱效应。另外,我们发现,随着岸坡坡度从1∶0.6逐步放缓至1∶1.0、1∶1.5,堆石体沿岸坡的滑移也逐渐增大,从11.26cm增大到20.59cm和24.03cm。从这里可以看出,窄河谷坝肩对堆石体的拱效应是不会随着岸坡摩擦角的衰减而消散的,不论是竣工期还是最后的稳定期,窄陡岸坡地形的堆石体变形都要小于宽缓河谷。另外,为分析岸坡转折的地形对面板防渗体系的影响,参照里苏坝的地形特点,拟定了150m高的具有转折岸坡的典型堆石坝的最大纵向剖面(图11)进行考虑岸坡摩擦接触的平面变形分析,参数见表1。从计算结果可见,坝体竣工时沉降与水平位移的分布与通常接近(见图12),坝体最大沉降69.58cm。当岸坡的接触强度发生衰减(ψ从45°减到40°)时,由于堆石体沿岸坡发生滑移,坝体变形有所增加,坝体最大沉降增至84.44cm(见图13)。从图14可以看出,堆石体沿岸坡发生了明显的位移增量,左岸坝肩的水平方向滑移最大为6.15cm,竖直方向滑移最大为10cm。右岸在上部的较缓岸坡上水平方向滑移最大达到78.41cm,竖直方向的滑移在岸坡转折处达到42.86cm,引起该部位堆石体向坝坡面外凸出,影响到外覆面板,导致面板起壳脱皮。4工程措施进行改进本文通过对复杂地形条件下已建面板坝工程实际性状的分析,认为河谷地形对面板防渗体系的不利影响主要体现在:基坑开挖形状的突变往往会导致堆石体的不均匀变形,坝肩岸坡发生转折处往往会出现面板的应力集中及接缝系统的破坏。通过模拟堆石体沿岸坡的滑移,作者认为宽阔河谷为堆石体的较大变形提供了条件,面板的挠曲变形和接缝系统的张开较大,狭窄河谷的拱效应限制了堆石体的水平位移,因此面板的挠曲变形和接缝系统的张开度较小,但是沉降和错切变形要慎重考虑。通过对岸坡转折地形的变形模拟分析,解释了堆石体沿岸坡的