混凝土面板堆石坝的稳定性分析

混凝土面板堆石坝的稳定性分析

目前，混凝土板堆垛石坝（crfd）仅根据实践经验进行设计，无理论依据。在大多数情况下,数值模型的使用受到限制,只用于弹性分析,在水库初期蓄水时可预报大坝的位移,有时也可用于对大坝整个运行期的性状进行监测。这种大坝的表观安全性和难以获得高质量的试验资料是我们做进一步研究的理由。CRFD坝初期蓄水时,常伴有渗水,有时渗水量很大,这就影响了大坝的运行,减低了大坝的运行效益,采取补救措施则需要花费很多钱,且这些补救措施还不一定有效。因此,有些业主错误地认为渗漏是CRFD坝天生的缺陷。但是,仍可以获得更好的结果。本文对系统地采用CRFD坝施工期、蓄水期、运行期获得的实际经验来更可靠地预测CRFD坝的性能进行了探讨。本文所用方法的依据是堆石坝特性的规律,因此要求从一开始就需要实施一项合适的监测方案,这样,用适当的方法测得的成果就可以弥补实验室试验数据不足的缺陷。1坝体材料稳定性的影响从本质上来说,CRFD坝是一种非常安全的坝型,其理由是:(1)分区堆石坝完全位于防渗系统的下游,因此原则上讲是不漏水的;(2)施工期间不存在危及大坝稳定性的孔隙压力问题;(3)堆石坝是稳定的,即使漏水也是稳定的;(4)水库蓄水较少时,施加在坝基上的增量应力相对较小,有集中于坝轴线上游部分的趋势。不过,应该注意,只有在以下情况下才达到这种相对的稳定性:(1)坝基不易受到冲蚀;(2)位于上游面板之下的过渡区能很好地控制流过面板和/或周边缝的渗水(即不会因为夹带走细粒料而产生破坏);(3)坝体材料能自流排水,即不会阻挡渗水(假如大坝由冲积材料建成,则其风险是相当大的)。在对CRFD坝的这种表观固有的安全性重新进行评价以后,设计者优先考虑的是降低施工费用:(1)使用风化材料,并在无水情况下将其压实成厚层来形成下游坝壳(按标准分类法,此类材料属于3C材料);(2)增加3C材料所占的比例,即减少坚硬堆石在主坝体中的比例,并缩小面板以下材料和上游堆石之间的过渡区;(3)增大下游面坡度,减少堆石的总体积,将稳定性作为唯一的设计标准(且在坝基允许的情况下,使用堆石静止摩擦角)。在某些情况下,这些概念性的详细修正综合考虑了大坝施工期和蓄水期的工况。下面通过对4座大坝(墨西哥阿瓜米尔帕坝,巴西辛戈坝,中国天生桥1号坝和巴西伊塔坝)工况的分析来说明这些情况。1.1混凝土面板增长情况在该坝投运的第二年(1994年),大坝下游的渗漏率突然从4L/s增大到260L/s,然后又减少。这种现象于1996年和1998年又重复出现过两次,1997年渗漏率稍微减小了一些。当库水位达到220m高程时(即坝顶以下15m时),渗漏率系统地增加了。1997年,在混凝土面板上发现了两排连续的水平裂缝,一排位于坝顶以下55m高程处的大坝中心部位,另一排在坝顶以下40m处,沿着整个坝面向外扩展。埋在大坝内的仪器探测到靠近坝顶三分之一处(即出现裂缝的区域)面板的曲率发生了变化。裂缝是由面板顶部(坝顶以下30m)的凸曲率产生的弯矩造成的。下游坝壳与大部分上游坝壳堆石的变形模量不同是大坝出现各种变形的原因。1.2混凝土面板上出现的裂缝1993年5月,大坝施工中,还未铺设混凝土面板时,左岸过渡区材料中就出现了平均宽约2cm的垂直裂缝。用砂将这些裂缝填了起来,并对上游面重新进行了修整,在铺面板之前用振动碾进行了压实。水库蓄水时,大坝下游渗漏量最大达到了210L/s,并在左岸的面板上发现了裂缝。从坝顶向面板上倒砂,将裂缝堵住。根据变形程度的不同,施工期间出现裂缝的原因可能有两个,一是左岸坝基内岩石隆起,二是Ⅲ区(上游堆石区)和Ⅳ区(下游堆石区)材料的变形程度不同。水库蓄水以后也检测到面板上出现了裂缝,其原因是该部位沉陷过大,据此可以认为,沉陷过大会导致面板挠曲。认为引起沉陷的原因与施工期引起裂缝的原因相同,即Ⅲ区和Ⅳ区堆石变形程度不同,以及坝基岩石突出。1.3堆石变形引起的垂直裂缝在天生桥1级坝的水库蓄水并将库水位降到坝顶以下70m后,上游面出现了水平裂缝。坝顶以下55m和45m处出现的裂缝最多,这两处刚好位于面板二期施工缝的下面。该工程采用分期施工首先填筑上游坝壳的堆石,以便铺设面板。在填筑下游坝壳的堆石时,每一施工期在过渡区材料中均系统地出现了垂直裂缝。过渡区出现的这些垂直裂缝被认为是由于刚性较大的面板/过渡系统与易受到下游侧荷载作用的堆石坝壳之间的不均匀变形引起的。这些裂缝向坝内扩展的深度达到了10m,宽度达到了15cm。施工缝以下(分期施工高程以下)面板上出现的水平裂缝可能是由施工过程中堆石变形产生的弯矩而引起的。最大的裂缝出现在坝顶以下30m处,该处刚好位于上游坝壳3B材料和下游坝壳3C材料变形能力之差增大的区域。1.4坝体裂缝系“挠曲”的产生机理在蓄水期间主坝下游渗漏率急剧增大到1781L/s后,决定进行水下勘察。通过勘察,发现在趾板以上20～30m有几条裂缝,这些裂缝与坝基平行,并横跨坝体全宽。由于有保护周边缝的填料,不能确定这些裂缝是否穿过大坝中部。还发现左岸垂直缝中的止水环坏了。为了处理裂缝,将粉沙和砂料撒布在受影响的面板上,使渗漏率降到250L/s。水库蓄水期间对大坝进行的监测表明,下游坝壳发生了明显沉陷,使坝顶处沉降达60cm,坝顶附近面板偏移达70cm。在仪器监测的坝段还发现了裂缝区的面板发生了挠曲。可以得出结论,趾板以上约20m处的面板出现的系统裂缝是由于面层弯曲和形成的负弯矩所引起的。面板产生挠曲最初是由上游坝壳堆石料与过渡区材料之间的不均匀变形引起的,后来因下游坝壳过度沉陷而进一步恶化。不能忽视这样一种可能性,即坝基受到了大坝整体沉陷的影响,尤其是在面板裂缝和偏移最大的右岸更是如此。2大坝的维修状况从以上4个实例可以看出,上下游坝壳堆石或上游堆石与过渡区之间变形能力的不一致是导致混凝土面板出现裂缝的主要原因。为控制渗漏,这4座大坝都进行了维修。从未对这4座大坝的安全产生过怀疑,因为筑坝材料可以让水自由流过,不会造成任何破坏,但就这种坝型及其功能而言,其渗漏率确实太高。此外,现在流行的趋势是可以接受较高的渗漏率,亦即渗漏不会产生危险。重要的是,必须减少渗漏,因为渗漏不仅会降低大坝设计者的水平(从专业思想和诚信角度看),而且还会对大坝管理者造成损失(主要指水量损失),另外还会产生基础耐久性问题。3现场材料特性的确定在以上4个实例中,数值分析可以用在以下两个方面:(1)辅助设计,使用现有实验室的试验成果或碾压试验成果确定现场材料的特性;(2)根据仪器的测量结果,解译大坝的性状,并对大坝进行监控。本文介绍伊塔坝使用GEFDYN软件进行数值分析的情况。3.1cprd水库辅助设计3.1.1高坝坝体结构温度和变形模量的特征分析用4组变形特性指标对伊塔坝蓄水期间的性状进行了4种弹性分析(表1)。情况1的弹性模量是根据目前CFRD坝蓄水期模拟经验,把根据施工期现场实测沉陷所确定的弹性模量乘以系数2得出的。弹性模量出现这样大的差别是由于压实堆石的各向异性变形性的可能影响或应力状态球形化引起的偏卸荷(这种卸荷会产生较高的弹性模量)造成的,尽管其物理机理还不十分清楚。根据同样的实践经验,所用泊松比为0.1。尽管大多数堆石坝的变形是不可逆的,但第一阶段仍选用了弹性模型,这是因为使用结果非常简单。施工期弹性模量使用放大系数并取泊松比为0.1是存在争议的,目前还未得到证实。这种标准的模拟方法实际上是对几座已建大坝性状进行统计分析的结果。因此,应该用与一般性假设有关的限制条件(实际上就是使用弹性模型)对这些结果进行分析解释。图1示出了通过分析得到的上游面板的垂直位移和弯矩。上游面板的各种变形使趾板附近的曲率变化,其弯矩为正值。弯矩有2个最大值。第一个最大值出现在260m高程原先的面板上,它是由于地基开挖引起趾板下游地基裂缝而造成的。第二个最大值出现的位置相应于地基、材料E1和材料E1A3个面交界位置的正交投影。对于情况1～3,材料E1和E1A的弹性模量之比均为4。从图1中可以清楚地看出弹性模量之比对弯矩演变的影响。垂直位移δn可用下式进行初始近似计算:式中E是垂直于面板方向高为H的倾斜柱体的等效变形模量。因此,最大挠曲的位置与HwH/E的最大值呈正比,即对于非分区坝而言,其位置刚好位于大坝一半高程处。若下游坝壳填筑材料的变形模量比上游坝壳的小,则截断下游坝壳的柱体的等效变形模量E将较小(即EA>EB)。从变形之差来看,最大挠曲出现的位置应该是以前确定的最大挠曲位置之上。如果上下游变形模量之差很大,则面板的曲度会发生变化。邓肯提出的双曲线模型(其变形模量取决于应力的大小)是解决此问题的一个较好的方法。图2示出了用沉陷仪和伸长计原位观测到的垂直于面板的位移。从图中可以看出,就质量而言,弹性模型得到的变形不能反映面板的变形(计算出来的最大挠曲位置位于大坝中间高程处,而监测结果位于大坝顶部附近);就数量而言,它低估了坝顶处的位移。事实上,像上面所给关系式一样,弹性模型所获得的大坝位移随水位而变化的幅度不是很大。在大坝中心线上游的堆石底部,堆石料受到侧限作用的影响,弹性律给出了正确的反应:材料的应力状态与压缩仪测得的状态平行。在顶部和下游边附近,应力较小,其摩尔滑动圆更接近于极限圆。弹性模型未准确考虑偏应力的作用,因此低估了大坝的变形。所以,不能用弹性模型对下游坝壳的作用尤其是下游面形状的影响进行研究。3.1.2维弹塑性分析为研究下游面形状对大坝整体工况的影响,对以下两种情况进行了分析:(1)与伊塔坝下游面实际坡度(平均坡度1.3H/1V)相对应的戗道之间的下游坡度(1.2H/1V);(2)戗道之间的下游坡面坡度1.4H/1V(平均坡度1.5H/1V)。计算内容包括对平面变形进行二维弹塑性分析。假定下游堆石临界状态时的摩擦角为40°(大坝失事时的摩擦角随侧限作用的增加而减小,趋近于渐近值,即接近临界状态时的摩擦角)。图3所示为垂直于面板位移的两个数值分析的结果。就伊塔坝而言,坝顶处的最大垂直位移值减小了13cm。在坝的上半部(此处弹性模型失效),下游面的形状对面板位移的影响非常明显。原因很简单:下游坝坡很陡,减少了大坝体积,因此其重量对静水推力(该推力会引起下游坝壳产生较大的位移)的抵抗作用,反过来会对坝顶附近的面板产生更大的挠曲。实际上,变形是由坝肩连接处在极限状态下出现局部不稳定而引起的。因此,在设计CFRD坝的下游坡面时,应考虑下游坡面对面板位移的影响,因为过大的位移会引起垂直缝或周边缝失效,且会在面板中形成裂缝。如果大坝的内部分区会在面板顶部产生负的弯矩(如阿瓜米尔帕坝),则这种解释更为有效。节约成本与出现裂缝的风险之间的关系必须加以仔细研究。3.1.3堆石的制作CFRD坝中出现的大多数止水故障一般位于面板与面板之间接缝处。多年来,根据止水方式是开放的还是封闭的,采取不同的处理方式。这种区别要预先假定,至少要知道相对位移是正还是负,才能用3D数值模型准确地表示出来(用该模型,堆石的力学特性、大坝确切的几何形状、施工分期等均可准确表示出来)。3D模型已经获得了应用,但还要做更多的工作。3.1.4材料特性及挤压特性为了说明数值分析在大坝监测中的作用,对伊塔坝的主坝作了反分析。率定了Aubry-Huheux弹塑性模型(多机理塑性),以使仪器在施工期和蓄水期记录到的位移分布公式达到最佳。该模型能够正确反映各施工期的情况:优先坝段的施工、过渡区施工和填筑竣工以及混凝土面板的施工。面板用梁元法进行模拟。而水库蓄水则是在网格的上游面施加合适的静水压力进行了模拟。根据用反分析法(模拟三轴试验或压缩试验)获得的参数对每种材料的特性进行了研究。图4示出了E2区和E3区材料的力学性能,而图5则示出了两坝肩接触处出现严重挤压时风化堆石的材料特性。表2示出了材料分类及碾压方法。根据马萨尔1973年所做的研究,将接触点打湿并将材料进行均匀分级(减少坝壳之间接触点的数量,因此作用在这些接触点上的力增加了)可减轻坝壳的挤压。所以,伊塔坝蓄水期下游坝壳的过度沉陷可以用坝壳之间接触点处发生严重挤压来解释,它是由以下原因造成的:(1)坝内水位上升,它是由于上游面或基础出现渗水引起的,或是因尾水位抬高(水库蓄水期间下游围堰漫顶)使下游面被淹所致。(2)所用堆石的级配太均匀,再加上碾压不密实(喷水不好或是碾压层太厚),从而使现场材料中孔隙比较高。4正确处理面形状的选择与监测的关系对伊塔CFRD坝进行的数值分析可以得出以下结论:(1)在蓄水期,如果各种筑坝材料变形能力不一,组成CFRD坝坝体的分区堆石料发生变形会使混凝土面板产生局部裂缝;(2)由于应力状态接近于其极限状态,因此弹性模拟不能准确的代表下游坝壳的变形;(3)下游坝壳材料及下游面形状的选择都必须慎重考虑,这与平常的情况刚好相反;(4)就伊塔坝而言,用弹塑性模型通过反分析对监测资料进行的分析表明:下游坝壳的过大沉陷是由于坝壳之间接触点挤压引起的。这种挤压现象使坝内水位抬高,并使现场材料的孔隙比增