高土石坝的混凝土防渗墙设计

高土石坝的混凝土防渗墙设计

0混凝土防渗墙在节水工程中，混凝土防渗透墙通常用于处理深层覆盖层的深层土坝。通常情况下,基础覆盖层中仅需建造一道混凝土防渗墙即可满足防渗要求,而有些工程因受地质条件、施工质量等的影响,需要布置两道混凝土防渗墙。混凝土防渗墙底部嵌入基岩,顶部深入心墙内,防渗墙不但要承受水压力作用,还要承担部分坝体的重量以及防渗墙与周围土体因相对位移而在防渗墙表面产生的摩擦力作用。这种混凝土防渗墙与坝体、坝基的联合作用,使得防渗墙的应力和变形比较复杂。为了解此类混凝土防渗墙的应力和变形,通过三维渗流分析,确定心墙和防渗墙在蓄水期所承担的水压力,进行三维非线性有限元计算分析,进而研究坝体特别是混凝土防渗墙的变形和稳定,具有重要的工程实际意义。1坝体基础河口基岩混凝土防渗墙和深墙的建设某工程挡水建筑物为壤土心墙土石混合坝,坝顶高程710.0m,坝顶长297.36m,最大坝高101.8m,河床覆盖层深25~34m,心墙基础河床部位建于天然砂砾石冲积层上,坝基高程610m,混凝土防渗墙沿坝轴线布置,墙顶高程630m,插入基岩,墙体宽0.13m(以下简称宽墙)。后由于施工过程中大坝存在严重质量问题,在653m高程以下离坝轴线下游12m增设一道宽0.08m直达河床基岩的混凝土防渗墙(以下简称深墙),最大墙深68.5m,其中位于坝体部分高43m。大坝典型剖面简图如图1所示。2有限模型2.1材料特性模型坝体和覆盖层材料按非线性考虑,本构模型采用邓肯-张非线性E-B模型,此模型参数的物理意义明确,并能较好地反映土体应力应变的非线性特性,已被普遍使用,不再赘述。防渗墙、防浪墙等混凝土材料、基岩以及墙底沉渣采用线弹性本构模型计算,服从广义胡克定律。材料参数如表1所示。考虑两种材料的接触特性,在壤土心墙与反滤料之间、壤土心墙与防渗墙之间、防渗墙与坝基覆盖层之间、防渗墙与基岩和沉渣之间设置了接触面单元,其切线剪切模量按下式计算。接触面参数如表2所示。式中:Ks、ns、Rfs为无因次非线性指标,τ、σn为接触面抗剪强度和接触面的法向强度,cs、δ为接触面的抗剪强度指标和外摩擦角,γw为水的容重,Pa为大气压力。2.2连续工艺模型根据实际情况,计算模型的边界条件如下:上、下游的截取边界为顺河向的连杆约束;左、右岸截取边界为沿坝轴线方向的连杆约束;模型底部为固定约束。为较精确地计算坝体的应力与变形,模型详尽地模拟了坝体的几何形状及其各材料分区。生成的有限元网格结点总数为31523个,单元总数为30087个,接触面单元共1320个,以及防浪墙分缝的接缝单元共89个。计算模型三维有限元网格如图2所示。3负荷模拟和分类3.1土壤渗流与水压力大坝建有宽、深两道混凝土防渗墙,为了较准确地考虑作用在坝体及其混凝土防渗墙上的上、下游水压力荷载,首先进行三维渗流分析,以确定作用在宽、深两道防渗墙上的水压力荷载。渗流计算时所用的渗透系数参考该工程的渗流文献资料。根据三维稳定渗流分析,壤土心墙和防渗墙均可按不透水材料考虑。上游水压力作用在心墙上游侧、宽防渗墙上游的心墙底面以及宽防渗墙上游侧,壤土心墙底部高程620.00m以下的宽防渗墙下游侧、深防渗墙上游侧的水压力强度由渗流分析确定,深防渗墙下游侧水压力强度亦由渗流分析确定,典型剖面的位势分布如图3所示,它们均以分布面力的形式考虑。根据渗流分析成果,宽、深两道混凝土防渗墙承担的作用水头分别为60%和40%。3.2计算结果及位移坝体自重分层逐级施加,并且按不同分区材料的容重来计算。在计算单元自重时,蓄水前坝体按湿容重计算,蓄水后上、下游坝壳在库水位以上部分按湿容重计算,而在浸润面以下的上游坝壳料按浮容重计算,壤土心墙及下游坝壳料在浸润面以下下游水位以上部分则按饱和容重计算。河床覆盖层深25.00~34.00m,认为其早已完成固结。计算时,首先考虑基岩自重,然后将覆盖层作为一级荷载施加,计算其应力,并将其作为初始地应力。基岩和覆盖层产生的位移则忽略,即该级荷载计算完成后各结点位移归零,以后计算的结点位移均是填筑坝体和蓄水产生的位移。根据大坝实际的施工、蓄水过程,共分19级荷载级模拟坝体施工和蓄水。第1级为加载地基(包括坝基岩体和河床覆盖层),以计算基岩和河床覆盖层的初始应力,随后18级用以模拟大坝施工过程和蓄水过程,其中第2级至第16级模拟坝体施工和防渗墙浇筑过程,坝体填筑共有13级,另外两级分别为两道混凝土防渗墙(坝轴线处的宽防渗墙为第4级,坝轴线下游处的深防渗墙为第10级)的浇筑。混凝土浇筑通过置换混凝土所在位置的单元材料号完成,坝顶混凝土防浪墙与坝体填筑层一起作为竣工期的第16级荷载,最后3级模拟水库水位上升过程,即上游库水位依次蓄至650.00m、680.00m和正常蓄水位707.00m,下游水位为617.00m。第19级为稳定渗流期荷载。4混凝土防渗墙应力变形等值线图大坝竣工期和运行期的应力变形结果见表3。典型剖面坝体、混凝土防渗墙的应力变形等值线图如图4~5所示,其中,顺河向水平位移以指向下游为正,坝轴线向水平位移以指向左岸为正,垂直位移以向上为正。应力以压应力为正,以拉应力为负。4.1水压力作用下坝体沉降和应力分布竣工期,顺河向水平位移最大值出现在上、下游边坡的中下部,并且向下游的水平位移略大;另外,受上游坝壳领先填筑的影响,整个心墙和靠近坝轴线附近的上游坝壳中下部的位移都指向下游;运行期,顺河向指向下游的位移范围略有增加,主要为上游坝壳顶部,受水压力作用,上游坝壳指向上游的位移显著减小,而下游坝壳指向下游的位移则有较大增加。插入心墙底部的两道混凝土防渗墙的刚度显著高于坝体填料,它们对坝体的变形具有限制作用。另外,两道混凝土防渗墙插入壤土心墙的深度不同,坝轴线处的混凝土防渗墙插入的深度较小,因而上游坝壳的沉降略大于下游坝壳的沉降,因此坝体的最大沉降发生在河床中部靠近坝轴线附近的上游坝壳内。运行期,在水压力的作用下,最大沉降的位置比竣工期有所下移。竣工期、运行期坝体的最大沉降分别约占最大坝高的1.1%、1.2%。竣工期,坝体应力基本上按照坝高分布,上下游坝壳的最大主应力均发生在坝体底部、坝轴线附近。坝壳内应力等值线呈平行坝坡分布,只在防渗墙附近,由于受到防渗墙的影响,稍偏向防渗墙。运行期,由于水压力的作用,上游过渡层的应力集中现象基本消除,而下游过渡层的应力集中现象更加显著,坝壳的大、小主应力等值线分布规律与竣工期基本相似。上游坝壳受到浮力的影响,坝料有效容重减小,坝壳大、小有效主应力均减小;相反,下游坝壳极值有所增大,但总体上坝体应力变化不大,且上下游坝壳的最大主应力位置与竣工期也基本相同。运行期,下游坝壳应力水平稍有降低,上游坝壳的应力水平增大,这是由于蓄水后心墙在水压力作用下向下游位移,使得上游坝壳的小主应力相应减小,也就是心墙向下游位移带动上游坝壳向下游位移,但不会导致上游坝壳向上游的整体滑动。从应力水平分布来看,无论竣工期还是满蓄时,堆石单元的剪应力水平都小于1.0,坝体内部没有出现明显的剪切破坏区,表明坝体在目前荷载情况下是稳定的。4.2坝高以下土壤温度对心墙的影响竣工期大部分心墙的顺河向位移指向下游;运行期,受水压力作用,整个心墙的顺河向水平位移指向下游。当水位蓄至650m时,上游坝壳浸水变形效应与心墙上游侧面和底面遭受库水压力的效应同时存在,心墙位移与竣工期相差不大,随着水位的继续上升,作用在心墙上的水压力逐渐占主导地位,心墙向下游位移显著增大。由于心墙底部两道混凝土防渗墙的支撑顶托作用,一半坝高以下的壤土心墙沉降要比同高程处的过滤层沉降稍小。在坝轴线处的混凝土防渗墙插入心墙的深度较小,且防渗墙的顶部高程沿着坝轴线方向从左岸到右岸逐渐变化,分别为630m、625.5m和624m,使得心墙的最大沉降发生在坝轴线上游侧高程670m附近,由于心墙的模量最低,心墙的沉降显著大于坝壳。竣工期,心墙的最大沉降发生在河谷最深断面高程为670m、靠近坝轴线的上游心墙内;运行期,上游坝壳由于浸水变形,随着水位的上升,上游坝壳的沉降也逐渐增大,心墙的最大沉降发生在河谷最深断面、高程约为657m的心墙上游侧附近。竣工期,受到心墙拱效应的影响,心墙内的主应力较同高程处的过渡层稍小,在深防渗墙顶以下,由于受其影响,坝轴线上游侧的应力一般略高于下游侧。竣工期与运行期,尽管心墙应力比过渡层的应力小,但并没有出现拉应力,因此,心墙不会产生拉裂缝。由于心墙的强度、模量较低,适应变形能力较好,竣工期、运行期心墙的应力水平均较低,表明心墙在目前荷载情况下是稳定的。4.3施工期主应力分析受上游坝壳料领先填筑的影响,两道防渗墙竣工期和运行期的顺河向位移都指向下游,最大值发生在防渗墙的顶部。防渗墙竖向位移最大值亦发生在防渗墙顶部,位移的大小与高程成正比。竣工期,防渗墙上、下游面的垂直正应力变化规律相同,应力大小与高程基本成反比,同高程处下游面的垂直正应力稍大于上游面,最大值均发生在防渗墙底部附近。由于两道防渗墙的刚度显著高于覆盖层和坝体填筑料,施工过程中,防渗墙承受着其顶部坝体传来的相当大的重力荷载,使得墙在竣工期主应力值较大。竣工期,两道防渗墙主应力在墙面和土体无相对位移点以上随深度而增大,以下则反而有所降低;运行期,随着库水形成稳定渗流,两道防渗墙的最大主应力均小于竣工期,而小主应力却逐渐增大,宽防渗墙承担的水头大,因此宽防渗墙的应力变化速率大于深墙。5防渗墙的水压力(1)在高土石坝心墙下布置两道防渗墙可分担作用在防渗墙上的水荷载,有利于减小上游防渗墙所承担的水压力,另外,以分布