九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究
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水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第 3期 九甸峡混凝土面板堆石坝河床 防渗结构研究 吕 生 玺(1 河海大学 水利水电工程学院,江苏 南京2 1 0 0 9 8;2 甘肃省水利水电勘测设计研究院,甘肃 兰州7 3 0 0 0 0)摘要:九句峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝坝址河谷狭 窄,岸坡陡峻,河床分布深厚覆盖层。根 据地形地质条件,采用了大坝直接修建在覆盖层上的方案,其河床防渗的结构形式是整个大坝防渗系 统的关键。设计考虑了单防渗墙柔性连接、双防渗墙柔性连接、双防渗墙刚性连接等3个方案,采用 三维非线性有限元方法,对各个方案坝体和面板的位移反应、应力反应,以及周边缝和面板接缝的位 移反应等进行 了计算分析。研究了不同方案的特点和规律,确定了合理的设计方案,经实施验证,效 果良好。关键词:九甸峡混凝土面板堆石坝;趾板;防渗墙;柔性连接;刚性连接;应力应变 中图分类号:T V 6 4 1 4 3(2 4 2)文献标识码:B 文章编号:1 0 0 0 0 8 6 0(2 0 1 0)0 3 一 O O 6 4 0 4 S t u d y o n i mp e r v i o u s s t r u c t u r e o f r i v e r b e d f o r c o n c r e t e f a c e d r o c k-伽 d a m o f J i u d i a n x i a Wa ter C o n t r o l P r o j e c t L 0 S h e n g x i (1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g,H o h a i U n i v e r s i t y,N a n j i n g 2 1 0 0 9 8,J i a n g s u,C h i n a;2 T h e Wa t e r R e s o u r c e a n d H y d r o p o w e r D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G a n s u,L a n z h o u 7 3 0 0 0 0,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o n c r e t e fac e d r o c k f i U d a m o f J i u d i a n x i a Wa t e r C o n t r o l P r o j e c t i s l o c a t e d a t a n a r r o w v a l l e y w i t h s t e e p s l o p e s o n b o t h the b a n k s a n d d e e p o v e r b u r d e n u p o n t h e ri v e r b e d I n a c c o r d anc e wit h t h e g e o l o g i c a l and t o p o g r a p h i c c o n d i t i o n s the r e i n,a s c h e me o f b u i l d i n g t h e d a m d i r e c t l y O l l t h e o v e r b u r d e n i s a d o p t e d,and t h e n t h e p a t t e r n o f the i mp e r v i o u s s t r u c t u r e f o r the ri v e r b e d b e c o me s t h e k e y l i n k o f the w h o l e an t i s e e p a g e s y s t e m o f t h e d a mT h e r e f o r e,t h r e e s c h e me s,i e s i n g l e c u t o ff w a l l wi t h fl e x i b l e j o i n t,d o u b l e c u t o ff w a l l w i t I l fl e x i b l e j o i n t a n d ri gid c u t o ff w al l a r e c o n s i d e r e d d u ri n g t h e d e s i gn c o n c e rne d;for w h i c h t h e d i s p l a c e me n t r e s p o n s e a n d s t r e s s r e s p o n s e o f b o t I I t h e d a m b o d y a n d t h e f a c e s l a b a s w e l l as t h e d i s p l a c e me n t r e s pon s e s a t t h e pe r i p h e r al j o i n t a n d t h e j o i n t o f t h e d a m s l ab are c a l c u l a t e d and a n al y z e d wit h 3 D n o n l i n e ar fi n i t e e l e m e n t m e t h o d f o r al l t h e s c h e me s T h e c h a r a c t e ris t i c s a n d】a ws o f e a c h s c h e me are s t u d i e dand t h e n a r e a s o n abl e d e s i g n s c h e me i S c o n s e q u e n tl y d e c i d e d A t l a s t,a b e t t e r i mp e r v i o u s e ff e c t i s d e mo n s tr a t e d t h r o u g h t h e p r a c t i c al v e ri fi c a t i o n K e y w o r d s:J i u d i a n x i a C o n c r e t e F a c e d R o c k-fi l l D am;t o e s l ab;c u t o ff w al l;fl e x i b l e j o i n t;r i gid j o i n t;s t r e s s a n d s t r a i n 1 概述 九甸峡水利枢纽工程是 以城 乡生活供水及工业 供水、生态环境用水为主,兼有农业灌溉、发电、防洪、养殖等综合功能 的大型水利枢纽工程,工程 区位于甘肃省卓尼、临潭县交界处的洮河 中游九甸 峡峡谷进口,距兰州市约 1 9 3 k m。水库正常蓄水位 2 2 0 2 0 0 m,校核洪水位为 2 2 0 5 1 1 m,总库容为 9 4 3 亿 in ,属完全年调节水库,水电站总装机容量 为3 0 0 M W,多年平均发电量 9 9 7亿 k W h,工程 规模为大(2)型。枢纽坝址区河道顺直,岸 坡 陡峭,两岸卸荷裂 隙发育,河床分布深厚覆盖层,设计地震烈度高。枢纽工程包括混凝土 面板堆石坝、左岸 溢洪洞、右 岸泄洪洞、右岸引水发 电系统及发 电厂房等主要建 筑物。九甸峡混凝土面板堆石坝坝顶高程 2 2 0 6 5 0 IT I,收稿 日期:2 0 0 9 1 0-2 8 作者简介:吕生玺(1 9 7 O 一),男,高级工程师,博士研究生。Wa t e rRe s o u rc e s a n dHy d r o p o we tEn g in e e r i n g Vo 1 41 No 3 河床趾板建基高程 2 0 7 3 5 0 n l,最大坝高 1 3 3 m,坝 顶长度 2 3 2 m,坝顶宽度 1 1 m。坝顶上游设 L型 防浪 墙,墙高3 5 m。大坝上游坡比为 1:1 4,下游综合坡 比为 1:1 5,下游坝坡设置宽度为 8 0 m的道路。面 板坝坝基位于覆盖层之上,河床平趾板直接置于覆 盖层之上,为 目前 国内同类 型坝高之最。2 河床防渗结构设计 九甸峡坝址区河床分布深槽,覆盖层最大厚度为 5 4 5 6 m,大致可分 3层,上部 I组(层)岩为崩坡 积块石碎石 土,疏松,成 分为灰岩,大小 混杂,厚 度为河水 面 以下约 61 7 m,不 宜作 为 大坝基 础,设计清除;中层 组岩 为冲积块石砂砾卵 石,厚 度 51 3 m,组成物 以块石碎石为主,卵砾石次之,砂 含量较少;下层组岩为冲积砂砾卵石,厚度 l 2 3 7 m,组成物 主要 为卵石 和砾石,成分 为砂岩、灰 岩、石英岩等,磨圆度较好,多呈浑圆和次圆状,局 部有 2 3 m的孤块石分布,砂 以中粗砂为主,分布 很不均匀,局部地方呈透镜体状富集,坝体范围内一 般厚度几十厘米,连续性差。钻孔揭示河床无成层的 砂层、淤泥层、壤土层分布,基本不存在砂土振动液 化问题。九甸峡坝址区为狭窄河谷地形,两岸岸坡极不 对称,坝基 为深 厚覆 盖层,为 了减少 开挖 工程 量,降低施工难度,针对坝址区地质条件和面板堆石坝 防渗要求,坝轴线上游挖除 I 组覆盖层和 组冲积 层,以下部分作为大坝的坝基保留;坝轴线下游覆 盖层上部 6 m挖除,以下部分保留。河床平趾板直 接建于覆盖层上。对于河 床深 槽段 的深 覆 盖 层渗控,设计 比选后拟采用混 凝土防渗墙垂直防渗的处理方 案。对于 这样 的设 计 方案,防 渗墙 与上部 坝体 防渗体(面板)的连接是整个 防渗体系的关键,也是 大坝一地基 防渗 系 统 的最 薄弱环节,必 须 给予足 够 的重 视;同时,地 基 覆 盖 层、防渗 墙与上部坝体的相互作用,以 及各部分 在 自重 和外荷 作用 下 能否满足变形协调的要求,应 力是否超限,也是影响大坝安 全 的重要 因素。平趾板 上 游河 床 覆 盖层 截 水利水电技术第 4 1卷2 0 1 0年第 3期 吕生玺九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 渗方式是保证 面板坝 防渗系统完成 的关键,对 工程 投资、施工工期、工程可靠性等影响重大,针对本 工程的特点,拟定了3个设计方案进行技术经济 比 较。2 1 单防渗墙柔性连接方案 将河床段平趾板基础直接置 于河床深覆盖层上,建基高程为 2 0 7 3 5 0 m,趾板厚度 0 8 m,宽度 6 m。趾板上游坝基采用混凝土防渗墙截渗,厚度 1 2 m,采用机械造 孔,混凝土强度 为 C 2 5,配 钢筋笼,趾 板与防渗墙之间采用一块 连接板连接,连接板长度 4 0 m,厚度 0 8 m。连接板与趾板 和防渗墙之间设 置止水。同时,为协调连接板、趾板之间的变形,在 其底部设有 0 3 m厚的砂浆垫层,并铺设有 1 0 m厚 垫层料。混凝土防渗墙与连接板和趾板的细部设计见 图 1。2 2 双防渗墙柔性连接方案 为了提高防渗墙的可靠性,保证坝体基础的安全,坝基防渗设 置双道 防渗墙,双道 防渗墙净距 3 0 m,其厚度为 0 8 m,两道防渗墙之问设有连接板,连接 板长3 0 m。其余连接板及趾板布置同单道防渗墙。双防渗墙方案细部设计见图2。防渗墙 与趾板 相 隔一 定距 离,各 自分别施 工,在沉降基本稳定后,再 用连接板联接起来。连接 板 的施工在坝体填筑和防渗墙施工结束后进行,这样 一方面可 以避免施工期 产生 的不均匀沉 陷,另一方 面可以为坝体和防渗墙的同步施工提供场地。连接 板、趾板段设置结构伸缩缝,以吸收可能的不均匀 变形。图 1 单防渗墙柔性连接方案设计(单位:m)图2 双防渗墙柔性连接方案设计(单位:m)吕生玺九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 2。3 双防渗墙刚性连接方案 防渗墙柔性连接方案平趾板直接置于河床覆盖层 上,平趾板变形较大,与防渗墙顶部的变形协调通过 连接板过渡,对止水材料的要求较高,同时局部分缝 密集,止水破坏隐患加大。刚性连接方案考虑河床平 趾板底部采用双道防渗墙组成的井字形基础,基础上 浇筑 3 0 m厚的混凝土承台,平趾板置于混凝土承台 之上,以保证平趾板变形较小,布置平顺。双道防渗 墙厚度 1 0 m,其细部设计见图3。3 计算分析 为了进一步对以上三方案进行技术比较,将坝体 和坝基作为整体结构,计算在不同工况下防渗结构的 应力变形状态,深入研究上部坝体对深覆盖层变形的 影响规律,以及坝体一面板一趾板一连接板一防渗墙 一覆盖层之间的相互作用性态,以确定合理可行的结 构形式和设计方案。3 1 计算方法 采用三维有 限元 法,分别 计算柔 性连 接方 案、刚性连接方案和双防渗墙柔性连接方案。计算中,沿坝轴线将整个坝体分成 2 5个横断面,各横断面的 位置与面板的垂直缝一致。计算 中坝体填筑荷载的施 加步骤与施工设计的填筑步骤相一致。对于柔性连接 方案,坝体的填筑荷载分 1 6步施加,面板一次浇筑 完成,水库蓄水的过程分成 5步逐级蓄至正常蓄水 位。对于刚性连接方案,坝体的填筑荷载分 1 4步施 加,面板一次浇筑完成,水库蓄水的过程分成 5步逐 级蓄至正常蓄水位。双墙柔性连接方案共剖分 4 O 4 4 个单元、5 1 6 5个节点。在计算分析过程中,面板之 间的纵缝采用分离缝的方法处理,面板与趾板 间的周 边缝采用软单元模拟。3 2 计算模型 坝体和地基等土石材料均采用邓肯一张双 曲线非 线性弹性 EB模型,基岩、混凝土面板、混凝土防 渗墙和连接板等材料采用线弹性模型,计算分析中采 用逐次增量法来模拟材料的非线性特性。对面板 与垫 层、趾板 与地基、连接 板 与地基、防渗墙 与地基 之 间 的接 触 面均 采用 薄层 单元 来模 拟,计算程序 中薄层单元的形式与常规的实体单元 相同,对于面板与垫层之间 的接触面,薄层单元取 垫层材料的力学特性,趾板与地基以及连接板与地 基之间的接触 面,薄层单 元取地基砂砾 石材料 的力 学特性,而对于地基 中混 凝土防渗墙 与周边砂砾石 层 的接触 面,考 虑 到 防渗墙 造 孔时 因采 用泥 浆 固 壁,在墙壁周 围会形成一层泥皮,薄层单元应取泥 皮的力学特性。在正常受力情况下,薄层单元在计 算过程中按普通实体单元参与计算,但接触面之间 的剪应力超出抗剪强度后,则采用降低模量 的方式 进行剪切破坏处理;当接触 面之间的法 向正应力为 零或为负值时,程序 中同样也要进行受拉破坏 的处 理。对于防渗墙与连接板、连接板与连接板、连接板 与趾板、趾板与面板之问的接缝,采用软单元的方式 对接缝中的柔性材料进行模拟。当接缝受压时,软单 元取混凝土材料的力学特性;当接缝受拉时,软单元 则取为柔性填料的力学特性。3 3 计算参数 坝体土石材料的参数取 自室内大型三轴试验的 成果,计算分析中各材料的参数具体取值如表 l 所 列。3 4 计算结果 由于双防渗墙柔性连接方案相对单防渗墙柔性 连接方案只是增加 了一道保证措施,因此计算 分析 对比重点针对单防渗墙柔性连接和双防渗墙刚性连 接方案。主要工况下防渗墙应力应变成果如表 2所 列。图3 双防渗墙刚性连接方案设计(单位:m)3 5 计算结论分析 由于九甸峡河谷深槽段较 窄,岸坡对防渗墙 的约束作用明显,因 此,从竣工期 防渗墙的变形上看,墙体向上游侧的变形并不大,但蓄 水以后,在水荷载的作用下,墙体 向下游变形。(1)从大坝坝体变形 方面比较分析,刚性连接方案和柔 性连接方案相差不大。(2)对于刚 性连接方案,趾板下直接接 昆 凝土 连接梁和双防渗墙,因此,趾板底 部变形较小,而面板受坝体和覆盖 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第3期 表 1 九甸峡面板坝计算参数 y R,击 A 4,材料名称 K k N I n一 (。)(。)主堆石料 2 2 0 1 4 o o 2 8 o 0 O 5 3 0 9 l 9 l O o o 0 0 0 5 0 9 8 5 次堆石料 2 1 6 1 l 2 O 2 2 4 0 0 5 3 0 9 l 9 8 o o O 0 o 5 0 9 8 5 过渡料 2 2 5 1 5 o 0 3 O o o O 5 5 0 9 0 7 l 2 5 0 0 【x】5 4 1 1 O 5 垫层料 2 2 8 l 7 5 0 3 5 o o 0 4 3 0 7 6 8 1 2 o 0 0 4 l 5 8 1 1 4 5 面板 2 4 O 3 o o O 0 o 3 0 0 0()o _ 2 0 0 o(x】4 5 0 _ 沉渣 l 6 O 8 0 o l 2 o o O 5 0 0 8 7 l 4 o o O 3 O 3 6 0 1 7 覆盖层 2 0 9 7 0 o l 4 o o O 3 l 0 7 9 8 2 1 0 0 2 8 4 6 4 5 8 防渗墙 2 4 0 2 6 0 O o 0 2 6 0 O o o _ 1 7 3 O 0 o _ 4 5 0 趾板、连接板 2 4 0 3 0 o O o o 3 o o o o 0 。2 0 H 0 o o 0 4 5 0 基岩 2 4 0 2 0 o 0 0 0 2 o o O 0 o O 0 0 0 0 o 1 7 5 O 0 o O 0 o 4 5 0 O 0 表2 防渗墙三维计算成果汇(最大值)计算工况 竣工期 蓄水期 计算方案 柔性连接 刚性连接 柔性连接 刚性连接 上游墙 下游 墙 上游墙 下游墙 向上游 1 0 0 4 1 1 _ _ _ 防渗墙 位 移cm 向下游 0 2 1 1 6 2 5 7 1 3 3 MP a :1 3 4 0 9 6 1 0 H0 1 5 O l 2 1 1 4 7 最 大张拉 mm 5 0 5 2 垂直缝 最 大沉 mm _ 最 大张拉 mm 1 2 O l 8 O 周边缝 最 大沉 降 mm 2 9 5 3 6 O 最大剪切 mm 8 0 l 3 2 层变形 的影响,变形相对较大,因此,两者之间的变 形差大于柔性 墙方 案。(3)从 整体 应力 变形分 布上 看,柔性墙和刚性墙方案均可满足坝体安全运行的要 求。相对而言,柔性墙方案适应地基变形较好,整体 方案较优。(4)从周边缝变形情况看,刚性连接方案 均比柔性连接要大,因此对止水材料的要求也高,柔 性连接好一些。(5)双墙柔性连接方案是对单墙柔性 连接方案作 了进一步的加强,但从施工方面考虑,两 道防渗墙的施工难度加大,因此设计不予推荐。(6)通过计算分析和工程类比,设计推荐采用单防渗墙柔 性 连接 方案。3 6 实施及监测成果分析 为了掌握防渗墙的变形情况,施工中按照设计要 求在防渗墙中布置了 2套固定式测斜仪,监测防渗墙 的变形;并在钢筋网上布置了钢筋计,监测防渗墙的 面板坝已经蓄水,大坝运行正常。吕生玺九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 应力分布。截至目前的监测成果显 示,在大坝的填筑过程中,随着填 筑高度的升高,防渗墙向上游变形 的趋势,但变形量比计算值要小,主要由于防渗墙施工时间滞后;大 坝蓄水后,防渗墙向下游变形,特 别是墙中部变形值较大,与计算结 果趋势基本相同,防渗墙 向下游的 最大水平位移为 1 3 c m左右,监测 数值与计算值也 比较接近,说明设 计方案是可靠 的。4 结语 九甸峡水利枢纽工程河床防渗 结构设计是保证面板堆石坝安全运 行的关键,设计中针对工程特点拟 定了单防渗墙柔性连接、双防渗墙 柔性连接、双防渗墙刚性连接等方 案,并采用三维非线性有限元进行 计算分析,研究了不同连接方式面 板一趾板一连接板一防渗墙等之间 变形 关 系,确 定 了合 理 的设计 方 案,为深厚覆盖层面板堆石坝的设 计和研究提供了经验。目前九甸峡 最 高水位 距正 常水位 不到 1 0 m,参考文献:1 顾淦臣深厚覆盖层面板堆石坝的混凝土防渗墙 J 青海水 力发 电,1 9 9 6(4):3 5 3 8 2 钱家欢,殷宗泽,等 土工 原理与计算 M 北京:中国水利 水 电出版社,1 9 9 6 3 李国营 覆盖层上面板坝的应力变形特性与影响因素 J 水 利水运科学研究,1 9 9 7(4):3 4 8-3 5 6 4 顾淦 臣,迟世春,朱晟 深厚覆盖层地基上混凝土面板堆石坝 的三维非线性有限元分析 J 华北水 利水 电学 报,1 9 9 2(3):1 9 5 朱百里,沈珠江 计算 土力学 M 上 海:上海科 技 出版社,1 9 9 0 (责任编辑聂建平)欢迎援稿 迦 阃 迦 告 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第3期
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