河谷地形對(duì)面板防滲體系的影響

河谷地形對(duì)面板防滲體系的影響

中國經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，帶來了水電建設(shè)的高潮，特別是西部發(fā)展進(jìn)程的加快。需要在河流、河流、河流、湖泊、河流上游和雅魯藏布江等大江和大河上修建具有一定調(diào)節(jié)能力的水庫。這些水庫的防洪水庫是大型水庫，水庫的高度超過200米，超過300米。我國的壩工建設(shè)正在向300m級(jí)的拱壩、250m級(jí)的面板堆石壩和200m級(jí)的碾壓混凝土重力壩發(fā)展?；炷撩姘宥咽瘔我蚱浣?jīng)濟(jì)性、便于施工、工期短、良好的抗震性,已成為超高壩的首選壩型之一?；炷撩姘宥咽瘔卧谖覈?jīng)歷了20年的飛速發(fā)展,我國在數(shù)量、壩高、規(guī)模、難度等方面都居于世界前列,積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)。目前,已建的面板堆石壩大多建于較寬闊的河谷,而在狹窄河谷地區(qū)或者復(fù)雜地形條件下修建面板堆石壩的實(shí)踐較少,還存在一些特殊的變形問題。1復(fù)雜地形下的堆垛石壩運(yùn)營現(xiàn)狀1.1混凝土面板沉降的檢測(cè)巴西的辛戈壩高150m,建于1994年。在左壩肩,施工期間觀測(cè)到上游墊層料中發(fā)生垂直裂縫,大致與趾板平行,高程在103~207m之間,位置與該處的基坑開挖形狀非常契合,如圖1和圖2所示。另外,在運(yùn)行期的水下調(diào)查發(fā)現(xiàn),在左壩肩的一些混凝土面板中發(fā)現(xiàn)裂縫,與施工期在墊層料中出現(xiàn)的裂縫在同一區(qū)域;在與趾板連接的5號(hào)面板中發(fā)現(xiàn)一個(gè)面板角破損,并測(cè)出5號(hào)面板相對(duì)于4號(hào)面板的非均勻沉陷最大為30cm。這與趾板定線的局部突變以及造成面板高應(yīng)力集中的坡度有關(guān)。1.2水下的非均勻變形2002年建成的巴西伊塔佩比壩高100m。蓄水后水下調(diào)查發(fā)現(xiàn)4個(gè)面板有裂縫,大致高于趾板5~10m并與其平行(見圖3),認(rèn)為裂縫是由于地基的幾何形狀引起非均勻變形造成的。1.3右壩肩結(jié)構(gòu)場(chǎng)滲漏哥倫比亞的格里拉斯(Golillas)面板壩,河谷狹窄且兩岸陡立,壩高127m,河谷寬高比為0.87,岸坡陡達(dá)1∶0.1~1∶0.2(見圖4),1978年6月建成,因主干隧洞未完工,直到1982年6月才開始第一次蓄水。蓄水后滲漏量很大,而且隨著庫水位升降而增減,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),在與趾板突出部位一致或方向劇變的地方,靠近趾板的混凝土發(fā)生壓碎破壞,在這些部位的正前方,混凝土面板中還見到張開裂縫。另外,在右壩肩的周邊縫中,PVC止水沿中心管局部發(fā)生剪切破壞。由于采用堅(jiān)硬的砂礫料筑壩,實(shí)測(cè)堆石體的沉降較小。初次蓄水后的壩體變形實(shí)測(cè)資料表明,面板靠近兩岸陡峭壩肩的沉降量與峽谷中心的沉降量接近,壩體沿兩岸陡峭壩肩的基巖面產(chǎn)生了滑動(dòng)。1.4混凝土面板裂縫羅馬尼亞里蘇(Lesu)面板堆石壩,壩高60m,1972年建成,采用分離式混凝土面板。水庫運(yùn)行2年后,左岸壩肩面板與趾板間產(chǎn)生顯著位移,導(dǎo)致周邊縫止水破壞,漏水逐漸加大,滿庫運(yùn)行4年后,右岸壩肩面板繼續(xù)產(chǎn)生了一系列裂縫(見圖5)。后經(jīng)多方論證,認(rèn)為堆石體長(zhǎng)期流變引起堆石體沿岸坡的運(yùn)動(dòng)是其主要原因。1.5周邊鉸接板的檢查哥倫比亞1974年建成安奇卡亞壩,壩高140m,河谷寬高比1.86。考慮到壩址岸坡較陡,設(shè)計(jì)中采用了平行岸坡的周邊鉸接板。1974年11月放空水庫進(jìn)行檢查,沒有發(fā)現(xiàn)面板有大裂縫、斷裂等缺陷。在面板止水系統(tǒng)共查到8個(gè)主要漏水點(diǎn)(見圖6),左岸1、2號(hào)漏水點(diǎn)表明鉸接板在幾何形狀突變處有明顯的移動(dòng);右岸567~623m高程之間的周邊縫都是張開的,大部分鉸接板的垂直縫也是張開的。1.6大壩填筑及其澆筑水布埡面板堆石壩高233m,壩址為V型峽谷。大壩于2003年1月底開始填筑,于2006年10月填筑至405m高程,大壩填筑基本完成。2005年1~3月澆筑第一期面板至278m高程,2006年1~3月澆筑第二期面板至340m高程(參見圖7)。2006年6月檢查發(fā)現(xiàn),右岸壩肩趾板線發(fā)生轉(zhuǎn)折處的一期R12、R13號(hào)面板底部周邊縫部位混凝土出現(xiàn)不同范圍和厚度的破碎、脫皮、起殼現(xiàn)象。2河谷地形對(duì)混凝土面板防滲體系的影響作用關(guān)于河谷地形對(duì)堆石體變形的影響,不同專家之間仍然存在相反的觀點(diǎn),有專家認(rèn)為地形對(duì)堆石體的變形影響顯著,但同時(shí)又有專家舉出例證,認(rèn)為堆石體變形與河谷地形沒有直接關(guān)系。這種分歧的原因,主要是在于,堆石體的變形存在眾多的影響因素,例如堆石料的巖性、顆粒級(jí)配、碾壓參數(shù)、施工質(zhì)量、河谷地形等等,各種因素相互影響糾結(jié)在一起,河谷地形不再是起關(guān)鍵作用的因素,對(duì)壩體變形的影響程度難以分離和量化顯示。但是,經(jīng)過對(duì)不同地形條件的面板壩的建設(shè)實(shí)踐和運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析,因?yàn)榻y(tǒng)一的鋼筋混凝土材料和一致的面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,河谷地形對(duì)混凝土面板的防滲體系的安全性的影響作用較為明顯地顯現(xiàn)出來,具體如下幾點(diǎn)。(1)壩址基坑的開挖形狀,尤其是壩軸線上游部位的基坑幾何形狀,對(duì)上游墊層料的變形、乃至上覆混凝土面板的變形起著重要的影響作用?；鶐r和堆石料的變形模量相差甚大,以水布埡面板壩為例,截至2006年11月,下游壩腳處測(cè)得的基巖最大沉降變形約為1mm,壩基經(jīng)過強(qiáng)夯后保留的覆蓋層最大沉降變形約為97mm,壩體堆石體的最大沉降變形達(dá)2200mm左右。通過比較可以看出,堆石體和基巖的變形相差甚大,基巖的變形可以忽略。從辛戈壩和伊塔佩比壩的觀測(cè)資料可以看出,在上游基坑開挖邊坡發(fā)生突變的部位,往往會(huì)引起堆石料與基巖之間的不均勻變形,從而可能導(dǎo)致墊層料和面板的裂縫。這個(gè)問題已經(jīng)引起工程界的重視,并在現(xiàn)今工程的設(shè)計(jì)中采取平順過渡的基坑開挖邊線等措施,以免基坑突變的幾何形狀引起面板防滲體系的破壞。(2)河谷的寬窄程度對(duì)面板體系變形的不同影響。寬闊的河谷為堆石區(qū)和面板的較大變形創(chuàng)造了條件,因此寬闊河谷的面板撓曲變形更加明顯,引起周邊縫和垂直接縫較大的張開,但垂直沉降和錯(cuò)動(dòng)較小。相反,狹窄河谷存在拱效應(yīng),限制堆石體和面板沿壩軸線方向的水平位移,面板的撓曲變形較小,垂直接縫的張開度較小;但是荷載引起的壩體變形主要集中在垂直沉降上,壩肩附近經(jīng)常表現(xiàn)為與河谷中心接近的沉降量,導(dǎo)致面板的接縫系統(tǒng)的錯(cuò)動(dòng)變形明顯。這些作用在格里拉斯壩和安奇卡亞壩表現(xiàn)得較為明顯。(3)在岸坡發(fā)生轉(zhuǎn)折處,面板及接縫系統(tǒng)往往最為薄弱和可能出現(xiàn)缺陷。主要有兩種情況,一是面板發(fā)生起殼,脫皮等被壓碎的狀況,這通常發(fā)生在上緩下陡的地形:反之,在上陡下緩的地形情況下,在轉(zhuǎn)角處的上部易發(fā)生周邊縫和垂直接縫系統(tǒng)的張開。3岸壁摩擦接觸模擬分析3.1接觸條件的確定關(guān)于基坑開挖形狀對(duì)面板的影響,工程界已經(jīng)達(dá)成共識(shí),并采取了相應(yīng)的對(duì)策,不再贅述。針對(duì)河谷岸坡的地形對(duì)面板體系的影響,下面將采用一種摩擦接觸的方法加以分析論證。在通常的土石壩數(shù)值分析中,將堆石體與岸坡的接觸視為固結(jié),即岸坡邊緣的堆石體結(jié)點(diǎn)是固定的。從堆石壩的工程實(shí)踐來看,堆石體與壩肩岸坡之間實(shí)際是一種摩擦接觸關(guān)系,這種接觸的特點(diǎn)主要反映在兩方面,首先相對(duì)于堆石,岸坡巖體可以看作剛性介質(zhì),無需研究其變形;另外,河谷岸坡一般都是正坡(工程中對(duì)局部反坡將作專門處理),因此堆石體產(chǎn)生沿岸坡的剪切滑移或錯(cuò)動(dòng)一般都是壓剪狀態(tài)。此時(shí)即使存在剪切錯(cuò)動(dòng)薄層,也不會(huì)對(duì)尺度較大的實(shí)體堆石單元的剛度產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)以上分析,采用可以沿接觸界面滑動(dòng)的支座來模擬堆石與岸坡的接觸,即假定與岸坡接觸的堆石單元結(jié)點(diǎn)在岸坡的法線方向固定,而在沿岸坡的切線方向可以滑移。此外,接觸面采用剛塑性模型,當(dāng)剪應(yīng)力τ≤τf(剪切破壞強(qiáng)度)時(shí),結(jié)點(diǎn)固定,而τ>τf時(shí),結(jié)點(diǎn)在切線方向可以滑移。根據(jù)上述模型,則壩體堆石與壩肩岸坡的摩擦接觸狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)FT≤N·tanψ時(shí),結(jié)點(diǎn)處于固定狀態(tài);當(dāng)FT>N·tanψ時(shí),結(jié)點(diǎn)處于滑移狀態(tài),且受到超值切向荷載(FT-N·tanψ)的作用。其中:ψ為岸坡與堆石的接觸摩擦角;FT為堆石沿岸坡斜面的切向分力;N為垂直于岸坡斜面的法向分力。隨著時(shí)間的推移,岸坡與堆石體的接觸摩擦強(qiáng)度可能發(fā)生衰減,堆石體與壩肩的摩擦接觸狀態(tài)也會(huì)隨著改變,最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此在岸坡摩擦接觸分析中,建立了岸坡與堆石體之間的接觸摩擦角ψ的衰減模式。堆石與岸坡之間的接觸摩擦角ψ隨時(shí)間的變化關(guān)系,選用指數(shù)型衰減曲線:ψ=ψf+(ψ0-ψf)e-ct(1)ψ=ψf+(ψ0?ψf)e?ct(1)其中:ψ0為初始接觸摩擦角;ψf為強(qiáng)度衰減后的最終接觸摩擦角;c為衰減參數(shù)。在有限元計(jì)算分析中,考慮大壩填筑至水庫蓄水過程中每一荷載增量的持續(xù)時(shí)間很短,壩肩與堆石體間的接觸摩擦強(qiáng)度不發(fā)生衰減,保持初始摩擦角ψ0,堆石體在荷載增量的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)變形,并且堆石與壩肩的接觸在ψ0下迭代至穩(wěn)定狀態(tài);在蓄水以后,隨著時(shí)間的推移,堆石與壩肩之間的接觸摩擦角發(fā)生衰減至ψf,堆石體在此過程可能發(fā)生滑移并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在堆石壩的變形有限元數(shù)值分析中,以整體坐標(biāo)系oxyz建立平衡方程求解。由于采用接觸模型模擬堆石與壩肩的接觸,須要沿岸坡斜面進(jìn)行摩擦接觸條件的判別,因此涉及到由沿岸坡斜面的局部坐標(biāo)系向整體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問題。設(shè)整體坐標(biāo)系為oxyz,其中x軸為壩軸線方向,y軸為指向下游方向,z軸為豎直方向。局部坐標(biāo)系為ox’y’z’,x’為沿岸坡斜面方向,y’為指向下游方向,z’為岸坡斜面的法向方向。從整體坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:{x′y′z′}=L{xyz}?L=[l1m1n1l2m2n2l3m3n3](2)?????x′y′z′?????=L?????xyz??????L=???l1l2l3m1m2m3n1n2n3???(2)其中,li(i=1,2,3)為局部坐標(biāo)系的各軸與x軸的方向余弦,mi(i=1,2,3)為局部坐標(biāo)系的各軸與y軸的方向余弦,ni(i=1,2,3)為局部坐標(biāo)系的各軸與z軸的方向余弦。以x′方向?yàn)槔?岸坡處堆石單元沿岸坡斜面上的法向應(yīng)力σz′和切向應(yīng)力τx′z′、τy′z′的計(jì)算公式如下:{σz′τx′z′τy′z′}=[l3m3n3l1m1n1l2m2n2]?[σxτyxτzxτxyσyτzyτxzτyzσz]?{l3m3n3}(3)?????σz′τx′z′τy′z′?????=???l3l1l2m3m1m2n3n1n2???????σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz?????????l3m3n3?????(3)例如對(duì)岸坡處堆石單元m,其沿岸坡斜面的正應(yīng)力為σmz′,剪應(yīng)力為τmx′、τmy′,s為單元與岸坡的接觸面積,岸坡接觸摩擦角為ψ,當(dāng)|τmx′|>|σmz′|·tanψ時(shí),單元m產(chǎn)生切向滑動(dòng)力Tmx′:Τmx′=s?τmx′|τmx′|(|τmx′|-|σmz′|?tanψ)(4)當(dāng)|τmx′|≤|σmz′|·tanψ時(shí),Tmx′=0。y′方向τmy′、Tmy′的判斷和計(jì)算遵循與x′方向相同的法則。然后,將滑動(dòng)力Tmx′、Tmy′轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系中:{ΤmxΤmyΤmz}=[l1l2l3m1m2m3n1n2n3]{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′Τmz′}=LΤ{Τmx′Τmy′0}(5)對(duì)結(jié)點(diǎn)作用力進(jìn)行單元疊加,如結(jié)點(diǎn)i:Τix=∑mΤmx,i,Τiy=∑mΤmy,i,Τiz=∑mΤmz,i,m=1,2,?Ν(6)然后進(jìn)行總體剛度矩陣的集成和求解,步驟同有限元法的基本原理,不再詳述。3.2堆石體壩肩滑移對(duì)不同坡度的壩肩岸坡(1∶0.6、1∶1.0、1∶1.5)與堆石壩體之間采用摩擦接觸模型,進(jìn)行壩軸線縱剖面的有限元變形分析(H=150m,見圖8)。某面板壩工程堆石料的清華非線性K-G模型參數(shù)見表1,計(jì)算位移見表2。圖9、圖10為岸坡坡度為1∶0.6的壩軸線縱剖面堆石體的計(jì)算變形分布情況。在對(duì)稱的地形條件下,堆石體變形也呈對(duì)稱分布。在壩體竣工以后,隨著岸坡接觸摩擦角的衰減,堆石體沿岸坡發(fā)生一定數(shù)值的滑移。從不同坡比的計(jì)算結(jié)果比較可得,壩體的沉降與壩高成正比而與兩岸岸坡的坡度關(guān)系不大,但堆石體的水平位移隨岸坡坡度變陡而變小,顯示了壩肩的拱效應(yīng)。另外,我們發(fā)現(xiàn),隨著岸坡坡度從1∶0.6逐步放緩至1∶1.0、1∶1.5,堆石體沿岸坡的滑移也逐漸增大,從11.26cm增大到20.59cm和24.03cm。從這里可以看出,窄河谷壩肩對(duì)堆石體的拱效應(yīng)是不會(huì)隨著岸坡摩擦角的衰減而消散的,不論是竣工期還是最后的穩(wěn)定期,窄陡岸坡地形的堆石體變形都要小于寬緩河谷。另外,為分析岸坡轉(zhuǎn)折的地形對(duì)面板防滲體系的影響,參照里蘇壩的地形特點(diǎn),擬定了150m高的具有轉(zhuǎn)折岸坡的典型堆石壩的最大縱向剖面(圖11)進(jìn)行考慮岸坡摩擦接觸的平面變形分析,參數(shù)見表1。從計(jì)算結(jié)果可見,壩體竣工時(shí)沉降與水平位移的分布與通常接近(見圖12),壩體最大沉降69.58cm。當(dāng)岸坡的接觸強(qiáng)度發(fā)生衰減(ψ從45°減到40°)時(shí),由于堆石體沿岸坡發(fā)生滑移,壩體變形有所增加,壩體最大沉降增至84.44cm(見圖13)。從圖14可以看出,堆石體沿岸坡發(fā)生了明顯的位移增量,左岸壩肩的水平方向滑移最大為6.15cm,豎直方向滑移最大為10cm。右岸在上部的較緩岸坡上水平方向滑移最大達(dá)到78.41cm,豎直方向的滑移在岸坡轉(zhuǎn)折處達(dá)到42.86cm,引起該部位堆石體向壩坡面外凸出,影響到外覆面板,導(dǎo)致面板起殼脫皮。4工程措施進(jìn)行改進(jìn)本文通過對(duì)復(fù)雜地形條件下已建面板壩工程實(shí)際性狀的分析,認(rèn)為河谷地形對(duì)面板防滲體系的不利影響主要體現(xiàn)在:基坑開挖形狀的突變往往會(huì)導(dǎo)致堆石體的不均勻變形,壩肩岸坡發(fā)生轉(zhuǎn)折處往往會(huì)出現(xiàn)面板的應(yīng)力集中及接縫系統(tǒng)的破壞。通過模擬堆石體沿岸坡的滑移,作者認(rèn)為寬闊河谷為堆石體的較大變形提供了條件,面板的撓曲變形和接縫系統(tǒng)的張開較大,狹窄河谷的拱效應(yīng)限制了堆石體的水平位移,因此面板的撓曲變形和接縫系統(tǒng)的張開度較小,但是沉降和錯(cuò)切變形要慎重考慮。通過對(duì)岸坡轉(zhuǎn)折地形的變形模擬分析,解釋了堆石體沿岸坡的