高石壩的研究現(xiàn)狀與展望

高石壩的研究現(xiàn)狀與展望

1對(duì)高土石壩技術(shù)的研究近年來(lái)，新墻堆石壩的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。這座世界上著名的高心墻水庫(kù)正在規(guī)劃和建設(shè)中。水庫(kù)的高度接近或超過(guò)300米。隨著壩高的增加,壩體的應(yīng)力、變形特性以及壩體在各種荷載作用下的工作性狀都將發(fā)生較大的變化,以往的百米級(jí)土石壩筑壩技術(shù)有一些將不再適用于這些高壩。因此對(duì)高土石壩筑壩技術(shù)的深入分析與研究將具有非常重要的意義。自1869年法國(guó)人Phillips提出土工離心模型試驗(yàn)的最初設(shè)想以來(lái),離心模擬技術(shù)在土石壩工程上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但是,對(duì)于高壩,由于受到離心機(jī)容量的限制,不能對(duì)原型完整模擬。在此基礎(chǔ)上,基于不等應(yīng)力理論的小比尺離心模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Rowe在研究重力式采油平臺(tái)穩(wěn)定試驗(yàn)中曾應(yīng)用小比尺推求原型。張利民等對(duì)瀑布溝高心墻土石壩進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)也采用了小比尺模型進(jìn)行研究。本文是在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院450g-t大型土工離心機(jī)上對(duì)糯扎渡高心墻堆石壩工程選取的局部斷面進(jìn)行了小比尺離心模擬試驗(yàn),在驗(yàn)證采用簡(jiǎn)化斷面模型的合理性基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用線性回歸擬合和不等應(yīng)力相似比尺方法分別推求至原型狀態(tài),綜合對(duì)比分析竣工期和蓄水期壩體的應(yīng)力及變形性狀。2模型試驗(yàn)2.1小比尺模型及壩高模擬糯扎渡心墻堆石壩壩高261.50m,試驗(yàn)中模擬252.00m的原型壩高。試驗(yàn)室模型箱可利用高度為700mm,根據(jù)Fuglsang等總結(jié)提出的有關(guān)常見(jiàn)參數(shù)的離心相似比尺關(guān)系,此時(shí)離心加速度應(yīng)為模型率N=360,而中國(guó)水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)最大設(shè)計(jì)加速度為300g,因此不能完整模擬壩體,故采用小比尺模型進(jìn)行試驗(yàn)。依據(jù)小比尺模型理論,當(dāng)選定試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨葹?00mm,試驗(yàn)離心率為N=200時(shí),可以模擬140.00m的壩高;推求到離心率N=360時(shí),即可模擬252.00m的實(shí)際壩高。試驗(yàn)中主要模擬重點(diǎn)研究區(qū)域,將心墻部分盡量放在模型箱的中部,簡(jiǎn)化后的模型斷面見(jiàn)圖1。2.2壩料非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和材料容重采用SDAP2D程序?qū)υ瓑误w及模型壩體進(jìn)行數(shù)值對(duì)比驗(yàn)證,有限元網(wǎng)格剖分分別見(jiàn)圖2、圖3,壩料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙曲線模擬(鄧肯模型),為保證計(jì)算成果與離心模型試驗(yàn)的一致性,材料容重分別對(duì)應(yīng)于離心機(jī)加速度分級(jí)分步計(jì)算。2.2.1壩體沉降位移通過(guò)對(duì)竣工期原型壩體以及模型壩體在水平位移、垂直位移方面的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),由于選取的模型斷面截除了部分上下游邊界,使得模型箱壁對(duì)上下游壩體產(chǎn)生一定的約束作用,而對(duì)處于模型箱中部的心墻,由于其距離箱壁較遠(yuǎn),兩種斷面下計(jì)算出的水平位移差別不大。同時(shí),從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),壩體垂直位移受邊界截除的影響較小。圖4給出了原型完整壩體與模型壩體在距底部108.00m高度處的沉降量比較,可以看出無(wú)論是竣工期和蓄水期,計(jì)算結(jié)果都比較接近。圖5給出原型完整壩體與模型壩體沿心墻軸線不同高程的沉降量比較,分別給出了竣工期和蓄水期的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算表明原型與模型的最大偏差小于5.5%,說(shuō)明本次試驗(yàn)截取的模型斷面,基本可以反映原型全斷面在心墻及其附近壩體的位移變形特性。2.2.2．模型斷面相互分離通過(guò)對(duì)原型斷面與模型斷面大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),原型斷面的大小主應(yīng)力分別與模型斷面差別約在5%左右,說(shuō)明上下游邊界的截除對(duì)壩體內(nèi)的應(yīng)力變化影響很小,試驗(yàn)截取的模型斷面,基本可以反映原型全斷面在心墻及其附近壩體的應(yīng)力特性。2.3心墻試驗(yàn)材料試驗(yàn)用料均取自現(xiàn)場(chǎng),根據(jù)模型箱的大小并依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行縮尺?？s尺前后堆石料的級(jí)配曲線見(jiàn)圖6。對(duì)于反濾料,模型最大粒徑采用10mm,縮尺前后的級(jí)配曲線見(jiàn)圖7。心墻試驗(yàn)用料取自現(xiàn)場(chǎng),模型試驗(yàn)過(guò)程中不再進(jìn)行縮尺,含水量為18%。土料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。2.4模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過(guò)程對(duì)模型的兩側(cè)及底部位置進(jìn)行止水處理后,模擬壩體實(shí)際填筑方式,采用分層填筑的方法填筑模型,層高100mm。填筑過(guò)程中按設(shè)計(jì)方案布設(shè)傳感器,主要觀測(cè)儀器有差動(dòng)位移傳感器(LVDT)、激光位移傳感器(LS)、微型土壓力計(jì)(TY)以及微型孔隙水壓力傳感器(KY),各傳感器布置見(jiàn)圖8。模型分別針對(duì)施工期和蓄水初期兩個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn),施工期試驗(yàn)結(jié)束后,停機(jī)并在模型壩體上游加水,加水后進(jìn)行蓄水初期試驗(yàn)。運(yùn)轉(zhuǎn)加速度按50g、100g、150g、180g、200g共5級(jí)施加。3不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用兩種不同的方法進(jìn)行分析。第1種方法根據(jù)離心加速度在50g、100g、150g、180g及200g下對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用線性回歸擬合的方法推求原型(360g)數(shù)值。第2種方法根據(jù)不等應(yīng)力比尺關(guān)系直接推求原型(360g)數(shù)值,推求基點(diǎn)采用與原型加速度最為接近的200g時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后利用兩種分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。3.1壓力試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1.1土壓力傳感器的線性回歸模型選取布置在心墻軸線方向的土壓力傳感器變化曲線圖9,以及線性擬合曲線圖10。對(duì)所有正常工作的傳感器采用以上2種方法進(jìn)行試驗(yàn)分析,將試驗(yàn)曲線反映的數(shù)據(jù)分別推求至原型,推求的原型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以發(fā)現(xiàn),兩種分析方法所推求的原型土壓力值大都十分接近。在各傳感器線性回歸擬合圖中,大部分土壓力傳感器變化具有很好的線性相關(guān)性。只有TY11傳感器數(shù)據(jù)線性度較差,主要是由其在離心加速度50g時(shí)的數(shù)據(jù)偏低導(dǎo)致的,此外,該傳感器在其余各級(jí)加速度值下試驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有較好的線性相關(guān)性。3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析同竣工期土壓力的分析,圖11、圖12分別為蓄水期布置在心墻軸線方向的土壓力傳感器變化曲線圖以及線性回歸擬合曲線圖。所有正常工作的傳感器試驗(yàn)所得以及用兩種方法推求至原型的土壓力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),兩種分析方法所推求的原型土壓力值除TY16相差約1MPa外大都十分接近。從土壓力變化曲線圖可以看出,在離心加速度為180g之前變化明顯異常,導(dǎo)致線性回歸擬合與不等應(yīng)力比尺推求的原型值產(chǎn)生較大差異,由于其在離心加速度達(dá)到200g時(shí),穩(wěn)定在合理的范圍之內(nèi),所以在用不等應(yīng)力比尺推求原型土壓力值時(shí),對(duì)該點(diǎn)采用200g試驗(yàn)較為合理。在蓄水以后壩體內(nèi)部土壓力均有所增大,推求的原型值增幅約為1.7MPa。壩體下游靠近心墻的部位土壓力值也有一定的增加,壩體上游靠近心墻的部位土壓力值有一定的減小,蓄水期心墻內(nèi)部土壓力與壩殼內(nèi)部土壓力相比仍有較大差別。3.2位移試驗(yàn)結(jié)果的分析3.2.1位移傳感器試驗(yàn)結(jié)果圖13為竣工期放置在上下游壩坡的LVDT變化曲線。圖14為對(duì)應(yīng)位移傳感器數(shù)據(jù)的線性回歸擬合曲線。如上文所述,首先將模型(200g)所測(cè)的位移值推求出等應(yīng)力狀態(tài)下(300g)的位移值,然后再將等應(yīng)力狀態(tài)下的位移值推求到原型,則模型所測(cè)位移值推求到原型的不等應(yīng)力比尺為(360/200)×360。根據(jù)試驗(yàn)分析采用的兩種方法,對(duì)所有位移傳感器所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別推求至原型,推求的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比兩種方法試驗(yàn)結(jié)果,可以看出,不等應(yīng)力比尺所推求的原型位移值均大于線性回歸擬合推求的原型值,偏差約為0.6~1.0m。分析其原因,是由于位移傳感器均布置在壩體模型表面,壩體表面填筑料在試驗(yàn)過(guò)程中很容易發(fā)生滑動(dòng),傳感器所測(cè)值更容易受到外界因素的影響,而線性回歸擬合分析時(shí)能部分消除這種影響。因此,認(rèn)為在這種情況下,根據(jù)各級(jí)加速度下試驗(yàn)值線性回歸擬合推求的值能更好的模擬原型的結(jié)果。心墻頂部的LS3及LS4反映出的沉降量略有差別,可能是由于模型局部不均勻造成的沉降差,最終推求的原型沉降分別為4.6m和4.2m,約為壩體高度的1.7%。模型壩坡上部的位移傳感器LVDT12和LVDT13的垂直位移原型值分別達(dá)到1.9m和2.4m,壩坡下部的LVDT15和LVDT16的垂直位移原型值為3.9m和3.4m。可以發(fā)現(xiàn),壩坡上部的垂直位移比壩坡下部的大,同時(shí)由于模型上下游壩坡坡度相差不大,同一水平位置上垂直位移相差不大。3.2.2心墻頂部激光位移傳感器位移方案同竣工期壩體位移分析,蓄水后壩坡LVDT變化曲線見(jiàn)圖15。圖16為對(duì)應(yīng)位移傳感器數(shù)據(jù)的線性回歸擬合曲線。對(duì)所有位移傳感器試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)根據(jù)兩種試驗(yàn)分析方法推求的原型位移值見(jiàn)表5。在蓄水期,不等應(yīng)力比尺所推求的原型位移值均大于線性回歸擬合推求的原型值,偏差大約為0.4~0.7m。經(jīng)過(guò)竣工期運(yùn)行,壩體表面填筑料基本穩(wěn)定,傳感器所測(cè)值受到的影響普遍減小。分析認(rèn)為,與竣工期相似,根據(jù)各級(jí)加速度下試驗(yàn)值線性回歸擬合推求的值能更好的模擬原型的結(jié)果。心墻經(jīng)過(guò)竣工期的運(yùn)行,從心墻頂部的激光位移傳感器LS3以及LS4的變化曲線可以看出,在蓄水期心墻頂部的沉降變化趨于一致,最終心墻頂部的原型沉降約為5.4m,約為壩體高度的2.1%。在蓄水期,LVDT13及LVDT16的原型沉降量分別達(dá)到2.9m和4.8m,LVDT12及LVDT15的原型沉降量分別達(dá)到2.1m和3.4m,可以看出上游壩坡的沉降量明顯大于下游壩坡,壩坡上部的沉降量小于壩坡下部的沉降量。3.3不等應(yīng)力比尺推求的數(shù)學(xué)模型線性回歸擬合分析基于不同加速度條件下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推求出原型值,當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的線性相關(guān)性時(shí),所得的推求結(jié)果將具有一定的精度。不等應(yīng)力比尺推求原型值是通過(guò)某一試驗(yàn)加速度下產(chǎn)生的值推求原型加速度下的值,試驗(yàn)加速度與原型加速度越接近,所推求的原型數(shù)據(jù)越精確。由于對(duì)大多數(shù)非線性問(wèn)題也可以采用線彈性的處理辦法,因此,認(rèn)為兩種方法與原型試驗(yàn)相比仍有足夠的精度。本文采用了兩種分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行了整理分析,推求出了原型的結(jié)果。從位移變化曲線以及線性回歸擬合圖可以發(fā)現(xiàn),本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍具有良好的線性相關(guān)性。推求的原型位移值由于傳感器布置在模型的表面,受外界因素的影響較大,對(duì)部分線性回歸擬合分析結(jié)果造成了影響。同時(shí)作為不等應(yīng)力比尺推求基礎(chǔ)的200g模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)值個(gè)別出現(xiàn)異常,使不等應(yīng)力比尺推求的原型值同樣受到影響,上述兩種原因的存在,使二者推求值產(chǎn)生了一定的差別。因此認(rèn)為在推求原型試驗(yàn)結(jié)果時(shí),結(jié)合兩種方式,盡可能消除試驗(yàn)中不穩(wěn)定數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響,將會(huì)得到更為合理的原型試驗(yàn)結(jié)果。4壩體土壓力和沉降的特征分析本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算程序?qū)δＰ蛪误w與原型壩體進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證采用小比尺模型進(jìn)行離心模擬試驗(yàn)研究是可行的。從模型試驗(yàn)過(guò)程中各傳感器所測(cè)數(shù)值與離心機(jī)的加速度之間所具有的良好的相關(guān)性及同步性說(shuō)明量測(cè)結(jié)果可靠。通過(guò)綜合兩種分析方法得出了壩體中在竣工期和蓄水期的土壓力值,從土壓力值可以看出,在兩側(cè)壩殼的分布基本對(duì)稱(chēng),壩體中部同一水平斷面上壩殼內(nèi)的土壓力大于心墻內(nèi)的土壓力。推求到原型發(fā)現(xiàn)所測(cè)得心墻土壓力為土柱自重的60%~70%,壩殼壓力為土柱自重的1.1~1.2倍,可以認(rèn)為壩體內(nèi)存在著“拱效應(yīng)”。同時(shí),由于試驗(yàn)中除正常入滲外,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)集中滲漏現(xiàn)象,證明糯扎渡高心墻堆石壩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是合理的,能夠滿(mǎn)足運(yùn)行要求。在兩種工況下,心墻部位的沉降總是大于壩坡的沉降量,說(shuō)明在壩體心墻上部有較為明顯的不均勻沉降。心墻施工期總沉降量為4.2~4.6m,約占?jí)胃叩?.7%