水利工程論文-壩基深層軟巖對土石壩防滲系統(tǒng)的影響.doc

水利工程論文-壩基深層軟巖對土石壩防滲系統(tǒng)的影響摘要：本文采用鄧肯模型對西霞院土石壩的變形進(jìn)行三維非線性有限元分析計(jì)算，分析壩基深層存在軟巖對土石壩防滲系統(tǒng)的影響。關(guān)鍵詞：土石壩軟巖三維非線性有限元變形影響土石壩對地質(zhì)條件要求相對較低，在深覆蓋層上直接修筑土石壩可以減少覆蓋層開挖，節(jié)省工程投資。目前對建造在深厚覆蓋層上的土石壩模擬計(jì)算中，壩基影響范圍只取至覆蓋層底部，覆蓋層以下的基巖作為剛性體考慮，但實(shí)際工程情況并不完全相同。當(dāng)覆蓋層以下是變形模量很小的軟巖時，壩體以及防滲結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生更大的沉降和變形,這將影響防滲系統(tǒng)的可靠性。由于國內(nèi)很少有這方面的工程實(shí)例介紹，故本文采用西霞院河床段土石壩作為計(jì)算模型，應(yīng)用鄧肯模型對壩體、壩基進(jìn)行三維有限元計(jì)算，分析壩基深層存在軟巖對土石壩壩體變形的影響以及對防滲系統(tǒng)的影響。1工程概況西霞院工程建于小浪底大壩下游16公里處的黃河干流上，壩址位于吉利區(qū)和孟津縣白鶴鎮(zhèn)之間，屬于低山丘陵區(qū)。工程的開發(fā)任務(wù)是以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水綜合利用。工程布置采用土石壩，壩長約2600m，壩體采用砂卵石壩殼復(fù)合土工膜防滲斜墻，壩基防滲采用砼防滲墻。壩址地形呈寬闊U型河谷，寬約3km。河床兩側(cè)分布高漫灘及級階地。壩址處兩岸河漫灘表層為2m7m的新近沉積的砂壤土、砂層等，結(jié)構(gòu)松散，靠近兩岸級階地其上部多分布有粉質(zhì)壤土。河漫灘下部為砂礫石層，一般厚20m28m，中等密實(shí)狀態(tài)。砂礫石層下部基巖由上第三紀(jì)砂巖與粘土巖互層組成，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為4.3MPa，屬極軟巖類巖體。2計(jì)算模型及材料參數(shù)2.1計(jì)算模型西霞院土石壩壩頂高程139.0m，最大壩高21.0m，壩頂寬8米，上游邊坡1：2.75，下游邊坡1：2壩，上游設(shè)壤土鋪蓋與斜墻相連進(jìn)行防滲。計(jì)算工況：上游水位134.75m，下游水位126.23m。取100m河床段作深部軟巖對壩體變形的影響分析，河床段剖面示意圖見圖1。圖1河床段最大剖面圖（單位：m）2.2計(jì)算參數(shù)選擇壩基由表部松散粉細(xì)砂、中部砂礫石層及下部上第三系基巖地層組成。表部松散粉細(xì)砂，厚3.0m，粉細(xì)砂上部為砂壤土，厚1.0m，下部為砂層，厚2.0m，結(jié)構(gòu)疏松；地層中部為砂礫石層，厚20m；地層下部為軟巖，厚30m，彈性模量只有500Mpa（屬于極軟巖）。壩體及壩基EB模型計(jì)算參數(shù)見表1。表1EB模型計(jì)算參數(shù)參數(shù)材料土粒比重KN/m3CKN/m3(O)KnRfKbmKurnur壩體壓實(shí)砂礫2.6621.00325500.450.802200.511000.45地基砂礫石Q42.6621.00325000.480.822000.410000.48地基砂礫石Q32.6821.00326000.480.812400.512000.48砼防滲墻C1524.0E=22000MPa,=0.167軟巖17.1E=500MPa,=0.3接觸面參數(shù)CKN/m3(O)K1nRf防滲墻與砂層018300001.00.9防滲墻與砂礫層022360001.00.92.3單元剖分及計(jì)算坐標(biāo)空間模型坐標(biāo)系建立如下：順河向?yàn)閄軸，指向下游為正；豎直向?yàn)閅軸，豎直向上為正；壩軸線為Z軸，指向河谷中心（右岸）為正，指向左岸為負(fù)。土壩的有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖3.2。整個結(jié)構(gòu)共剖分單元5208個，結(jié)點(diǎn)總數(shù)6315個。圖2有限元計(jì)算網(wǎng)格圖2.4荷載分級情況在有限元模擬分析中，結(jié)合施工順序共分十級加荷。第一級為壩基砂卵石層；第二級為河槽段截流圍堰體；第三級為圍堰防滲墻及第一級壩身；第四及至第七級為壩身；第八級分別為復(fù)合土工膜及上游面混凝土護(hù)坡；第九級為上游校核洪水134.75m及相應(yīng)的下游水位126.23m。3計(jì)算結(jié)果及分析3.1對壩體變形的敏感性分析考慮軟巖情況與不考慮軟巖情況下壩體的最大水平位移值及沉降值見表2。在兩種情況下水平位移、最大沉降的絕對值均不大，考慮軟巖與不考慮軟巖的水平位移最大值變化微小，但考慮軟巖影響情況下最大沉降值比不考慮軟巖影響情況大2.5cm，壩體最大沉降值增大約5.5%。從水平位移最大值和沉降最大值以及壩體水平位移及沉降變形圖可以看出：軟巖的存在增加壩體變形，但對土石壩本身來說影響不大。表2考慮軟巖與不考慮軟巖壩體最大位移比較表位移工況向上游最大位移值(cm)向下游最大位移值(cm)最大沉降值(cm)考慮軟巖影響-10.622.6-45.1不考慮軟巖影響-10.222.4-42.63.2對壩坡面復(fù)合土工膜小主應(yīng)變敏感性分析上述討論的變形值都是位于壩體內(nèi)部，而對于壩體上游面由于其上鋪設(shè)復(fù)合土工膜，是防滲系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，也是設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵的部位。這里分別列出兩種情況下最大斷面上壩坡面5個控制點(diǎn)應(yīng)變值，控制點(diǎn)位置見圖7，應(yīng)變值見表3。圖7壩面控制點(diǎn)位置示意圖從表3可以看出:在上游壩腳附近應(yīng)變值較大，沿著壩高應(yīng)變值逐漸減小?？紤]軟巖與不考慮軟巖在點(diǎn)1和點(diǎn)2位置應(yīng)變值變化明顯，應(yīng)變分別增大0.9%和1.2%，點(diǎn)3、點(diǎn)4和點(diǎn)5位置的應(yīng)變值相差不大。假定復(fù)合土工膜與壩坡面土體變形協(xié)調(diào)一致，那么考慮軟巖情況下上游壩坡腳位置復(fù)合土工膜的拉應(yīng)力明顯增大，對復(fù)合土工膜受力十分不利，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該引起注意。表3河床段剖面壩面復(fù)合土工膜控制點(diǎn)的小主應(yīng)變值（單位：%）點(diǎn)位置小主應(yīng)變值考慮軟巖不考慮軟巖差值增大比例1x=-44.9y=125.09.628.720.99.4%2x=-43.3y=125.010.59.301.211.4%3x=-40.4y=125.84.334.180.153.5%4x=-38.4y=126.53.333.250.082.4%5x=-32.2y=128.82.882.790.093.1%注：考慮軟巖影響比較時，差值考慮軟巖應(yīng)變值-不考慮軟巖應(yīng)變值，增大比例(考慮軟巖應(yīng)變值-不考慮軟巖應(yīng)變值)/考慮軟巖應(yīng)變值3.3軟巖對防滲墻變形和應(yīng)力的影響防滲墻變形及大小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖8，考慮軟巖影響計(jì)算出來防滲墻水平位移較大，底部105.0m高程附近二者相差1.4cm，沿著防滲墻高度方向，位置越高二者差值越大，到頂部125.0m高程處二者相差3.5cm。防滲墻大小主應(yīng)力不考慮軟巖影響情況的比考慮軟巖影響的大?？紤]軟巖影響情況下防滲墻大、小主應(yīng)力都有明顯的減小，這對防滲墻的工作狀態(tài)有利。但是考慮軟巖情況下防滲墻的頂部位移明顯增大，這將使防滲墻頂部與復(fù)合土工膜的連接部位發(fā)生破壞的可能性大大增強(qiáng)。因此在連接部位設(shè)計(jì)過程中宜將復(fù)合土工膜打折皺或者采用更加安全的措施-設(shè)置空腔式伸縮節(jié)等。圖8防滲墻水平位移和大小主應(yīng)力比較圖4結(jié)論當(dāng)壩基覆蓋層以下存在變形模量較小的軟巖時（特別是壩基1倍壩高深度以下就存在軟巖時），會增大壩體和防滲結(jié)構(gòu)的變形和沉降，從而影響防滲系統(tǒng)的可靠性。在防滲體設(shè)計(jì)及計(jì)算過程中應(yīng)考慮軟巖的影響，而不能采取以往分析只考慮到覆蓋層底部，而把軟巖基巖作為完全剛性地基考慮。由于水的力學(xué)作用和物理化學(xué)作用的相互影響，使得壩基軟巖軟化和受力變形情況更為復(fù)雜。本文只是對低土石壩進(jìn)行分析，對于高土石壩壩基存在深層軟巖的情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況作更深入的研究。參考文獻(xiàn)：1束一鳴、朱晟，軟硬巖相同地基上面板二、三維比較，河海大學(xué)學(xué)報(bào)，19962姜弘道，水工結(jié)構(gòu)工程與巖土工程的現(xiàn)代計(jì)算方法及程序，河海大學(xué)出版社，1992DeformationEffectofSoftRocksinDeep-LeveltoEmbankm