深厚覆蓋層上高面板堆石壩新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形性狀影響因素研究

1、潘家軍潘家軍水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室長江水利委員會長江科學(xué)院長江水利委員會長江科學(xué)院2015. 7. 20匯匯 報報 提提 綱綱一、研究背景與意義一、研究背景與意義二、計算模型及計算參數(shù)二、計算模型及計算參數(shù)三、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響三、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響四、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響四、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響五、結(jié)論五、結(jié)論1、研究背景與意義、研究背景與意義攀枝花攀枝花宜賓宜賓樂山樂山二灘電站二灘電站金沙江金沙江金金沙沙江江岷岷江江大大渡渡河河長江長江雅雅礱礱江江YibingPanzhihuaLeshang成成都

2、都 昆昆明明宜宜賓賓大大理理樂樂山山攀枝攀枝花花麗麗江江瀾瀾滄滄江江金金沙沙江江雅雅礱礱江江大大渡渡河河岷岷 江江白鶴灘糯扎渡烏東德金沙江干流：烏東德、塔城、其宗金沙江干流：烏東德、塔城、其宗雅礱江干流：兩河口、牙根雅礱江干流：兩河口、牙根大渡河干流：雙江口、長河壩、瀑布溝大渡河干流：雙江口、長河壩、瀑布溝瀾滄江干流：糯扎渡、如美、古水瀾滄江干流：糯扎渡、如美、古水怒江中下游：松塔、鹿馬登怒江中下游：松塔、鹿馬登壩高壩高136m覆蓋層厚覆蓋層厚90m獅子獅子坪坪瀑布瀑布溝溝壩高壩高186m覆蓋層厚覆蓋層厚75m糯扎糯扎渡渡壩高壩高261.5m覆蓋層全開挖覆蓋層全開挖雙江雙江口口壩高壩高314m

3、覆蓋層厚覆蓋層厚6080m全部挖除全部挖除1、研究背景與意義、研究背景與意義九甸九甸峽峽壩高壩高136m覆蓋層厚覆蓋層厚56m察汗烏蘇察汗烏蘇壩高壩高107.5m覆蓋層厚覆蓋層厚47m1、研究背景與意義、研究背景與意義q 隨著我國西部水電開發(fā)進(jìn)程的深入，不可避免地會遇隨著我國西部水電開發(fā)進(jìn)程的深入，不可避免地會遇到深厚覆蓋層上的建壩問題，面臨覆蓋層開挖與保留到深厚覆蓋層上的建壩問題，面臨覆蓋層開挖與保留問題問題 大開挖方案：直接大開挖方案：直接將心墻壩的防滲心將心墻壩的防滲心墻或面板壩的趾板墻或面板壩的趾板建造在基巖上建造在基巖上 開挖回填工程量大 工期長 施工期間的排水困難 棄碴占地多且污染

4、環(huán)境1、研究背景與意義、研究背景與意義 保留方案：直接將保留方案：直接將心墻壩的防滲心墻心墻壩的防滲心墻或面板壩的趾板建或面板壩的趾板建造在覆蓋層上造在覆蓋層上廊道尺寸較小，一般僅允許在廊道里面進(jìn)行帷幕灌漿，不能在廊道里面施工防滲墻，必須先施工完防滲墻再填筑壩體。無法調(diào)整防滲墻的施工順序，制約工期覆蓋層超百米，壩高超150m，壩基變形量大、防滲墻應(yīng)力高，對防滲結(jié)構(gòu)要求高，難以接受，尚無工程經(jīng)驗1、研究背景與意義、研究背景與意義深厚覆蓋層上直接建設(shè)高壩對策深厚覆蓋層上直接建設(shè)高壩對策q 心墻壩心墻壩：直接在覆蓋層上建：直接在覆蓋層上建“混凝土蓋板混凝土蓋板”，混凝土蓋板中設(shè)置，混凝土蓋板中設(shè)置大

5、型廊道，可以在大型廊道中施工修建防滲墻，由覆蓋層中的防大型廊道，可以在大型廊道中施工修建防滲墻，由覆蓋層中的防滲墻、混凝土蓋板及以上的壩體形成完整的防滲體系。滲墻、混凝土蓋板及以上的壩體形成完整的防滲體系。1、研究背景與意義、研究背景與意義深厚覆蓋層上直接建設(shè)高壩對策深厚覆蓋層上直接建設(shè)高壩對策q 面板壩面板壩：在覆蓋層上澆筑一層混凝土蓋板：在覆蓋層上澆筑一層混凝土蓋板1、研究背景與意義、研究背景與意義2 2、計算模型及計算參數(shù)、計算模型及計算參數(shù)q 計算模型計算模型依托我國西南地區(qū)金沙江擬建的某高土石壩工程，最大壩高218m河床覆蓋層厚77m100m，主要為砂礫卵石和漂石，自上而下依次為、河

6、床覆蓋層內(nèi)設(shè)兩道混凝土防滲墻，防滲墻厚1.6m，深入基巖1m壩體和覆蓋層的本構(gòu)模型采用鄧肯E-B模型剖分單元數(shù)為2170個，節(jié)點數(shù)為2457個計算中面板、蓋板、防滲墻采用線彈性模型，面板與墊層、防滲墻與覆蓋層、蓋板與壩體及覆蓋層之間設(shè)置無厚度Goodman單元模擬接觸面特性計算仿真模擬壩體施工、蓄水全過程2 2、計算模型及計算參數(shù)、計算模型及計算參數(shù)q 計算參數(shù)計算參數(shù)材材 料料干密度干密度(t/m3)()()C(kPa)RfknKurKbm主堆石料主堆石料2.2247.8600.8916000.2932005750.38次堆石料次堆石料2.2246.75.700.8914500.273000

7、5300.30過渡層料過渡層料2.1042.73.800.799000.3218004500.24墊層料墊層料2.1538.7000.749860.3618003800.32覆蓋層覆蓋層2.1848.77.200.859000.4718004580.23覆蓋層覆蓋層1.6432.60380.883700.237501100.27覆蓋層覆蓋層2.2352.09.500.8613000.2726007750.13接觸面接觸面/11/150.7415000.66/2 2、計算模型及計算參數(shù)、計算模型及計算參數(shù)q 計算方案計算方案方案方案方案方案編號編號方案方案蓋板長度蓋板長度蓋板分縫蓋板分縫覆蓋層覆

8、蓋層加固區(qū)模量加固區(qū)模量基本方案基本方案1 1基本方案基本方案蓋板長蓋板長0.5倍壩底寬倍壩底寬無分縫無分縫無加固無加固,模量不模量不變變蓋板長度蓋板長度比較方案比較方案1-11-1比較方案比較方案無蓋板無蓋板1-21-2蓋板長蓋板長0.25底寬底寬1-31-3蓋板長蓋板長0.75底寬底寬蓋板分縫蓋板分縫比較方案比較方案2-12-1比較方案比較方案蓋板長蓋板長0.5倍壩底寬倍壩底寬蓋板蓋板2等份分縫等份分縫2-22-2蓋板蓋板3等份分縫等份分縫覆蓋層加覆蓋層加固比較方固比較方案案3-13-1基本方案基本方案蓋板長蓋板長0.5倍壩底寬倍壩底寬無分縫無分縫模量提高模量提高1倍倍3-23-2比較方案

9、比較方案模量提高模量提高2倍倍3 3、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響方案方案號號方案內(nèi)容方案內(nèi)容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)豎向豎向位移位移(cm)大主應(yīng)力大主應(yīng)力(MPa)小主應(yīng)小主應(yīng)力力(MPa)水平位移水平位移(cm)豎向位豎向位移移(cm)大主應(yīng)力大主應(yīng)力(MPa)小主應(yīng)力小主應(yīng)力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游1蓋板蓋板L=0.5D78.773.53675.621.429.21823936.061.481-1蓋板蓋板L=0.0D76.972.83745.591.423.92023966.001.481-

10、2蓋板蓋板L=0.25D80.073.73735.591.4301923946.001.481-3蓋板蓋板L=0.75D78.475.73645.61.4129.41754006.061.48蓋板長度對壩體應(yīng)力、變形的影響蓋板長度對壩體應(yīng)力、變形的影響 無論是竣工期還是蓄水期，壩基蓋板長度對壩體豎向位移和主應(yīng)力大小影響均很小 壩體水平位移隨蓋板長度的增大而減小，當(dāng)蓋板長度從0增大到3/4順河向壩底寬度時，水平位移最大值從202cm減小至175cm，表明蓋板對控制壩體變形有一定作用3 3、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響蓋板長度對面板應(yīng)力、變形的影響蓋板長度對面

11、板應(yīng)力、變形的影響 蓄水期面板位移和應(yīng)力隨蓋板長度的增大而減小，但總體上壩基蓋板長度對面板位移和應(yīng)力大小影響均較小方案號方案號方案內(nèi)容方案內(nèi)容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)順坡向壓應(yīng)力順坡向壓應(yīng)力(MPa)順坡向拉應(yīng)力順坡向拉應(yīng)力(MPa)1蓋板蓋板L=0.5D129.7810.532.841-1蓋板蓋板L=0.0D134.5014.362.901-2蓋板蓋板L=0.25D134.4211.702.471-3蓋板蓋板L=0.75D124.7810.392.553 3、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、蓋板長度對大壩應(yīng)力變形性狀的影響 蓋板的長度對竣工期防滲墻的變形影響很小，但在蓄水期，防

12、滲墻向下游的水平位移隨蓋板長度的增加而減小，當(dāng)蓋板長度從無到逐步增大到3/4壩底寬度時，防滲墻的彎曲撓度從1.91%減小到1.62%，防滲墻豎向壓縮變形隨蓋板寬度的增加而略有增大 在壩基面增設(shè)混凝土蓋板對防滲墻應(yīng)力變形沿高程分布規(guī)律無影響 防滲墻大主應(yīng)力以覆蓋層中間軟弱夾層為分界，下段大主應(yīng)力隨蓋板寬度的增大而略有增大，上段變化值則相對較小4 4、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響 壩基覆蓋層灌漿加固使其模量提高后，壩體變形隨加固區(qū)模量的增大而減小、主應(yīng)力隨加固區(qū)模量的增大變化較小。 加固區(qū)模量增大時，壩體向上游水平位移減小50.7%63.7%，向下游水平位

13、移則增大5.06.9%，壩體沉降減小10.9%12.5%；蓄水期壩體向上游水平位移減小27.4%51.1%，向下游水平位移減小20.95%27.5%，壩體沉降減小12.2%13.7%方案方案號號方案內(nèi)容方案內(nèi)容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)豎向豎向位移位移(cm)大主應(yīng)力大主應(yīng)力(MPa)小主應(yīng)小主應(yīng)力力(MPa)水平位移水平位移(cm)豎向位豎向位移移(cm)大主應(yīng)力大主應(yīng)力(MPa)小主應(yīng)小主應(yīng)力力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游3不加固不加固78.773.53775.621.429.21823936.061.483-1模量提高模量提高1倍倍38

14、.877.23366.191.4821.21443456.871.663-2模量提高模量提高2倍倍28.678.63306.391.5114.31323396.751.72覆蓋層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響覆蓋層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響4 4、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響 面板位移隨覆蓋層加固區(qū)模量的增大而減小，當(dāng)模量提高1倍和2倍時，法向位移分別減小20.4%和27.1% 蓋板下覆蓋層經(jīng)灌漿加固后，面板應(yīng)力隨覆蓋層加固區(qū)模量的增大而減小，當(dāng)模量提高1倍和2倍時，順坡向壓應(yīng)力分別減小41.1%和51.4%，順坡向拉應(yīng)力分別減小17.3%和34.9%覆蓋

15、層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響覆蓋層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響方案號方案號方案內(nèi)容方案內(nèi)容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)順坡向壓應(yīng)力順坡向壓應(yīng)力(MPa)順坡向拉應(yīng)力順坡向拉應(yīng)力(MPa)3不加固不加固129.7810.532.843-1模量提高模量提高1倍倍103.286.192.353-2模量提高模量提高2倍倍94.575.111.854 4、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響 面板位移隨覆蓋層加固區(qū)模量的增大而減小，當(dāng)模量提高1倍和2倍時，法向位移分別減小20.4%和27.1% 蓋板下覆蓋層經(jīng)灌漿加固后，面板應(yīng)力隨覆蓋層加固區(qū)模量的增大而減小，當(dāng)模

16、量提高1倍和2倍時，順坡向壓應(yīng)力分別減小41.1%和51.4%，順坡向拉應(yīng)力分別減小17.3%和34.9%覆蓋層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響覆蓋層加固對大壩應(yīng)力、變形的影響方案號方案號方案內(nèi)容方案內(nèi)容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)順坡向壓應(yīng)力順坡向壓應(yīng)力(MPa)順坡向拉應(yīng)力順坡向拉應(yīng)力(MPa)3不加固不加固129.7810.532.843-1模量提高模量提高1倍倍103.286.192.353-2模量提高模量提高2倍倍94.575.111.854 4、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響、覆蓋層加固對大壩應(yīng)力變形性狀的影響 防滲墻變形隨覆蓋層模量的提高而減小?？⒐て诜罎B墻向上游水平位移減

17、小32.9%47.9%，向下游水平位移則增大5.9%，防滲墻豎向位移減小21.9%35.9%，墻體彎曲撓度從1.65%減小至0.94%；蓄水期防滲墻水平位移減小29.0%37.6%，豎向位移減小58.6%69.5%。 防滲墻主應(yīng)力隨覆蓋層模量的提高而減小?？⒐て诜罎B墻大主應(yīng)力減小21.5%36.9%，小主應(yīng)力減小6.8%7.5%；蓄水期防滲墻主應(yīng)力隨覆蓋層模量提高而減小的比例與竣工期基本相同?？梢?，覆蓋層模量提高能有較為有效的約束防滲墻墻體變形，改善墻體應(yīng)力狀態(tài)覆蓋層加固對防滲墻應(yīng)力、變形的影響覆蓋層加固對防滲墻應(yīng)力、變形的影響方案方案號號方案內(nèi)容方案內(nèi)容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)豎向豎向位移位移(cm)大主應(yīng)大主應(yīng)力力(MPa)小主應(yīng)小主應(yīng)力力(MPa)水平位移水平位移(cm)豎向位豎向位移移(cm)大主應(yīng)力大主應(yīng)力(MPa)小主應(yīng)力小主應(yīng)力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游3不加固不加固36.51.76.48.971.570140.829.223.633.943-1模量提高模量提高1倍倍24.51.857.041.47099.912.118.363.903-2模量提高模量提高2倍倍191.84.15.661.45087.98.915.093.755、結(jié)論與建議、結(jié)論與建議 壩基增設(shè)混凝土