深覆蓋層上的面板堆石壩柔性連接技術研究

深覆蓋層上的面板堆石壩柔性連接技術研究

1深覆蓋層防滲在土石壩工程中，壩基通常是覆蓋較深的層，這非常常見。在這種情況下，深層粘土處理通常是水庫設計和安全運行的關鍵。座落在砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩的地基處理一般采用三種方式:(1)將覆蓋層全部挖除;(2)趾板開挖后置于基巖上,而壩體建于砂礫石層上;(3)將趾板置于砂礫石層上,并采用混凝土防滲墻處理地基,即垂直防滲方案。對于第一種處理方式,只有當?shù)鼗采w層很淺或覆蓋層中有特殊的地層情況時才采用。第二種處理方式是目前中國面板堆石壩建設中最常用的地基覆蓋層處理方式。但采用這種處理方式,在壩基覆蓋層很深的情況下,會造成工程量大和工期延長的弊端,同時,如果開挖過深的話,還會引起反滲水壓對墊層的破壞。對于深厚覆蓋層上的面板堆石壩,在條件適合時,采用垂直防滲的方案將是一種較為有效的處理方式。所謂垂直防滲方案是指利用混凝土防滲墻處理地基滲流,將趾板直接置于覆蓋層地基上,并用趾板或連接板將防滲墻與面板連接起來,接縫處設置止水,從而形成完整的防滲系統(tǒng)。趾板與防滲墻之間的連接方式一般有兩種,一種為柔性連接,即趾板或連接板與防滲墻頂采用平接的形式,其接縫按周邊縫處理,板間設置伸縮縫(如圖1所示)。另一種為剛性連接,即趾板通過混凝土墊梁固定在防滲墻頂部,這樣的連接一般采用雙防滲墻的形式(如圖2所示)。對于采用混凝土防滲墻方案的深覆蓋層上面板堆石壩,防滲墻與上部壩體防滲體(面板)的連接將是整個防滲體系的關鍵部位,同時它也是大壩-地基整個防滲系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。針對不同的壩址地形、地質條件,如何選擇合理的防滲結構形式,如何保證防滲結構的各個部分在自重和外荷作用下,能夠滿足變形協(xié)調(diào)、應力適當?shù)囊?這是深覆蓋層上面板堆石壩設計中的重要問題。本文圍繞上述問題,結合新疆察汗烏蘇和甘肅九甸峽面板堆石壩工程,通過對壩體和壩基整體結構在不同工況下的數(shù)值分析,深入研究覆蓋層上面板堆石壩的應力變形特性、深覆蓋層對上部壩體變形的影響以及壩體-面板-趾板-連接板-防滲墻-覆蓋層之間的靜力相互作用關系。2堆石體變形特性分析對于深覆蓋層上面板堆石壩復雜結構的應力變形特性分析,數(shù)值計算研究是目前最主要的分析方法,其中,堆石體的本構模型以及接觸面和接縫系統(tǒng)的模擬是分析中的關鍵所在。2.1模量式和單元模型在數(shù)值計算分析中,壩體和地基砂礫石等土石材料均采用鄧肯-張非線性彈性E-B模型,基巖、混凝土面板、混凝土防滲墻和連接板等材料采用線彈性模型。鄧肯模型的模量計算公式如下。切線彈性模量切線體積模量式中:σ1和σ3為最大和最小主應力;Pa為大氣壓力;c和φ為強度指標;Rf為破壞比;K為彈性模量數(shù);n為彈性模量指數(shù);Kb為體積模量數(shù);m為體積模量指數(shù)。面板與墊層、趾板與地基、連接板與地基、防滲墻與地基之間的接觸面,計算分析中采用薄層接觸面單元模擬。對于薄層接觸面單元,接觸面上的變形可以分為基本變形和破壞變形兩部分。在正常受力情況下,單元產(chǎn)生基本變形{ε′},其材料的本構關系與墊層料一致,薄層單元在計算過程中按普通實體單元參與計算。當剪應力達到抗剪強度產(chǎn)生了沿接觸面的滑動破壞或接觸面受拉產(chǎn)生了拉裂破壞時,單元產(chǎn)生破壞變形{ε″},破壞變形采用剛塑性假定。2.2sdapcd程序三維計算所采用的分析程序為中國水利水電科學研究院巖土工程研究所開發(fā)的SDAP3D程序。程序采用鄧肯-張非線性彈性應力應變模型,有限元網(wǎng)格采用六面體八節(jié)點等參單元。2.3主要計算參數(shù)計算分析中所采用的材料參數(shù)取自室內(nèi)大型三軸試驗的成果,其中,表1為新疆察汗烏蘇面板堆石壩的主要計算參數(shù),表2為甘肅九甸峽面板堆石壩的主要計算參數(shù)。表中Kur為卸荷彈性模量數(shù)。3層中板堆積層上的開口水流變形特性3.1對估計的影響圖3～圖5為察汗烏蘇面板堆石壩壩體和地基的變形分布。從圖中可以看出,壩基覆蓋層的存在對上部壩體的變形有著明顯的影響。修建于基巖上的壩體,其基巖的沉降變形很小,因此,該壩體的變形主要是壩體在其自重和水荷載作用下的變形,壩體最大沉降區(qū)域一般位于壩體中部。而修建于深覆蓋層上的面板壩,壩體的最大沉降變形明顯偏向壩體底部,壩基覆蓋層在上部壩體的作用下承受壓縮變形,并且以壩軸線附近為界,覆蓋層分別產(chǎn)生向上游側和下游側的橫向位移。3.2防滲墻和外墻之間的變形關系對于防滲墻與趾板的剛性連接方案,由于防滲墻與趾板為一個整體,因此不存在相對變形的問題。而對于柔性連接方案,趾板、連接板與防滲墻之間的相對變形則是一個重要問題。圖6為察汗烏蘇面板壩竣工期和蓄水期連接板與防滲墻和趾板之間的相對變形關系,圖7為九甸峽面板壩蓄水期防滲墻和趾板之間的相對變形關系。從圖6中可以看出,受壩基沉降變形的影響,在竣工期,連接板與混凝土防滲墻之間一般會產(chǎn)生張拉變形,但尚不會出現(xiàn)較大的差異沉降。蓄水以后,連接板受其下部地基砂礫石沉降變形的影響較大,因此,在連接板與防滲墻與之間將會產(chǎn)生較大的沉降差,而連接板與趾板間的沉降差則不甚明顯。從圖7的變形曲線可以看出,防滲墻頂與趾板間也存在著一定的沉降差異,但這部分的差異變形通過連接板得到了協(xié)調(diào)。3.3水荷載作用對于深覆蓋層上的面板壩,由于地基覆蓋層在上部壩體的作用下將產(chǎn)生從壩中線分別向上、下游方向的水平位移,因此,防滲墻也將向上游方向產(chǎn)生變形,這種變形趨勢在竣工期最為明顯。蓄水以后,防滲墻受上游水荷載的推力作用,防滲墻的變形趨向下游方向。由于防滲墻底部受基巖約束,防滲墻的最大水平位移將發(fā)生在墻頂。圖8為察汗烏蘇面板壩竣工期和蓄水期壩基混凝土防滲墻的位移趨勢。3.4面板壩體應力圖9、圖10為九甸峽面板壩柔性連接方案蓄水期面板的變形與應力(圖中位移以指向面板外側為正,應力以壓為正)。從面板的法向位移分布上看,由于受壩基覆蓋層變形的影響,面板的最大法向位移區(qū)域與常規(guī)的面板壩相比,明顯地偏向面板底部。而且,對于柔性連接方案,由于趾板直接置于覆蓋層上,趾板的變形相對較大,面板也會隨之產(chǎn)生相應的變形,變形的趨勢主要是以向下的沉降變形為主。3.5拉應力出現(xiàn)“應力”由于防滲墻底端受基巖約束,頂端變形量最大,因此,防滲墻底部和頂部均有拉應力出現(xiàn),而且以頂部的拉應力相對較大。從墻體的受力狀態(tài)看,墻體主要承受壓應力,在竣工期,防滲墻體主要受地基覆蓋層沉陷所引起的摩擦拖曳力作用,而蓄水期則還要承受墻頂上的庫水壓力和橫向水荷載引起的彎曲應力。4防止?jié)B透和腳趾之間的靈活連接4.1防滲墻與外墻的彎曲變形分別對甘肅九甸峽面板壩的防滲墻與趾板柔性連接和剛性連接情況進行計算分析,得到其防滲墻和連接板的變形趨勢如圖11。從圖11可以看出,在柔性連接的情況下,受荷載的作用,趾板與連接板的變形主要表現(xiàn)為沉降變形,連接板可以擔負協(xié)調(diào)防滲墻與趾板間差異沉降的作用。從防滲墻的變形上看,墻體沿壩軸線方向和沿高度方向均有一定程度的彎曲變形,且以沿壩軸線方向的彎曲變形為主。在剛性連接情況下,由于趾板通過混凝土梁與防滲墻相接,在兩道防滲墻的頂托作用下,趾板的基礎變形較柔性連接方案明顯減小。但蓄水期防滲墻頂將承受較大的水壓力作用。從防滲墻的變形上看,沿壩軸線方向,河槽中部的墻體變形相對較大,沿高程方向,墻體中上部變形較大。相比較而言,上游墻的變形較大,下游墻的變形較小。從防滲墻所受的水平向水荷載看,兩種連接方式基本相同。對于柔性連接方案,趾板因水荷載而產(chǎn)生的位移以及連接板因豎直向水壓力而產(chǎn)生的位移對防滲墻的影響較小。防滲墻的水平位移主要來自水平向水荷載。而對于剛性連接方案,由于防滲墻、趾板和混凝土連接梁基本上構成了一個整體,趾板的位移對防滲墻的變形有著直接的影響。由于水荷載的作用,趾板受到豎直向下和朝向下游方向的作用力,這樣的作用力對于防滲墻而言有著一定的連帶作用。由于趾板與防滲墻的剛性連接方式,趾板所承受的庫水壓力將直接轉至防滲墻承擔,因此,剛性連接方式墻體所受的壓力較大,墻體的彎曲變形也將超過柔性連接方式。另外,由于剛性連接減小了趾板的沉降變形,而面板底部卻因壩基覆蓋層沉降變形的影響產(chǎn)生較大的沉降變形,因此,這種情況將可能造成周邊縫相對變形的增大。4.2防滲墻變形與連接板或外包板長度的關系對于柔性連接方案,無論是否采用連接板,趾板與壩基防滲墻之間均應保持一個適當?shù)木嚯x,以盡可能地協(xié)調(diào)趾板與防滲墻的相互作用關系。從竣工期地基覆蓋層的變形趨勢上看,距壩中線越遠的部位受壩基沉降變形的影響越小。而在水庫蓄水的情況下,由于水平放置的連接板將直接承受庫水壓力的作用,所以,連接板(或趾板)長度越長,其受力面積越大。因此在這兩方面因素的影響下,防滲墻的變形與連接板(或趾板)長度之間呈現(xiàn)出以下的相關關系:連接板(或趾板)長度越長,竣工期防滲墻向上游的變形越小,但在蓄水期向下游方向的變形越大;反之,連接板(或趾板)長度越短,竣工期防滲墻向上游的變形越大,但在蓄水期向下游方向的變形越小。由此可見,防滲墻的變形與連接板(或趾板)的長度密切相關,而且,針對不同工程的具體情況,應該客觀存在一個對于防滲墻應力、變形狀態(tài)最優(yōu)的長度,這個長度可以通過多方案的計算對比分析得出。5壩體結構變形通過對新疆察汗烏蘇和甘肅九甸峽面板堆石壩工程的壩體及壩基整體結構的數(shù)值分析,得出如下結論:(1)應力、變形特征表現(xiàn)為,壩體的最大沉降和面板的最大法向位移區(qū)域下移、壩頂產(chǎn)生向內(nèi)凹陷的變形。壩基覆蓋層在上覆壩體的作用下,呈下凹的變形趨勢。面板在蓄水期中部承受壓應力,岸坡處局部有拉應力。防滲墻在水荷載和壩基土體的共同作用下,主要以壓應力為主。綜合而言,壩基覆蓋層的變形對壩體結構會產(chǎn)生一定的不利影響,設計中應采取措施將其限定在一定范圍之內(nèi),從而保證工程的安全運行;(