青峰嶺水庫主壩筑壩材料質(zhì)量問題的分析

青峰嶺水庫主壩筑壩材料質(zhì)量問題的分析

1主要交通線路山東省壽縣青峰嶺水庫位于徐河上游，屬于淮河水系。庫址為770km2，總庫4.01億3m，興利庫2.69億3m。防洪標準由100年和5年洪水恢復計算。青峰嶺水庫1959年11月開始興建,1960年7月建成,是以防洪為主,結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大(2)型水庫,水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、放水洞、水電站等建筑物組成。水庫保護著下游莒縣、臨沂、郯城、蒼山等縣市的工礦企業(yè),5.47萬ha農(nóng)田和100多萬人口以及兗石鐵路、隴海鐵路、京滬鐵路、206國道、016國道等重要交通干線。青峰嶺水庫除險加固工程總投資1.508億元,自2002年11月動工,設(shè)計工期2.5年。工程內(nèi)容主要包括主壩加固、溢洪道加固、放水洞加固等項目。青峰嶺水庫主壩為寬心墻砂殼壩,大壩主要存在著以下質(zhì)量問題:(1)主壩上游砂殼和上游壩基砂層在地震烈度Ⅷ度條件下,存在著液化問題;主壩上下游邊坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。(2)主壩上游反濾層達不到設(shè)計要求,個別位置無反濾層;上游混凝土預制塊及砌石護坡厚度不滿足設(shè)計要求。(3)主壩樁號0+700～0+870段下游壩腳出現(xiàn)滲流。(4)高程160.0m以上防滲斜墻由粘土和礫質(zhì)壤土組成,硬可塑或硬塑狀態(tài),土料混雜,夾有粗砂和礫石,干密度低,滲透系數(shù)為7.17×10-4cm/s,滲透系數(shù)較大。由以上問題可以看出,青峰嶺水庫主壩所存在的主要質(zhì)量問題是筑壩材料問題引起的壩體質(zhì)量問題。因此,對礫石料和其它筑壩材料進行研究,控制土石料的填筑質(zhì)量,降低壩體及壩基滲漏,增加壩體的穩(wěn)定性,準確預測大壩建成后壩體滲透變形和地震荷載下的壩趾及上游壩坡飽和土體的液化狀態(tài),已成為一個重要的研究課題。2青峰嶺水庫主要受損機理分析2.1壩殼砂層震動液化的形成機理當遭遇Ⅷ度地震時,上游壩坡及上游壩基存在著可能發(fā)生液化的區(qū)域,上游壩殼及壩殼砂層產(chǎn)生震動液化的原因:飽和非粘性土體中的孔隙壓力增大,致使壩殼或壩腳處土體的有效應(yīng)力減小。當土體中孔隙水壓力等于上覆土壓力時,壩殼內(nèi)的有效應(yīng)力完全消失,土的抗剪強度為零,土顆粒處于懸浮狀態(tài),即液化。2.2防滲滲流產(chǎn)生滲流的原因主壩高程160.0m以上部分防滲體由粘土和礫質(zhì)壤土組成,硬可塑、硬塑狀態(tài),土料混雜,夾有粗砂和礫石,干密度低,滲透系數(shù)為17×10-4cm/s,壓實度0.88,這是造成砂殼壩體產(chǎn)生滲流的主要原因。當庫水位高于160.0m時,防滲斜墻產(chǎn)生滲透破壞。產(chǎn)生滲漏的原因有以下幾點:部分壩段防滲體與排水體之間無反濾層或施工時反濾層錯斷混層,或填土不夠密實,過大的滲流使防滲體填土流向排水體;壩體在分層填筑時土層較厚,施工機械的功率不足,每層填土上部密實,下部疏松形成水平集中滲漏帶,有的壩段由于施工組織落后,特別是大規(guī)模的土法施工及人工填筑,土層厚薄不一,上升速度不一致,致使相鄰兩段的接合部位出現(xiàn)了少壓或漏壓的松土帶。填筑時在壩體內(nèi)填筑的是砂性土或礫質(zhì)土層,或冬季施工時大量的凍土塊被填入壩體內(nèi),或?qū)δ雺汉蟮膬鐾翆游醋鎏幚?都會形成軟弱層,成為壩體滲漏通道;壩體裂縫滲漏、砂殼壩體開裂或心墻微裂縫是形成壩體隱蔽滲漏的原因,由于心墻或斜墻后的壩殼一般是強透水土料,通過裂縫的集中滲漏將在壩殼中擴散,且難以發(fā)現(xiàn)。2.3管涌流土及流土的破壞形式在壩體與壩基、壩體與兩岸山坡、防滲設(shè)施與破碎基巖之間接觸部位,由于設(shè)計和施工等原因成為滲漏的途徑而發(fā)生接觸沖刷甚至可能是潰壩失事。滲透變形的形式及其發(fā)生發(fā)展過程與地質(zhì)條件、土粒級配、水力條件、防滲排滲措施有關(guān),通常可歸納為下列四種類型:(1)管涌:在一定的滲流作用下,土體中的細顆粒沿著骨架顆粒所形成的孔隙管道移動或被滲流帶走,這種現(xiàn)象稱為管涌,一般發(fā)生在砂礫料中。(2)流土:在一定的滲流作用下,土體中的顆粒群同時起動而流失,它既可以發(fā)生在非粘性土中,也可以發(fā)生在粘性土中。非粘性土中的流土變形表現(xiàn)為顆粒群的同時起動,諸如泉眼群、砂沸、土體翻滾被托起等。粘性土中的流土變形則表現(xiàn)為土塊隆起、膨脹、浮動、斷裂等現(xiàn)象。(3)接觸沖刷:滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流動時,把其中顆粒層的細顆粒帶走,這里所指的接觸面,其方向是任意的。(4)接觸流土:滲流垂直于兩種不同介質(zhì)接觸面流動時,把其中一層的細顆粒移入到另一層去,反濾層的淤塞就是這種破壞形式的典型表現(xiàn)。青峰嶺水庫主壩的滲透變形形式主要為管涌和接觸流土。3青峰嶺水庫大壩壩體穩(wěn)定研究發(fā)展現(xiàn)狀土工合成材料加筋技術(shù)在國外已有三十多年的應(yīng)用歷史,在我國也有二十多年的應(yīng)用歷史,特別是近十年來得到迅速發(fā)展,在很多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,取得了很大的經(jīng)濟和社會效益。但該技術(shù)在水利工程中的研究與應(yīng)用相對落后。水庫大壩壩體型式多為粘土心墻砂殼壩或均質(zhì)壩,其筑壩材料以砂礫土、碎屑土居多。由于受地形所限,或當?shù)赝猎淳o張等原因,大壩壩坡難以達到規(guī)范要求的坡比,或要達到規(guī)范要求的坡比所需要的代價較高。針對以上情況,莒縣青峰嶺水庫管理處聯(lián)合中國科技大學等科研院所,于2005年聯(lián)合攻關(guān),進行了“加筋土石壩壩殼料試驗及壩體穩(wěn)定性研究”。本課題立足于山東土石壩工程實際,選擇了土石壩除險加固中的關(guān)鍵問題即筑壩材料的優(yōu)化、加筋率的合理選擇、防滲綜合措施應(yīng)用等展開研究,在土工格柵加筋機理、加筋土石壩的防滲、穩(wěn)定及變形等方面進行了較有價值的研究。3.1塑料土工格柵加筋作用機理土工格柵是一種新興的土工合成材料,該材料為高強度聚丙烯或高密度聚乙烯的高分子聚合物片材,在一定的溫度下,經(jīng)過擠扳壓延、沖孔、縱向拉伸(使高分子聚合物的分子鏈定向排列,達到提高其抗拉強度的目的)、冷卻定型等工藝過程制作而成的片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物。土工格柵通常分為單向(代號GD)土工格柵和雙向(代號GS)土工格柵。塑料土工格柵的主要特點是均勻穩(wěn)定、變形模量大、抗拉強度高、韌性好、重量輕、耐腐蝕、抗老化、與土顆粒之間的相互作用強并能在較短時間內(nèi)發(fā)揮加筋作用。其加筋性能優(yōu)異,結(jié)構(gòu)特殊的格柵縱橫相連能防止填料局部下陷,最大程度減少壩體裂縫,增強土體的整體穩(wěn)定性能。塑料土工格柵工程的力學特性歸納如下:(1)塑料土工格柵與土的界面接觸效率較高,特殊的結(jié)構(gòu)形式與土顆粒之間的相互作用強,加筋作用顯著,其具有變形模量大、抗拉強度高、韌性好、重量輕、均勻穩(wěn)定、耐腐蝕、抗老化等,因此土工格柵是優(yōu)良加筋材料。(2)內(nèi)部穩(wěn)定性破壞取決于筋材的抗拉強度和填料與筋材間的最大摩阻力,主要有兩種破壞形式,即加筋材拉斷破壞-拉力破壞和加筋材拔出破壞-粘著破壞。(3)在同等軸向應(yīng)力條件下,土工格柵加筋砂礫料土體的側(cè)向剪脹應(yīng)變要小于未加筋的砂礫料,說明在土中鋪設(shè)土工格柵可有效地約束地基土體的側(cè)向剪脹變形,增強地基土體的內(nèi)部穩(wěn)定性。(4)未加筋砂礫料和加筋砂礫料均服從MohrColumb強度破壞準則,在砂礫料中鋪設(shè)土工格柵,可以提高其抗剪強度C、φ值,加筋的主要效果表現(xiàn)為使砂礫料獲得了一定的準粘聚力Δc。加筋、未加筋砂礫料固結(jié)排水試驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖1。3.2配礫石土穩(wěn)定性分析(1)加筋力計算:滿足壩坡穩(wěn)定需要的總加筋力Ts計算公式為:式中:Ts為作用于單位坡長(作用點位于H/3處,H為滑弧范圍的坡高)需要的總加筋力;M0為對應(yīng)Fsu的滑動圓心的滑動力矩之和;D為加筋力TS力臂;Fsr為規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),正常情況取Fsr=1.35,地震情況Fsr=1.15;Fsu為加筋前陡坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)土的物理力學指標,采用畢肖普法計算確定,因需要最大加筋力的滑弧一般并非安全系數(shù)最小的圓弧,故應(yīng)求出最小安全系數(shù)至規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)之間的一系列安全系數(shù)值,分別代入上式進行計算。穩(wěn)定計算時,寬級配礫石土的物理力學指標:濕容重1.94g/cm3,飽和容重1.95g/cm3,內(nèi)摩擦角Φcu=26.5°,粘聚力Ccu=0.2kPa,正常情況及地震情況下寬級配礫石土內(nèi)的水位均與原地面水位同高,取最高斷面做為計算斷面。經(jīng)穩(wěn)定計算,地震情況的安全系數(shù)系列取值為:0.6、0.83、0.695、0.5、0.307,正常情況的安全系數(shù)系列值取為:1.18、0.984、0.806、0.601、0.39。經(jīng)計算,地震情況下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.695時,總加筋力最大,其值為77.9kPa。(2)加筋層數(shù)的確定加筋層數(shù)N的計算公式為:N=Ts/Tа(2)式中:Ts為作用于單位坡長需要的總加筋力;Tа為筋材的允許拉力,取所選筋材極限抗拉強度的0.25倍,土工格柵采用EG130型,極限抗拉強度為52.5kN/m,蠕變極限強度不小于21.0kN/m。計算結(jié)果表明:土工格柵最佳層間距0.75m,第一層平鋪于地基上,在兩層主筋間鋪中間筋材,坡面處應(yīng)折回包裹,使其壓在上一層筋材下,壓入長度取1.2m。(3)筋材長度確定為滿足陡坡穩(wěn)定,所加筋材必須滿足錨固要求,防止拔出,加筋長度計算公式為:式中:Ta為筋材的容許拉力,kN/m;Fs為抗拔安全系數(shù),取1.5;fφ為抗拔摩擦系數(shù),fφ=0.8tgφ,φ為土料的內(nèi)摩擦角;a為考慮錨固長度內(nèi)應(yīng)力非線衰減的系數(shù),取a=0;σv為筋材上的垂直有效壓力,kPa。3.3土工格柵加筋技術(shù)青峰嶺水庫主壩加固單位工程中的主壩樁號000～0+130、高程151～167m壩段,原除險加固施設(shè)計工圖中壩坡坡比為1∶3.0,因此段壩坡下游為放水洞,為避免該段主壩放緩壩坡時受放水洞引渠的影響,故設(shè)計在上游壩腳設(shè)一C20素混凝土擋土墻,以防止上游壩腳前伸,并將擋土墻用鋼筋錨桿錨固在巖基上,防止擋土墻失穩(wěn)。施工過程中,應(yīng)用了土工格柵加筋技術(shù),將土工格柵分層鋪設(shè)到正在施工的壩體中,有效增大了土料的摩擦角,提高壩體填筑料穩(wěn)定性,將該段壩坡坡比由原設(shè)計1∶3.0變更為1∶2.0,該技術(shù)應(yīng)用在土石壩體中在省內(nèi)屬首創(chuàng)。經(jīng)鑒定,該技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先水平,并獲山東省科技進步三等獎。圖2為土工格柵加筋施工現(xiàn)場,圖3為土工格柵加筋施工剖面示意圖。對壩體寬級配礫石土,要求先清基0.3m厚,再用寬級配礫石土筑壩,粗顆粒(d﹥5mm)含量控制在50%以上,壩土料分層碾壓,設(shè)計干密度大于1.8g/cm3,最大粒徑不超過2/3鋪土層厚。壩頂預留超高取壩高的1%,下游坡面應(yīng)借助堆土袋防止碾壓時坡面滑動,土袋裝入便于長草的壤土,粘粒含量要求大于18%。壓實機械與格柵間至少應(yīng)有0.3m的土料,且每層壓實厚度不超過0.5m,采用10t以上振動碾順壩軸線方向碾壓,碾壓遍數(shù),碾壓設(shè)備距混凝土墻及下游邊坡距離由現(xiàn)場碾壓試驗確定,不宜壓實的部位可減小鋪料厚度,用其它適合的壓實機械壓實,具體施工方案按YS5032-2000《碾壓式土石壩施工規(guī)范》要求,經(jīng)現(xiàn)場試驗確定。實施土工格柵加筋技術(shù)取得了以下效果:(1)土石壩內(nèi)加入土工格柵,增大了土的內(nèi)聚力和摩擦角,減小了壩坡坡度。在青峰嶺水庫大壩加固工程應(yīng)用試驗研究中,將原設(shè)計的上游壩坡度由原來的1∶3.0變?yōu)?∶2.0,