混凝土面板堆石壩的穩(wěn)定性分析

混凝土面板堆石壩的穩(wěn)定性分析

目前，混凝土板堆垛石壩（crfd）僅根據(jù)實踐經(jīng)驗進行設(shè)計，無理論依據(jù)。在大多數(shù)情況下,數(shù)值模型的使用受到限制,只用于彈性分析,在水庫初期蓄水時可預(yù)報大壩的位移,有時也可用于對大壩整個運行期的性狀進行監(jiān)測。這種大壩的表觀安全性和難以獲得高質(zhì)量的試驗資料是我們做進一步研究的理由。CRFD壩初期蓄水時,常伴有滲水,有時滲水量很大,這就影響了大壩的運行,減低了大壩的運行效益,采取補救措施則需要花費很多錢,且這些補救措施還不一定有效。因此,有些業(yè)主錯誤地認為滲漏是CRFD壩天生的缺陷。但是,仍可以獲得更好的結(jié)果。本文對系統(tǒng)地采用CRFD壩施工期、蓄水期、運行期獲得的實際經(jīng)驗來更可靠地預(yù)測CRFD壩的性能進行了探討。本文所用方法的依據(jù)是堆石壩特性的規(guī)律,因此要求從一開始就需要實施一項合適的監(jiān)測方案,這樣,用適當(dāng)?shù)姆椒y得的成果就可以彌補實驗室試驗數(shù)據(jù)不足的缺陷。1壩體材料穩(wěn)定性的影響從本質(zhì)上來說,CRFD壩是一種非常安全的壩型,其理由是:(1)分區(qū)堆石壩完全位于防滲系統(tǒng)的下游,因此原則上講是不漏水的;(2)施工期間不存在危及大壩穩(wěn)定性的孔隙壓力問題;(3)堆石壩是穩(wěn)定的,即使漏水也是穩(wěn)定的;(4)水庫蓄水較少時,施加在壩基上的增量應(yīng)力相對較小,有集中于壩軸線上游部分的趨勢。不過,應(yīng)該注意,只有在以下情況下才達到這種相對的穩(wěn)定性:(1)壩基不易受到?jīng)_蝕;(2)位于上游面板之下的過渡區(qū)能很好地控制流過面板和/或周邊縫的滲水(即不會因為夾帶走細粒料而產(chǎn)生破壞);(3)壩體材料能自流排水,即不會阻擋滲水(假如大壩由沖積材料建成,則其風(fēng)險是相當(dāng)大的)。在對CRFD壩的這種表觀固有的安全性重新進行評價以后,設(shè)計者優(yōu)先考慮的是降低施工費用:(1)使用風(fēng)化材料,并在無水情況下將其壓實成厚層來形成下游壩殼(按標(biāo)準(zhǔn)分類法,此類材料屬于3C材料);(2)增加3C材料所占的比例,即減少堅硬堆石在主壩體中的比例,并縮小面板以下材料和上游堆石之間的過渡區(qū);(3)增大下游面坡度,減少堆石的總體積,將穩(wěn)定性作為唯一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(且在壩基允許的情況下,使用堆石靜止摩擦角)。在某些情況下,這些概念性的詳細修正綜合考慮了大壩施工期和蓄水期的工況。下面通過對4座大壩(墨西哥阿瓜米爾帕壩,巴西辛戈壩,中國天生橋1號壩和巴西伊塔壩)工況的分析來說明這些情況。1.1混凝土面板增長情況在該壩投運的第二年(1994年),大壩下游的滲漏率突然從4L/s增大到260L/s,然后又減少。這種現(xiàn)象于1996年和1998年又重復(fù)出現(xiàn)過兩次,1997年滲漏率稍微減小了一些。當(dāng)庫水位達到220m高程時(即壩頂以下15m時),滲漏率系統(tǒng)地增加了。1997年,在混凝土面板上發(fā)現(xiàn)了兩排連續(xù)的水平裂縫,一排位于壩頂以下55m高程處的大壩中心部位,另一排在壩頂以下40m處,沿著整個壩面向外擴展。埋在大壩內(nèi)的儀器探測到靠近壩頂三分之一處(即出現(xiàn)裂縫的區(qū)域)面板的曲率發(fā)生了變化。裂縫是由面板頂部(壩頂以下30m)的凸曲率產(chǎn)生的彎矩造成的。下游壩殼與大部分上游壩殼堆石的變形模量不同是大壩出現(xiàn)各種變形的原因。1.2混凝土面板上出現(xiàn)的裂縫1993年5月,大壩施工中,還未鋪設(shè)混凝土面板時,左岸過渡區(qū)材料中就出現(xiàn)了平均寬約2cm的垂直裂縫。用砂將這些裂縫填了起來,并對上游面重新進行了修整,在鋪面板之前用振動碾進行了壓實。水庫蓄水時,大壩下游滲漏量最大達到了210L/s,并在左岸的面板上發(fā)現(xiàn)了裂縫。從壩頂向面板上倒砂,將裂縫堵住。根據(jù)變形程度的不同,施工期間出現(xiàn)裂縫的原因可能有兩個,一是左岸壩基內(nèi)巖石隆起,二是Ⅲ區(qū)(上游堆石區(qū))和Ⅳ區(qū)(下游堆石區(qū))材料的變形程度不同。水庫蓄水以后也檢測到面板上出現(xiàn)了裂縫,其原因是該部位沉陷過大,據(jù)此可以認為,沉陷過大會導(dǎo)致面板撓曲。認為引起沉陷的原因與施工期引起裂縫的原因相同,即Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)堆石變形程度不同,以及壩基巖石突出。1.3堆石變形引起的垂直裂縫在天生橋1級壩的水庫蓄水并將庫水位降到壩頂以下70m后,上游面出現(xiàn)了水平裂縫。壩頂以下55m和45m處出現(xiàn)的裂縫最多,這兩處剛好位于面板二期施工縫的下面。該工程采用分期施工首先填筑上游壩殼的堆石,以便鋪設(shè)面板。在填筑下游壩殼的堆石時,每一施工期在過渡區(qū)材料中均系統(tǒng)地出現(xiàn)了垂直裂縫。過渡區(qū)出現(xiàn)的這些垂直裂縫被認為是由于剛性較大的面板/過渡系統(tǒng)與易受到下游側(cè)荷載作用的堆石壩殼之間的不均勻變形引起的。這些裂縫向壩內(nèi)擴展的深度達到了10m,寬度達到了15cm。施工縫以下(分期施工高程以下)面板上出現(xiàn)的水平裂縫可能是由施工過程中堆石變形產(chǎn)生的彎矩而引起的。最大的裂縫出現(xiàn)在壩頂以下30m處,該處剛好位于上游壩殼3B材料和下游壩殼3C材料變形能力之差增大的區(qū)域。1.4壩體裂縫系“撓曲”的產(chǎn)生機理在蓄水期間主壩下游滲漏率急劇增大到1781L/s后,決定進行水下勘察。通過勘察,發(fā)現(xiàn)在趾板以上20～30m有幾條裂縫,這些裂縫與壩基平行,并橫跨壩體全寬。由于有保護周邊縫的填料,不能確定這些裂縫是否穿過大壩中部。還發(fā)現(xiàn)左岸垂直縫中的止水環(huán)壞了。為了處理裂縫,將粉沙和砂料撒布在受影響的面板上,使?jié)B漏率降到250L/s。水庫蓄水期間對大壩進行的監(jiān)測表明,下游壩殼發(fā)生了明顯沉陷,使壩頂處沉降達60cm,壩頂附近面板偏移達70cm。在儀器監(jiān)測的壩段還發(fā)現(xiàn)了裂縫區(qū)的面板發(fā)生了撓曲?？梢缘贸鼋Y(jié)論,趾板以上約20m處的面板出現(xiàn)的系統(tǒng)裂縫是由于面層彎曲和形成的負彎矩所引起的。面板產(chǎn)生撓曲最初是由上游壩殼堆石料與過渡區(qū)材料之間的不均勻變形引起的,后來因下游壩殼過度沉陷而進一步惡化。不能忽視這樣一種可能性,即壩基受到了大壩整體沉陷的影響,尤其是在面板裂縫和偏移最大的右岸更是如此。2大壩的維修狀況從以上4個實例可以看出,上下游壩殼堆石或上游堆石與過渡區(qū)之間變形能力的不一致是導(dǎo)致混凝土面板出現(xiàn)裂縫的主要原因。為控制滲漏,這4座大壩都進行了維修。從未對這4座大壩的安全產(chǎn)生過懷疑,因為筑壩材料可以讓水自由流過,不會造成任何破壞,但就這種壩型及其功能而言,其滲漏率確實太高。此外,現(xiàn)在流行的趨勢是可以接受較高的滲漏率,亦即滲漏不會產(chǎn)生危險。重要的是,必須減少滲漏,因為滲漏不僅會降低大壩設(shè)計者的水平(從專業(yè)思想和誠信角度看),而且還會對大壩管理者造成損失(主要指水量損失),另外還會產(chǎn)生基礎(chǔ)耐久性問題。3現(xiàn)場材料特性的確定在以上4個實例中,數(shù)值分析可以用在以下兩個方面:(1)輔助設(shè)計,使用現(xiàn)有實驗室的試驗成果或碾壓試驗成果確定現(xiàn)場材料的特性;(2)根據(jù)儀器的測量結(jié)果,解譯大壩的性狀,并對大壩進行監(jiān)控。本文介紹伊塔壩使用GEFDYN軟件進行數(shù)值分析的情況。3.1cprd水庫輔助設(shè)計3.1.1高壩壩體結(jié)構(gòu)溫度和變形模量的特征分析用4組變形特性指標(biāo)對伊塔壩蓄水期間的性狀進行了4種彈性分析(表1)。情況1的彈性模量是根據(jù)目前CFRD壩蓄水期模擬經(jīng)驗,把根據(jù)施工期現(xiàn)場實測沉陷所確定的彈性模量乘以系數(shù)2得出的。彈性模量出現(xiàn)這樣大的差別是由于壓實堆石的各向異性變形性的可能影響或應(yīng)力狀態(tài)球形化引起的偏卸荷(這種卸荷會產(chǎn)生較高的彈性模量)造成的,盡管其物理機理還不十分清楚。根據(jù)同樣的實踐經(jīng)驗,所用泊松比為0.1。盡管大多數(shù)堆石壩的變形是不可逆的,但第一階段仍選用了彈性模型,這是因為使用結(jié)果非常簡單。施工期彈性模量使用放大系數(shù)并取泊松比為0.1是存在爭議的,目前還未得到證實。這種標(biāo)準(zhǔn)的模擬方法實際上是對幾座已建大壩性狀進行統(tǒng)計分析的結(jié)果。因此,應(yīng)該用與一般性假設(shè)有關(guān)的限制條件(實際上就是使用彈性模型)對這些結(jié)果進行分析解釋。圖1示出了通過分析得到的上游面板的垂直位移和彎矩。上游面板的各種變形使趾板附近的曲率變化,其彎矩為正值。彎矩有2個最大值。第一個最大值出現(xiàn)在260m高程原先的面板上,它是由于地基開挖引起趾板下游地基裂縫而造成的。第二個最大值出現(xiàn)的位置相應(yīng)于地基、材料E1和材料E1A3個面交界位置的正交投影。對于情況1～3,材料E1和E1A的彈性模量之比均為4。從圖1中可以清楚地看出彈性模量之比對彎矩演變的影響。垂直位移δn可用下式進行初始近似計算:式中E是垂直于面板方向高為H的傾斜柱體的等效變形模量。因此,最大撓曲的位置與HwH/E的最大值呈正比,即對于非分區(qū)壩而言,其位置剛好位于大壩一半高程處。若下游壩殼填筑材料的變形模量比上游壩殼的小,則截斷下游壩殼的柱體的等效變形模量E將較小(即EA>EB)。從變形之差來看,最大撓曲出現(xiàn)的位置應(yīng)該是以前確定的最大撓曲位置之上。如果上下游變形模量之差很大,則面板的曲度會發(fā)生變化。鄧肯提出的雙曲線模型(其變形模量取決于應(yīng)力的大小)是解決此問題的一個較好的方法。圖2示出了用沉陷儀和伸長計原位觀測到的垂直于面板的位移。從圖中可以看出,就質(zhì)量而言,彈性模型得到的變形不能反映面板的變形(計算出來的最大撓曲位置位于大壩中間高程處,而監(jiān)測結(jié)果位于大壩頂部附近);就數(shù)量而言,它低估了壩頂處的位移。事實上,像上面所給關(guān)系式一樣,彈性模型所獲得的大壩位移隨水位而變化的幅度不是很大。在大壩中心線上游的堆石底部,堆石料受到側(cè)限作用的影響,彈性律給出了正確的反應(yīng):材料的應(yīng)力狀態(tài)與壓縮儀測得的狀態(tài)平行。在頂部和下游邊附近,應(yīng)力較小,其摩爾滑動圓更接近于極限圓。彈性模型未準(zhǔn)確考慮偏應(yīng)力的作用,因此低估了大壩的變形。所以,不能用彈性模型對下游壩殼的作用尤其是下游面形狀的影響進行研究。3.1.2維彈塑性分析為研究下游面形狀對大壩整體工況的影響,對以下兩種情況進行了分析:(1)與伊塔壩下游面實際坡度(平均坡度1.3H/1V)相對應(yīng)的戧道之間的下游坡度(1.2H/1V);(2)戧道之間的下游坡面坡度1.4H/1V(平均坡度1.5H/1V)。計算內(nèi)容包括對平面變形進行二維彈塑性分析。假定下游堆石臨界狀態(tài)時的摩擦角為40°(大壩失事時的摩擦角隨側(cè)限作用的增加而減小,趨近于漸近值,即接近臨界狀態(tài)時的摩擦角)。圖3所示為垂直于面板位移的兩個數(shù)值分析的結(jié)果。就伊塔壩而言,壩頂處的最大垂直位移值減小了13cm。在壩的上半部(此處彈性模型失效),下游面的形狀對面板位移的影響非常明顯。原因很簡單:下游壩坡很陡,減少了大壩體積,因此其重量對靜水推力(該推力會引起下游壩殼產(chǎn)生較大的位移)的抵抗作用,反過來會對壩頂附近的面板產(chǎn)生更大的撓曲。實際上,變形是由壩肩連接處在極限狀態(tài)下出現(xiàn)局部不穩(wěn)定而引起的。因此,在設(shè)計CFRD壩的下游坡面時,應(yīng)考慮下游坡面對面板位移的影響,因為過大的位移會引起垂直縫或周邊縫失效,且會在面板中形成裂縫。如果大壩的內(nèi)部分區(qū)會在面板頂部產(chǎn)生負的彎矩(如阿瓜米爾帕壩),則這種解釋更為有效。節(jié)約成本與出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險之間的關(guān)系必須加以仔細研究。3.1.3堆石的制作CFRD壩中出現(xiàn)的大多數(shù)止水故障一般位于面板與面板之間接縫處。多年來,根據(jù)止水方式是開放的還是封閉的,采取不同的處理方式。這種區(qū)別要預(yù)先假定,至少要知道相對位移是正還是負,才能用3D數(shù)值模型準(zhǔn)確地表示出來(用該模型,堆石的力學(xué)特性、大壩確切的幾何形狀、施工分期等均可準(zhǔn)確表示出來)。3D模型已經(jīng)獲得了應(yīng)用,但還要做更多的工作。3.1.4材料特性及擠壓特性為了說明數(shù)值分析在大壩監(jiān)測中的作用,對伊塔壩的主壩作了反分析。率定了Aubry-Huheux彈塑性模型(多機理塑性),以使儀器在施工期和蓄水期記錄到的位移分布公式達到最佳。該模型能夠正確反映各施工期的情況:優(yōu)先壩段的施工、過渡區(qū)施工和填筑竣工以及混凝土面板的施工。面板用梁元法進行模擬。而水庫蓄水則是在網(wǎng)格的上游面施加合適的靜水壓力進行了模擬。根據(jù)用反分析法(模擬三軸試驗或壓縮試驗)獲得的參數(shù)對每種材料的特性進行了研究。圖4示出了E2區(qū)和E3區(qū)材料的力學(xué)性能,而圖5則示出了兩壩肩接觸處出現(xiàn)嚴重擠壓時風(fēng)化堆石的材料特性。表2示出了材料分類及碾壓方法。根據(jù)馬薩爾1973年所做的研究,將接觸點打濕并將材料進行均勻分級(減少壩殼之間接觸點的數(shù)量,因此作用在這些接觸點上的力增加了)可減輕壩殼的擠壓。所以,伊塔壩蓄水期下游壩殼的過度沉陷可以用壩殼之間接觸點處發(fā)生嚴重擠壓來解釋,它是由以下原因造成的:(1)壩內(nèi)水位上升,它是由于上游面或基礎(chǔ)出現(xiàn)滲水引起的,或是因尾水位抬高(水庫蓄水期間下游圍堰漫頂)使下游面被淹所致。(2)所用堆石的級配太均勻,再加上碾壓不密實(噴水不好或是碾壓層太厚),從而使現(xiàn)場材料中孔隙比較高。4正確處理面形狀的選擇與監(jiān)測的關(guān)系對伊塔CFRD壩進行的數(shù)值分析可以得出以下結(jié)論:(1)在蓄水期,如果各種筑壩材料變形能力不一,組成CFRD壩壩體的分區(qū)堆石料發(fā)生變形會使混凝土面板產(chǎn)生局部裂縫;(2)由于應(yīng)力狀態(tài)接近于其極限狀態(tài),因此彈性模擬不能準(zhǔn)確的代表下游壩殼的變形;(3)下游壩殼材料及下游面形狀的選擇都必須慎重考慮,這與平常的情況剛好相反;(4)就伊塔壩而言,用彈塑性模型通過反分析對監(jiān)測資料進行的分析表明:下游壩殼的過大沉陷是由于壩殼之間接觸點擠壓引起的。這種擠壓現(xiàn)象使壩內(nèi)水位抬高,并使現(xiàn)場材料的孔隙比增