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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)可預(yù)報(bào)大壩的位移,有時(shí)也可用于對(duì)大壩整個(gè)運(yùn)行期的性狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種大壩的表觀安全性和難以獲得高質(zhì)量的試驗(yàn)資料是我們做進(jìn)一步研究的理由。CRFD壩初期蓄水時(shí),常伴有滲水,有時(shí)滲水量很大,這就影響了大壩的運(yùn)行,減低了大壩的運(yùn)行效益,采取補(bǔ)救措施則需要花費(fèi)很多錢,且這些補(bǔ)救措施還不一定有效。因此,有些業(yè)主錯(cuò)誤地認(rèn)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(duì)系統(tǒng)地采用CRFD壩施工期、蓄水期、運(yùn)行期獲得的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來更可靠地預(yù)測(cè)CRFD壩的性能進(jìn)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(shí)施一項(xiàng)合適的監(jiān)測(cè)方案,這樣,用適當(dāng)?shù)姆椒y(cè)得的成果就可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(shí),施加在壩基上的增量應(yīng)力相對(duì)較小,有集中于壩軸線上游部分的趨勢(shì)。不過,應(yīng)該注意,只有在以下情況下才達(dá)到這種相對(duì)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(huì)因?yàn)閵A帶走細(xì)粒料而產(chǎn)生破壞);(3)壩體材料能自流排水,即不會(huì)阻擋滲水(假如大壩由沖積材料建成,則其風(fēng)險(xiǎn)是相當(dāng)大的)。在對(duì)CRFD壩的這種表觀固有的安全性重新進(jìn)行評(píng)價(jià)以后,設(shè)計(jì)者優(yōu)先考慮的是降低施工費(fèi)用:(1)使用風(fēng)化材料,并在無水情況下將其壓實(shí)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(jiān)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(jì)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(xì)修正綜合考慮了大壩施工期和蓄水期的工況。下面通過對(duì)4座大壩(墨西哥阿瓜米爾帕壩,巴西辛戈壩,中國(guó)天生橋1號(hào)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(zhǎng)情況在該壩投運(yùn)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(dá)到220m高程時(shí)(即壩頂以下15m時(shí)),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(gè)壩面向外擴(kuò)展。埋在大壩內(nèi)的儀器探測(cè)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(shí),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(duì)上游面重新進(jìn)行了修整,在鋪面板之前用振動(dòng)碾進(jìn)行了壓實(shí)。水庫蓄水時(shí),大壩下游滲漏量最大達(dá)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(gè),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(cè)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(rèn)為,沉陷過大會(huì)導(dǎo)致面板撓曲。認(rèn)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(jí)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(shí),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(rèn)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(kuò)展的深度達(dá)到了10m,寬度達(dá)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(jī)理在蓄水期間主壩下游滲漏率急劇增大到1781L/s后,決定進(jìn)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(hù)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(duì)大壩進(jìn)行的監(jiān)測(cè)表明,下游壩殼發(fā)生了明顯沉陷,使壩頂處沉降達(dá)60cm,壩頂附近面板偏移達(dá)70cm。在儀器監(jiān)測(cè)的壩段還發(fā)現(xiàn)了裂縫區(qū)的面板發(fā)生了撓曲。可以得出結(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(fù)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(jìn)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(gè)實(shí)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(jìn)行了維修。從未對(duì)這4座大壩的安全產(chǎn)生過懷疑,因?yàn)橹尾牧峡梢宰屗杂闪鬟^,不會(huì)造成任何破壞,但就這種壩型及其功能而言,其滲漏率確實(shí)太高。此外,現(xiàn)在流行的趨勢(shì)是可以接受較高的滲漏率,亦即滲漏不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。重要的是,必須減少滲漏,因?yàn)闈B漏不僅會(huì)降低大壩設(shè)計(jì)者的水平(從專業(yè)思想和誠(chéng)信角度看),而且還會(huì)對(duì)大壩管理者造成損失(主要指水量損失),另外還會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)耐久性問題。3現(xiàn)場(chǎng)材料特性的確定在以上4個(gè)實(shí)例中,數(shù)值分析可以用在以下兩個(gè)方面:(1)輔助設(shè)計(jì),使用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)成果或碾壓試驗(yàn)成果確定現(xiàn)場(chǎng)材料的特性;(2)根據(jù)儀器的測(cè)量結(jié)果,解譯大壩的性狀,并對(duì)大壩進(jìn)行監(jiān)控。本文介紹伊塔壩使用GEFDYN軟件進(jìn)行數(shù)值分析的情況。3.1cprd水庫輔助設(shè)計(jì)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(duì)伊塔壩蓄水期間的性狀進(jìn)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(yàn),把根據(jù)施工期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生較高的彈性模量)造成的,盡管其物理機(jī)理還不十分清楚。根據(jù)同樣的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),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?yàn)槭褂媒Y(jié)果非常簡(jiǎn)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(zhēng)議的,目前還未得到證實(shí)。這種標(biāo)準(zhǔn)的模擬方法實(shí)際上是對(duì)幾座已建大壩性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)際上就是使用彈性模型)對(duì)這些結(jié)果進(jìn)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(gè)最大值。第一個(gè)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(gè)最大值出現(xiàn)的位置相應(yīng)于地基、材料E1和材料E1A3個(gè)面交界位置的正交投影。對(duì)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(duì)彎矩演變的影響。垂直位移δn可用下式進(jìn)行初始近似計(jì)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(duì)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?cái)嘞掠螇螝さ闹w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(huì)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(gè)較好的方法。圖2示出了用沉陷儀和伸長(zhǎng)計(jì)原位觀測(cè)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(jì)算出來的最大撓曲位置位于大壩中間高程處,而監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(dòng)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(duì)下游壩殼的作用尤其是下游面形狀的影響進(jìn)行研究。3.1.2維彈塑性分析為研究下游面形狀對(duì)大壩整體工況的影響,對(duì)以下兩種情況進(jìn)行了分析:(1)與伊塔壩下游面實(shí)際坡度(平均坡度1.3H/1V)相對(duì)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(jì)算內(nèi)容包括對(duì)平面變形進(jìn)行二維彈塑性分析。假定下游堆石臨界狀態(tài)時(shí)的摩擦角為40°(大壩失事時(shí)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(shí)的摩擦角)。圖3所示為垂直于面板位移的兩個(gè)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(duì)面板位移的影響非常明顯。原因很簡(jiǎn)單:下游壩坡很陡,減少了大壩體積,因此其重量對(duì)靜水推力(該推力會(huì)引起下游壩殼產(chǎn)生較大的位移)的抵抗作用,反過來會(huì)對(duì)壩頂附近的面板產(chǎn)生更大的撓曲。實(shí)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(jì)CFRD壩的下游坡面時(shí),應(yīng)考慮下游坡面對(duì)面板位移的影響,因?yàn)檫^大的位移會(huì)引起垂直縫或周邊縫失效,且會(huì)在面板中形成裂縫。如果大壩的內(nèi)部分區(qū)會(huì)在面板頂部產(chǎn)生負(fù)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(xiǎn)之間的關(guān)系必須加以仔細(xì)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(duì)位移是正還是負(fù),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(cè)中的作用,對(duì)伊塔壩的主壩作了反分析。率定了Aubry-Huheux彈塑性模型(多機(jī)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(dá)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(jìn)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(jìn)行了模擬。根據(jù)用反分析法(模擬三軸試驗(yàn)或壓縮試驗(yàn))獲得的參數(shù)對(duì)每種材料的特性進(jìn)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(yán)重?cái)D壓時(shí)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(diǎn)打濕并將材料進(jìn)行均勻分級(jí)(減少壩殼之間接觸點(diǎn)的數(shù)量,因此作用在這些接觸點(diǎn)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(diǎn)處發(fā)生嚴(yán)重?cái)D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(jí)配太均勻,再加上碾壓不密實(shí)(噴水不好或是碾壓層太厚),從而使現(xiàn)場(chǎng)材料中孔隙比較高。4正確處理面形狀的選擇與監(jiān)測(cè)的關(guān)系對(duì)伊塔CFRD壩進(jìn)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(huì)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(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)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(diǎn)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(chǎng)材料的孔隙比增