土石壩心墻分區(qū)方案優(yōu)化設(shè)計研究

土石壩心墻分區(qū)方案優(yōu)化設(shè)計研究

最初，土石壩利用粘土填充填充心墻滲透體的應(yīng)用，滲透系數(shù)低，適應(yīng)性強(qiáng)，但容易與壩殼形成不均勻沉降，產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力拱，導(dǎo)致壩體垂直裂縫和水土流失。作為土石壩心墻滲透土的一種優(yōu)越性，寬級分礫土具有很大的優(yōu)越性，不僅能滿足防洪要求，克服了粘土土的各個方面的不足，而且具有較高的耐用性，可以建造重型機(jī)器。目前，寬級分礫土廣泛應(yīng)用于土木工程。國內(nèi)外許多高壩都被用作墻材料，如羅貢（高315m）、努雷克（高317m）、特森（高263m）、小浪底（高154m）、瀑布溝（高186m）、諾薩渡（高263m）等。國內(nèi)外許多科學(xué)家也從壓縮、滲透、水土流失等方面對寬級分礫土進(jìn)行了研究，取得了許多成果。寬級配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)k變化范圍較大,一般為10-5～10-7cm/s,但都能滿足防滲的要求.然而,由于寬級配礫質(zhì)土顆粒級配的范圍較寬廣,不均勻系數(shù)在100～1000之間,顆粒范圍從黏粒(0.005mm)到粗礫(150mm或更大),在滿足上述滲透要求的情況下其顆粒組成可以有多種,其結(jié)構(gòu)也可分為密實(shí)?懸浮、密實(shí)?骨架和骨架?空隙結(jié)構(gòu)3種,各種結(jié)構(gòu)下材料的物理力學(xué)性能必不一樣,如何有效地選擇級配仍是一個重要的研究問題.目前,在現(xiàn)有的土石壩設(shè)計中,心墻材料從壩體底部到壩體頂部都只采用單一材料,材料的各項(xiàng)物理力學(xué)特性基本相同.對于某一個特定土石壩,當(dāng)壩體心墻劃分為不同區(qū)域,各分區(qū)采用不同物理力學(xué)特性的土料時(如不同摻礫量的礫質(zhì)土,以及部分區(qū)域采用不摻礫石的黏性土),對心墻及土石壩整體將產(chǎn)生怎樣的應(yīng)力應(yīng)變影響;心墻各個分區(qū)如何合理地選擇材料以便更為有較地發(fā)揮防滲及抗裂功能等等,這些問題對于優(yōu)化壩體設(shè)計、有效利用場地材料以及節(jié)省工程造價等都具有重要的意義,然而,目前很少有人做過研究.為了研究土石壩心墻防滲土料的不同選擇方案以及心墻材料不同分區(qū)對心墻及壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響,本文針對某心墻堆石壩工程,對防滲心墻的材料選取及分區(qū)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究.1優(yōu)化設(shè)計方案1.1堆石壩心墻材料分區(qū)某擬建心墻堆石壩設(shè)計壩頂高程2873m,壩底高程2580m,最大壩高293m.壩頂寬度取16m,上游壩坡坡比為1∶2,下游壩坡坡比為1∶1.9,防滲心墻頂寬6m,底寬150m.心墻底部設(shè)置水平厚度為4m的接觸黏土,其下部與混凝土蓋板接觸.壩體材料分區(qū)如圖1所示.三維有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示.在網(wǎng)格剖分中將堆石壩心墻分為3個區(qū),即高程2580～2740m范圍內(nèi)的心墻為A區(qū),高程2740～2790m范圍內(nèi)的心墻為B區(qū),高程2790～2873m范圍內(nèi)的心墻為C區(qū).對3個區(qū)分別賦于相同或不同的材料,以考慮材料變化對心墻及土石壩應(yīng)力應(yīng)變的影響.1.2最佳man單元模型模擬心墻堆石壩采用Duncan-Chang的E-ν本構(gòu)模型模擬,混凝土采用線彈性模型模擬,高塑性黏土與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸面采用Goodman單元模型模擬.堆石壩各種材料的本構(gòu)模型參數(shù)詳見表1;混凝土材料密度為2.4g/cm3,彈性模量E=35GPa,泊松比ν=0.17;接觸面模型中,接觸面外摩擦角δ=15°,黏聚力c=50kPa,破壞比Rf=0.86,K1=2000,n=0.6,法向勁度Kn=990MN/m3.1.3分離式土石壩計算方案首先,分析心墻采用不同防滲土料對土石壩心墻及壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響,依據(jù)心墻土料摻礫多少的不同,將計算方案分為1,2,3,4共4個方案(除心墻外,各方案土石壩其他區(qū)域材料相同),見表2;其次,在上述研究的基礎(chǔ)上,對心墻材料分區(qū)及各分區(qū)所用土料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及認(rèn)證.在以上幾個方案中,分別對大壩完成施工填筑(即竣工期)和蓄水至正常蓄水位(即蓄水期)進(jìn)行三維應(yīng)力應(yīng)變分析.2應(yīng)力變形對比研究為了研究心墻料不同摻礫量下的土石壩應(yīng)力應(yīng)變特性,按照心墻料不摻礫、摻礫30%、摻礫40%、摻礫50%4個方案(方案1～4)進(jìn)行對比研究.方案1～4整理出的大壩應(yīng)力變形的最大值列于表2.σzρgh2.σzρgh值的大小能在一定程度上反映由于拱效應(yīng)影響而導(dǎo)致心墻豎向應(yīng)力降低的程度,即反映拱效應(yīng)的強(qiáng)烈程度.方案4蓄水后壩體大小主應(yīng)力、位移、沉降和應(yīng)力水平的等值線見圖3～6,方案1～3的應(yīng)力變形等值線圖的整體形態(tài)與方案4基本一致,僅在數(shù)值上有所差異.2.1心墻與兩側(cè)壩殼接觸面竣工期內(nèi),各方案的大小主應(yīng)力呈現(xiàn)比較對稱的分布形式,而在蓄水期,由于上游壩殼及心墻上半部受到一定的浮托力作用,大小主應(yīng)力的分布已不對稱,并在心墻與上游壩殼交界處出現(xiàn)低值.在竣工期,方案1心墻大主應(yīng)力出現(xiàn)了較明顯的拱效應(yīng);而方案2～4的應(yīng)力也出現(xiàn)了一定程度的拱效應(yīng),但拱效應(yīng)并不強(qiáng)烈,且隨心墻礫質(zhì)土摻礫量的提高而降低.這是由于方案1心墻料模量相對壩殼料較低,在心墻與兩側(cè)壩殼接觸面附近,應(yīng)力和位移發(fā)生劇烈變化,有部分單元破壞;而礫質(zhì)土的模量相對較高,心墻較硬.在蓄水期,各方案均沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力拱效應(yīng).另外,由表2也可得出,河谷段心墻各單元的豎向應(yīng)力與自重應(yīng)力之比值σzρghσzρgh平均為0.5～0.8,從方案1至方案4,該值越來越高,意味著拱效應(yīng)相對越來越弱,對心墻抗水力劈裂越有利.各方案的心墻小主應(yīng)力均沒有出現(xiàn)拱效應(yīng),且心墻小主應(yīng)力均大于零,說明心墻不會出現(xiàn)拉裂縫.各方案心墻內(nèi)應(yīng)力水平不高,沒有出現(xiàn)破壞.但蓄水后,壩體上游側(cè)反濾層、過渡層及上游堆石體內(nèi)應(yīng)力水平較高,甚至達(dá)到1.因?yàn)樾膲κ芩畨毫ψ饔孟蛳掠伟l(fā)生較大的順河向位移,上游壩殼與心墻變形協(xié)調(diào),所以這些部位呈現(xiàn)“被拉”向下游的趨勢.應(yīng)該指出的是,壩坡還是穩(wěn)定的.因?yàn)樯嫌螇螝さ倪@種破壞屬主動破壞,其變形的方向指向下游,心墻及下游壩殼類似擋土墻,只要心墻和下游壩殼穩(wěn)定,上游壩殼就應(yīng)該是穩(wěn)定的.2.2心墻材料水平位移隨心墻材料摻礫量的變化方案1～4的壩體順河向水平位移在竣工期基本呈對稱分布,上下游差值最大僅為7.2cm,這是由于上下游壩坡坡比不一樣造成的;蓄水后,由于水壓力的作用,順河向水平位移向下游偏移,最大位移發(fā)生在下游側(cè)壩體的中上部.采用礫質(zhì)土心墻料的方案其水平位移比采用不摻礫黏土料的方案1水平位移小,但摻礫量在30%～50%之內(nèi)其水平位移變化較小.在竣工期及蓄水期內(nèi),由于心墻材料較軟,方案1～4的豎直沉降最大值均發(fā)生在心墻內(nèi),大約在壩高的中部.方案1由于心墻料為不摻料黏土,其最大沉降值最大,其值大于壩高的1%,方案2～4最大沉降均小于1%,且隨心墻礫質(zhì)土摻礫量的增加,最大沉降量明顯減小.2.3心墻抗水力第三通道線文獻(xiàn)認(rèn)為,應(yīng)該用心墻外水壓力是否超過心墻上游處土中的中主應(yīng)力來判別水力劈裂發(fā)生的可能性,同時應(yīng)考慮心墻土抗拉強(qiáng)度.所以,整理出了u/(σ2+σt)(u為心墻上游面水壓力,σ2為對應(yīng)高程處心墻單元的中主應(yīng)力,σt為心墻土的抗拉強(qiáng)度,這里近似取為黏聚力)等值線(因文章篇幅所限,不予列出),用以判定是否存在發(fā)生水力劈裂的可能性.結(jié)果顯示,方案1u/(σ2+σt)等值線在靠近岸坡的一定范圍內(nèi)超過0.9,但都小于1,所以方案1抗水力劈裂的效果基本上可得到保證.方案2～4心墻大部分范圍的u/(σ2+σt)都小于0.9,且隨著心墻摻礫量的增加,抗水力劈裂性能逐步好轉(zhuǎn).綜上可知,無論是壩體位移、沉降還是心墻抗水力劈裂性能,方案4都比其他方案優(yōu)越.然而,心墻料全部為摻礫料,必然出現(xiàn)施工工藝復(fù)雜、增加工程造價等問題.方案4與方案2和方案3相比,其摻礫量高,必然會增加工程造價.3土料方案比選根據(jù)以上研究成果,選擇方案4為基本方案對該壩心墻進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化設(shè)計,然后與方案4進(jìn)行對比,研究心墻各區(qū)采用不同土料時的應(yīng)力應(yīng)變及抗水力劈裂特性.具體研究方案見表2中的方案5～7.方案5蓄水后壩體大小主應(yīng)力、位移、沉降和應(yīng)力水平等值線見圖7～10,方案6和方案7應(yīng)力變形整體形態(tài)與方案5相似,僅數(shù)值上有所區(qū)別.3.1壩體變形能力竣工期內(nèi),方案5的大主應(yīng)力在C區(qū)有較為明顯的拱效應(yīng),方案4的大主應(yīng)力則在B,C兩區(qū)都有較明顯的拱效應(yīng),而方案7則無明顯的拱效應(yīng).表2中的σzρghσzρgh值也體現(xiàn)出這個特點(diǎn).相對而言,方案6的拱效應(yīng)最為明顯,這是由于該方案B,C兩區(qū)均為黏性土,模量較低.在蓄水期,各方案均沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力拱效應(yīng).各方案的心墻小主應(yīng)力均沒有出現(xiàn)拱效應(yīng),且心墻小主應(yīng)力均大于零,說明心墻不會出現(xiàn)拉裂縫.各方案心墻內(nèi)應(yīng)力水平不高,沒有出現(xiàn)破壞.方案5～7的壩體順河向水平位移與方案4基本相同,相差不大于4cm;蓄水后,最大位移同樣發(fā)生在下游側(cè)壩體的中上部.與方案1～4對比,方案5壩體最大豎直沉降最小,隨之為方案7,兩者沉降都比方案4小且沉降最大值位于心墻中部;而方案6由于心墻內(nèi)大范圍材料較軟,沉降值比方案4還大,且沉降最大值發(fā)生在心墻B區(qū).這說明心墻頂部適當(dāng)范圍內(nèi)用黏性土置換礫質(zhì)土能適當(dāng)降低心墻應(yīng)力,明顯減小心墻沉降量;但如置換的區(qū)域太大卻反而造成心墻內(nèi)部軟弱區(qū)域太大,不利于壩體穩(wěn)定.3.2抗水力人墻抗水力人墻力學(xué)性能方案5～7心墻大部分范圍的u/(σ2+σt)都小于0.9,在靠近岸坡處超過0.9,其中,方案6的范圍比方案5和方案7的范圍都稍大,說明方案6的抗水力劈裂能力比其他2個方案稍差.由表2也可看出,方案5和方案7的σzρghσzρgh值幾乎相等,都比方案6略大,意味著這2個方案心墻的拱效應(yīng)相對較弱,對心墻抗水力劈裂較為有利.3.3心墻造價估算參考文獻(xiàn)的心墻投資標(biāo)準(zhǔn),假設(shè)黏性土填筑1m3造價為人民幣50元,摻礫30%、摻礫40%和摻礫50%的礫質(zhì)土填筑1m3的造價分別為人民幣100元、110元和120元,對方案4～7的心墻造價進(jìn)行了投資估算,詳見表3.由表3可以看出,方案5～7都比方案4經(jīng)濟(jì),分別節(jié)省了0.80億元、1.58億元和0.34億元.3.4壩體沉降量比較綜合以上分析可知,方案5顯示出比其他方案更多的優(yōu)越性,該方案的壩體沉降量明顯比其他方案小,心墻投資也節(jié)省很多,而且心墻應(yīng)力變形能滿足設(shè)計要求,心墻拱效應(yīng)較小且抗水力劈裂性能能得到保證.因此,方案5是較為理