新疆下坂地水利樞紐工程中壩基和砂礫石的動力特性試驗研究

新疆下坂地水利樞紐工程中壩基和砂礫石的動力特性試驗研究

1重點山區(qū)水庫工程新疆下灘水庫工程是塔里木河流域最近綜合處理中唯一的大型山區(qū)水庫工程。這是一個集水區(qū)、生態(tài)補充水和春季干旱于一體的綜合水庫工程。工程地處喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣境內(nèi),距喀什市315km。水庫總庫容8.67億m2設(shè)計與分析2.1大壩上下坡面設(shè)計大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,下接85m深防滲墻,深層采用帷幕灌漿,帷幕最低高程2741m。壩高78m,壩頂高程2966m,心墻最大厚度1.2m,頂部厚度0.6m,大壩上游坡比1︰2.35,下游坡比1︰2.15。為了提高壩坡和壩基的穩(wěn)定性,同時提高壩基砂層的上覆壓重,在上下游壩趾置鎮(zhèn)壓層,其頂部高程為2910m,上游鎮(zhèn)壓層長為40m,下游鎮(zhèn)壓層長為60m,鎮(zhèn)壓層采用開挖石渣料填筑。2.2穩(wěn)定計算2.2.1指標(biāo)統(tǒng)計分析瀝青混凝土心墻采用西安理工大學(xué)試驗指標(biāo),其余材料(砂礫石壩殼料、壩基砂礫石及壩基砂土等)指標(biāo)結(jié)合地勘資料(水利部陜西水利電力勘測設(shè)計研究院地質(zhì)隊)和試驗單位(水利部西北水利科學(xué)研究所)統(tǒng)計分析,同時參考工程類比確定。需要說明的是強度指標(biāo)采用三軸剪切試驗,試驗的應(yīng)力圓直徑和圓心均用小值平均值,然后依據(jù)摩爾—庫侖準(zhǔn)則得出試驗強度指標(biāo),強度指標(biāo)采用低壓(σ2.2.2性試驗方法為了獲得壩基和筑壩材料的動力特性參數(shù),提供動力分析計算參數(shù),中國水利水電科學(xué)研究院對壩殼料和壩基砂礫石的動力特性進(jìn)行了試驗研究。動力特性試驗在100t大型動靜三軸試驗機上進(jìn)行。試樣直徑為300mm,高為750mm。試驗結(jié)果表明,動力殘余體應(yīng)變和動力殘余軸應(yīng)變與初始應(yīng)力條件(土的類型、密度、固結(jié)應(yīng)力條件)和往返加荷條件有關(guān),在一定的初始應(yīng)力條件和動剪應(yīng)力作用下,動力殘余體應(yīng)變和動力殘余軸應(yīng)變都隨振次的增大而增大,其增長速率隨振次的增大而減小。初始應(yīng)力條件一定時,作用在試樣上的動剪應(yīng)力越大,所引起的殘余體應(yīng)變和殘余軸應(yīng)變就越大。2.2.3壩體抗滑穩(wěn)定最小制作在對材料指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析后,采用擬靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定計算,地震除考慮水平向地震作用外,同時考慮了豎向地震作用。計算程序是中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜編寫的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB》,圓弧滑動穩(wěn)定按簡化畢肖普法進(jìn)行計算,同時還采用瑞典圓弧法進(jìn)行復(fù)核,非圓弧滑動穩(wěn)定按摩根斯頓—普賴斯法進(jìn)行計算。通過計算可知,壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求,壩體屬于淺層滑動。由于基礎(chǔ)砂層取樣代表性和周圍邊界因素的影響,基礎(chǔ)砂層的殘余強度不一樣,《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB5028—99)附錄D闡述了“對砂性土地基內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值可采用內(nèi)摩擦角試驗值的85%～90%,不計凝聚力值?！币虼?對壩基砂層內(nèi)摩擦角Υ按不同折減系數(shù)取值分析對壩體穩(wěn)定性的影響,折減系數(shù)分別按0.85,0.9,0.95,1.0取值,對應(yīng)的內(nèi)摩擦角Υ為26°、28°、30°、31°,由此可得對應(yīng)的壩基抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù),見表1(計算工況:正常蓄水位2960m+9度地震上下游壩坡穩(wěn)定)。從表中可以發(fā)現(xiàn),砂層內(nèi)摩擦角Υ的取值對大壩表層滑動沒有影響,只對深層滑動有影響。對于深層滑動分析,隨著折減系數(shù)的減小,安全系數(shù)隨之變小,當(dāng)采用畢肖普法時不同折減系數(shù)計算出的安全系數(shù)差值較大,當(dāng)采用瑞典圓弧法時折減系數(shù)取0.85和0.9對應(yīng)的安全系數(shù)已小于1.0(下游坡),但畢肖普法和摩根斯頓—普賴斯法計算的K值均大于1.05,從敏感性對砂層內(nèi)摩擦角來分析,壩基抗滑穩(wěn)定安全也是可行的。綜合考慮各種因素,砂層內(nèi)摩擦角Υ取不同的折減系數(shù),大壩始終是安全穩(wěn)定的。2.3靜力應(yīng)力應(yīng)變分析在擬靜力法穩(wěn)定計算基礎(chǔ)上,為了多方面分析大壩的安全穩(wěn)定,研究大壩在施工期和蓄水期的壩體與防滲體應(yīng)力和變形,西安理工大學(xué)(E—μ模型)和大連理工大學(xué)(E—B模型、南水模型)做了二維和三維靜力有限元分析。2.3.1壩體防滲墻應(yīng)力通過試驗,可知:(1)壩體水平位移和垂直位移均在經(jīng)驗的范圍內(nèi)。三維計算分析顯示,左岸壩基砂層分布較多,0+160斷面位移比較大;由于河谷的三維效應(yīng),三維計算位移值比二維計算的略小(南水模型);采用鄧肯模型三維分析所得的位移值均比南水模型大。(2)瀝青心墻在竣工期和蓄水期均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力,心墻順坡向應(yīng)力均大于上游面水壓力(沒有考慮心墻的凝聚力,偏于安全),不會發(fā)生水力劈裂,抗劈裂能力較好。(3)南水模型二維分析中,防滲墻應(yīng)力在安全的范圍內(nèi)。南水模型的三維分析中,在靠近兩岸處出現(xiàn)1.2MPa的拉應(yīng)力。鄧肯模型的三維分析中,在防滲墻底部靠近兩岸處出現(xiàn)20.2MPa的壓應(yīng)力;在防滲墻靠近兩岸處出現(xiàn)1.8MPa的拉應(yīng)力。較大的拉應(yīng)力表明:壩基砂層的存在使壩體和壩基從兩岸向砂層位置擠壓,防滲墻橫河向受到較大的摩阻力。2.3.2壩體總應(yīng)力三維有限元分析另外,做了總應(yīng)力法三維有限元分析,結(jié)論如下:(1)大壩蓄水期的沉降比竣工期有所增加,心墻向下游的水平位移增加較大。心墻有較明顯的拱作用,但沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。在大壩右岸的陡坡處,心墻中的小主應(yīng)力較小,局部應(yīng)力水平高。(2)由于壩基為深覆蓋層地基,且含有砂層,壩體的最大沉降發(fā)生在砂層上部;防滲墻上與砂層相鄰部分及防滲墻與灌漿帷幕接觸部分為高應(yīng)力區(qū)。(3)混凝土防滲墻內(nèi)大小主應(yīng)力的最大值位于混凝土防滲墻與砂層及與灌漿帷幕接觸的部位?；炷练罎B墻彈性模量小于1000MPa時,混凝土防滲墻彈性模量變化對防滲墻應(yīng)力影響的敏感性大,而大于1000MPa時影響的敏感性小。(4)混凝土防滲墻的最大豎向位移位于混凝土防滲墻頂部。增大混凝土防滲墻的彈性模量,可以減少防滲墻上產(chǎn)生的位移?；炷练罎B墻彈性模量大于1000MPa時,混凝土防滲墻彈性模量變化對防滲墻豎向位移影響的敏感性小,而小于1000MPa時影科研與管理響的敏感性大。2.4動態(tài)電壓損失分析2.4.1工程特點及評價針對下坂地大壩工程的高強震、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細(xì)砂層的工程特點,在壩料靜、動力特性試驗和二維三維靜力分析的基礎(chǔ)上,中國水利水電科學(xué)研究院對壩體和覆蓋層地基進(jìn)行了給定地震(8度設(shè)計地震和9度復(fù)核地震)情況下的地震反應(yīng)分析和評價。2.4.2心墻和心墻應(yīng)力(1)根據(jù)三維非線性動力計算結(jié)果,8度地震作用下,壩體加速度反應(yīng)在順河向最為強烈,順河向加速度反應(yīng)在河床中部最大。壩體順河向最大加速度4.94m/s(2)根據(jù)振動孔壓計算結(jié)果,在8度地震作用下,振動孔壓最大值158.3kPa,最大孔壓比0.348,砂層中的最大孔壓比均小于0.5,不會發(fā)生液化。(3)在8度地震作用下,瀝青混凝土心墻中的最大動剪應(yīng)力為221kPa,按照瀝青混凝土的強度指標(biāo)Υ=26.1°,c=320kPa,不會發(fā)生動力剪切破壞。(4)在8度地震作用下,防滲墻豎向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為1.34MPa和1.17MPa;防滲墻順河向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為0.92MPa和0.80MPa;防滲墻壩軸向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為1.55MPa和1.27MPa。可見,在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動拉應(yīng)力,壩軸向動拉應(yīng)力在岸坡處比較大。靜動力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。(5)在8度地震作用下,地震過程中按動力時程線法算得大壩上下游壩坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線最小值分別為1.20和1.13;按動力等效值法算得的最小安全系數(shù)分別為1.32和1.26?？梢?上下游壩坡是穩(wěn)定的。2.4.3震作用下壩體應(yīng)力分析(1)根據(jù)三維非線性動力計算結(jié)果,9度地震作用下,壩體加速度反應(yīng)在順河向最為強烈,順河向加速度反應(yīng)在河床中部最大。壩體順河向最大加速度5.94m/s(2)根據(jù)振動孔壓計算結(jié)果,在9度地震作用下,振動孔壓最大值201.2kPa,最大孔壓比0.442,砂層中的最大孔壓比均小于0.5,不會發(fā)生液化。(3)在9度地震作用下,瀝青混凝土心墻中的最大動剪應(yīng)力為273kPa,按照瀝青混凝土的強度指標(biāo)Υ=26.1°,c=320kPa,不會發(fā)生動力剪切破壞。(4)在9度地震作用下,防滲墻豎向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為1.72MPa和1.44MPa;防滲墻順河向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為1.18MPa和1.04MPa;防滲墻壩軸向最大動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力分別為1.88MPa和1.59MPa。在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動拉應(yīng)力,壩軸向動拉應(yīng)力在岸坡處比較大。靜動力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。(5)在9度地震作用下,地震過程中按動力時程線法算得大壩上下游壩坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線最小值分別為1.09和1.04;按動力等效值法算得的最小安全系數(shù)分別為1.22和1.18。可見,上下游壩坡基本上是穩(wěn)定的,但安全富裕度不大。綜上可見:(1)從大壩的動力計算分析結(jié)果看,在地震作用下,壩體邊坡穩(wěn)定,滿足規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù),該壩的設(shè)計基本上是合理的。(2)覆蓋層地基砂層中出現(xiàn)了單元抗震安全系數(shù)小于1的區(qū)域,主要分布在上下游坡腳下的砂層上部,其厚度約3～7m,這說明砂層雖然不會液化,但可能發(fā)生局部動力剪切破壞。根據(jù)計算分析,通過動力剪切破壞砂層的可能滑動面的安全系數(shù)比壩坡淺層滑動面的安全系數(shù)大,即通過動力剪切破壞砂層的可能滑動面并非是控制壩體穩(wěn)定安全的滑動面;加上現(xiàn)有設(shè)計斷面的上下游壩腳處均設(shè)有石渣蓋重,因此,可以不對這部分區(qū)域的砂層再另外進(jìn)行專門處理。(3)在地震作用下,防滲墻在上部出現(xiàn)了較大動拉應(yīng)力,壩軸向動拉應(yīng)力在岸坡處也比較大;靜動力疊加后防滲墻壩軸向靠近岸坡處出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力值較大。通過擬靜力法穩(wěn)定計算、砂層風(fēng)險性分析、三維靜力計算、三維動力計算,并參考類似工程實踐,