深厚覆蓋層上土石圍堰的特點(diǎn)

深厚覆蓋層上土石圍堰的特點(diǎn)

1圍堰工程的基礎(chǔ)防滲研究在河流建設(shè)過程中，必須依靠水庫保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)。攔河大壩、水電站廠房、泄水閘、船閘等水利水電工程及航運(yùn)工程的建設(shè),更需要借助圍堰工程使河水改由束窄的河床或者另外修建的導(dǎo)流建筑物通過,才能在圍堰保護(hù)的場(chǎng)地內(nèi)開挖基坑,并按設(shè)計(jì)要求開展建筑物的建設(shè)。在三峽水利樞紐工程的設(shè)計(jì)過程中,圍繞圍堰工程開展了大量研究工作。20世紀(jì)50年代就進(jìn)行了拋填料密度試驗(yàn)研究。20世紀(jì)80年代集中進(jìn)行了二期圍堰防滲方案和圍堰結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的研究。尤其是通過“七五”、“八五”攻關(guān),在圍堰工程的研究方法、圍堰填料特性、防滲結(jié)構(gòu)形式、材料配方、施工技術(shù)、質(zhì)量控制、監(jiān)測(cè)技術(shù)等很多方面取得了一大批研究成果,為保障圍堰工程的合理設(shè)計(jì)、順利實(shí)施和安全運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支撐。在二期圍堰的建設(shè)和運(yùn)行過程中,工程安全廣受關(guān)注,而圍堰工程設(shè)計(jì)和科研人員出于驗(yàn)證設(shè)計(jì)科研成果的愿望,也密切關(guān)注著堰體變形和防滲體的運(yùn)行性態(tài)。作為圍堰工程設(shè)計(jì)方案主要研究單位,長(zhǎng)江科學(xué)院有幸繼續(xù)開展了圍堰工程運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)工作,并在圍堰拆除過程中開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析和補(bǔ)充試驗(yàn)研究。進(jìn)入新的世紀(jì)以后,我國(guó)水利水電工程建設(shè)的重心進(jìn)一步向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移。三峽工程二期圍堰的設(shè)計(jì)科研成果可以為這些地區(qū)圍堰工程的設(shè)計(jì)提供重要借鑒作用。但是,金沙江、雅礱江、大渡河、烏江等流域在建和即將建設(shè)的大型水電工程,大都建在厚達(dá)幾十米到幾百米深厚覆蓋層上。如烏東德壩址處覆蓋層厚達(dá)60m,白鶴灘覆蓋層厚達(dá)59m,向家壩覆蓋層一般厚達(dá)30～60m,冶勒水電站覆蓋層厚度超過420m。這種基礎(chǔ)條件為圍堰工程的基礎(chǔ)防滲帶來了新的挑戰(zhàn)。這些地區(qū)的當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蠗l件也與三峽工程有差別,這為堰體填料、防滲墻材料的選擇與設(shè)計(jì)也帶來了新的約束條件。為了克服深厚覆蓋層條件下土石圍堰工程設(shè)計(jì)、施工面臨的難題,在2008年啟動(dòng)的國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“特大型梯級(jí)水利水電工程安全及高效運(yùn)行若干關(guān)鍵技術(shù)研究”中,第二課題“深厚覆蓋層條件導(dǎo)截流及圍堰安全控制技術(shù)”將“圍堰防滲體系及結(jié)構(gòu)安全研究”列為第4專題。到2011年6月為止,長(zhǎng)江科學(xué)院聯(lián)合長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、三峽大學(xué)共同完成了專題研究任務(wù),達(dá)到了創(chuàng)新目標(biāo),并順利通過驗(yàn)收,本文將概要介紹長(zhǎng)江科學(xué)院、長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合開展研究的主要內(nèi)容和結(jié)論,詳細(xì)研究方法和具體成果將由研究團(tuán)隊(duì)成員另行撰文介紹。2滲流控制體系設(shè)計(jì)的期望土石圍堰工程本身就是一座土石壩,但是與一般土石壩相比,深厚覆蓋層上土石圍堰的填筑施工、材料和運(yùn)行條件具有如下特點(diǎn):(1) 河床表面為建基面,松散覆蓋層為基礎(chǔ)。(2) 截流戧堤和部分堰體需要在水下施工。為應(yīng)對(duì)深水和急流施工條件,截流戧堤往往通過拋投塊石、鋼架石籠,甚至預(yù)制混凝土四面體形成,存在架空現(xiàn)象和大孔隙;為了便于防滲墻施工,其上游堰體需要采用控制最大粒徑的土石拋填,填筑體密度低。(3) 大多數(shù)圍堰工程,尤其是西部高山峽谷地區(qū)的圍堰工程,一般采用河床砂礫石料、崩塌堆積體、殘積土、巖石風(fēng)化料填筑。水利水電工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生大量的開挖棄料,為了減少環(huán)境影響和提高土方利用效率,硐室等開挖棄料往往被大量用于圍堰工程。(4) 圍堰工程作為水利水電工程的準(zhǔn)備工程,為了控制準(zhǔn)備階段的時(shí)間周期,也為了充分利用枯水季節(jié)作為有利的截流施工條件,圍堰工程往往施工期短,施工強(qiáng)度很大。(5) 圍堰工程建成后要經(jīng)歷基坑開挖和運(yùn)用過程。例如圖1中的烏東德水電站上游圍堰,不僅堰體高度達(dá)70m,而且在距離堰腳50m處以外開挖基坑,逐步揭穿各層覆蓋層,最終形成高達(dá)84.8m的開挖邊坡。堰體和堰基一起形成了高達(dá)154.8m的復(fù)合邊坡?；娱_挖過程中和完成后,堰體和堰基的滲流場(chǎng)經(jīng)歷復(fù)雜的變化,堰體和基坑的滲透穩(wěn)定、堰基變形和與之緊密相關(guān)的圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防滲體安全也要經(jīng)受相應(yīng)的考驗(yàn)。上述特點(diǎn)為圍堰工程的設(shè)計(jì)和科研帶來的挑戰(zhàn),可以歸納如下:(1) 圍堰基礎(chǔ)和水下拋填施工堰體的防滲只得采用垂直防滲方案。堰體密度低,覆蓋層中可能存在漂礫,防滲依托層埋深大,這些都限制了防滲墻施工方案的選擇范圍。在特別深厚的覆蓋層條件下,防滲墻甚至無法深達(dá)可靠的防滲依托層,不得不采用懸掛式防滲墻方案。(2) 基坑和圍堰邊坡的排水尤為重要。一方面,覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,砂層、砂卵石層滲透穩(wěn)定性差,基坑開挖施工需要超前排水才能避免出現(xiàn)滲透穩(wěn)定問題和抗浮穩(wěn)定問題;另一方面,基坑開挖邊坡高,需要通過排水降低出逸段和水壓力,才能促進(jìn)邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)采用懸掛式防滲墻方案時(shí),排水措施更顯必要。所以深厚覆蓋層上圍堰工程的安全及其功能的發(fā)揮,需要依賴綜合防滲、排水措施的滲流控制體系,而不僅僅是防滲體系。(3) 設(shè)計(jì)的堰體結(jié)構(gòu),尤其是防滲體結(jié)構(gòu)形式與材料方案,必須足以維護(hù)防滲體的完整性。(4) 需要密切監(jiān)控堰體和防滲體的運(yùn)行性態(tài),及早判斷不利于圍堰工程安全的變化趨勢(shì),以便根據(jù)工程安全的需要,及時(shí)調(diào)度滲流控制體系,或者調(diào)整基坑施工方案。而實(shí)際上,針對(duì)防滲墻的監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)還是個(gè)難題。為了保障圍堰工程及基坑開挖和施工的安全,并有效地發(fā)揮圍堰工程對(duì)于施工場(chǎng)地的維護(hù)作用,應(yīng)該通過設(shè)置滲流控制體系,達(dá)到如下總體目標(biāo):(1) 有效控制堰體、堰基滲流場(chǎng),保障堰體滲透穩(wěn)定和堰體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,以及基坑開挖施工和永久建筑物施工的安全;(2) 有效控制基坑內(nèi)的水位和地下水位,盡力提高排水效率,以保障工程工期,降低工程建設(shè)成本;(3) 在確保工程安全、有效控制工期和成本的同時(shí),合理控制對(duì)于周圍環(huán)境、地面設(shè)施和永久建筑物基礎(chǔ)的不利影響。上述前2條是所有圍堰和基坑滲流控制體系應(yīng)達(dá)到的目標(biāo),第3條目標(biāo)對(duì)于平原地區(qū)的水利水電工程建設(shè)具有重要意義,要防止基坑排水造成的地面不均勻沉降、甚至塌陷危及鄰近的堤防、水閘等水利設(shè)施,交通設(shè)施,房屋建筑,水、電、氣輸送管線,電力塔等等的安全。當(dāng)圍堰已經(jīng)建成以后,圍堰和基坑安全的影響因素包括上游河道水位、下游基坑開挖、基坑排水,甚至大氣降雨、施工用水、施工動(dòng)荷載等動(dòng)態(tài)因素。所有與水有關(guān)因素的作用都需要通過滲流控制體系的有效運(yùn)行,甚至適當(dāng)?shù)恼{(diào)度運(yùn)用得到制約或者補(bǔ)償。針對(duì)具體的圍堰工程,要在上述總體目標(biāo)下,詳細(xì)研究制定滲流控制的具體目標(biāo)。例如圖1所示的烏東德上游圍堰工程,應(yīng)根據(jù)堰體填料和覆蓋層的滲透變形特性研究確定堰體和堰基關(guān)鍵部位滲流比降的控制目標(biāo);根據(jù)堰體和基坑開挖坡穩(wěn)定性的需要,研究堰體、堰基中的滲流場(chǎng)分布和基坑開挖坡的出逸段高度控制目標(biāo)。圍繞這些目標(biāo),研究滲流控制體系的具體設(shè)計(jì)方案,如圍堰防滲體的布置、結(jié)構(gòu)形式、材料和設(shè)置深度,堰體的分區(qū)反濾保護(hù)方案,堰基和基坑的排水方案,堰體和基坑開挖坡的防護(hù)方案等等。3本項(xiàng)研究的內(nèi)容本專題題目為“圍堰防滲體系及結(jié)構(gòu)安全研究”,以下稱為“圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全研究”,這樣不僅與圍堰工程特點(diǎn)更貼切,也能更全面地反映本次實(shí)際開展的研究工作。課題“深厚覆蓋層條件導(dǎo)截流及圍堰安全控制技術(shù)”中第3專題“深厚覆蓋層及堰體材料的工程特性研究”與本專題關(guān)系密切,其研究成果為本專題提供重要基礎(chǔ)。本專題結(jié)合上述圍堰的施工、運(yùn)行條件和功能要求,通過4個(gè)子題對(duì)圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究:(1)深厚覆蓋層上圍堰滲流控制體系研究;(2)防滲體與堰體和地基相互作用模擬技術(shù)研究;(3)圍堰結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控及綜合評(píng)價(jià)方法研究;(4)圍堰防滲體建設(shè)新技術(shù)新材料研究。專題研究過程中,充分吸收三峽二期圍堰等工程的已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn),并補(bǔ)充必要的試驗(yàn)工作進(jìn)一步揭示其防滲體的變形機(jī)理,以烏東德和白鶴灘水電站的圍堰工程為主要依托,采用第3專題“深厚覆蓋層及堰體材料的工程特性研究”提出的最新研究成果,通過物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、材料配方試驗(yàn)等開展本專題的針對(duì)性研究工作。圖2是本項(xiàng)研究的技術(shù)路線簡(jiǎn)圖。開展?jié)B流控制體系及其論證方法,主要是數(shù)值模擬方法的研究,在此基礎(chǔ)上開展對(duì)實(shí)際工程的滲流場(chǎng)和滲流控制體系的研究;通過防滲體與周圍介質(zhì)接觸作用的模型試驗(yàn),提出和完善接觸作用模型及數(shù)值模擬方法;通過對(duì)實(shí)際工程的數(shù)值計(jì)算研究防滲體與堰體及覆蓋層之間相互作用機(jī)理;通過滲流場(chǎng)模擬和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算工作之間的互動(dòng),充分發(fā)揮滲流控制體系促進(jìn)防滲體安全和圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用;根據(jù)圍堰和防滲體的應(yīng)力狀態(tài)和變形特性,提出防滲墻材料設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和模量等指標(biāo)要求,據(jù)此開展防滲墻材料的配方研究;針對(duì)提出的防滲墻體材料,試驗(yàn)研究材料本構(gòu)模型參數(shù),反過來又運(yùn)用到圍堰的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算中,通過圍堰及其基礎(chǔ)與防滲體變形的分析,提出保障防滲體安全的變形控制目標(biāo);根據(jù)堰體和防滲墻之間相互作用的模擬成果,通過模型試驗(yàn),研究提出土工膜與防滲墻之間新的連接形式,以防止二者連接部位的破壞;研究防滲墻表面監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)方法,研制相應(yīng)的設(shè)備;根據(jù)深厚覆蓋層圍堰工程的特點(diǎn),研究綜合安全評(píng)價(jià)方法。4重要結(jié)論和建議4.1防滲墻墻體滲流控制應(yīng)用效果(1)總結(jié)圍堰與大壩的差異體現(xiàn)在:圍堰的施工條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于大壩,決定了圍堰具有不同的基礎(chǔ)條件、堰體結(jié)構(gòu)形式、適用材料和建筑質(zhì)量;基坑開挖是對(duì)圍堰運(yùn)行條件不斷改變的過程,決定了堰體和堰基的滲流場(chǎng)將經(jīng)歷更復(fù)雜的變化。圍堰和基坑的安全依賴于滲流控制體系的合理設(shè)置,同時(shí)圍堰要經(jīng)歷復(fù)雜水文、氣象和施工過程,也需要通過滲流控制體系的有效運(yùn)行,甚至適當(dāng)?shù)恼{(diào)度運(yùn)用得以保障。(2)針對(duì)深厚覆蓋層條件下圍堰工程的特點(diǎn),系統(tǒng)論述了圍堰和基坑的滲流控制措施及其適用條件,以及滲流控制體系失效的后果,提出了失效表現(xiàn)形式,并建議作為早期失效的判別依據(jù),相應(yīng)地提出了失效的應(yīng)急處置方案與后期處理措施。(4)通過對(duì)烏東德水電站上游圍堰滲流控制措施研究表明,采用塑性混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜下接基巖帷幕灌漿的封閉式垂直防滲措施,對(duì)于堰體滲流場(chǎng)可以起到有效的控制作用,當(dāng)基坑開挖到設(shè)計(jì)高程時(shí),圍堰防滲墻下游側(cè)的自由面已經(jīng)降至覆蓋層中,但是基坑開挖坡上出逸段較高,排水措施既可用于基坑開挖的超前排水,也可用以降低開挖坡附近的自由面,以促進(jìn)邊坡的滲透穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(5)多層結(jié)構(gòu)的深厚覆蓋層中,被防滲墻切穿地層的滲透性越強(qiáng),防滲墻的滲控作用越顯著;當(dāng)防滲墻未切穿滲透性較強(qiáng)的地層時(shí),防滲墻的滲控效果會(huì)顯著降低;地層滲透性越強(qiáng),基坑開挖的超前排水越有必要,排水效果也越顯著。(6)防滲墻的底部存在局部施工缺陷時(shí),對(duì)基坑邊坡出逸高程和出逸比降影響不大,但缺陷部位的集中滲流使其下游側(cè)覆蓋層中的局部比降升高,可能造成結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定的覆蓋層發(fā)生滲透變形;土工膜與防滲墻搭接部位局部拉裂或破損,對(duì)邊坡出逸影響也不大,但是缺陷部位附近的滲透比降較高,堰體的滲透穩(wěn)定性有賴于下游側(cè)反濾層的保護(hù)。(7)滲流場(chǎng)數(shù)值分析是圍堰滲流控制體系論證的有力手段。二維和三維滲流模型的結(jié)合使用可以有效地進(jìn)行滲流控制方案對(duì)比;在分析防滲體出現(xiàn)缺陷或繞滲的影響時(shí)宜采用三維滲流模型;區(qū)域性的三維滲流模型可用以論證綜合滲流控制體系布置方案,尤其是在排水井群布置方案和排水量的研究中可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。這些研究方法在三峽二期圍堰、漢江興隆水利樞紐圍堰、烏東德水電站上游圍堰、南水北調(diào)中線穿漳工程和引江濟(jì)漢工程進(jìn)口段基坑等的滲流控制體系論證中發(fā)揮了重要作用。(8)采用長(zhǎng)江科學(xué)院大型疊環(huán)式剪切儀,進(jìn)行了防滲墻墻壁與周圍介質(zhì)接觸面特性大型疊環(huán)試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了泥皮存在與否對(duì)防滲墻與周圍介質(zhì)接觸特性的影響,提出2種條件下剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系分別呈剛塑性變化和雙曲線變化。(9)改造三軸壓力室上的試驗(yàn)裝置,開展防滲墻墻頂刺入堰體的物理模型試驗(yàn)研究,揭示了在不同上覆初始?jí)毫ο路罎B墻墻頂阻力及刺入變形發(fā)展過程及規(guī)律,提出了描述墻端阻力-刺入變形非線性接觸面模型及其參數(shù)確定方法,據(jù)此完善了有限元計(jì)算程序,通過有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線比較,驗(yàn)證了模型的合理性和適用性。(10)采用大型直剪儀進(jìn)行了復(fù)合土工膜與砂礫料的直剪摩擦試驗(yàn),獲得了砂礫料與復(fù)合土工膜的摩擦系數(shù)范圍;揭示了摩擦系數(shù)隨砂粒含量和相對(duì)密度增加而增大的規(guī)律;當(dāng)砂礫石層飽水時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)有所減小,但影響不大。(11)應(yīng)用本專題提出的防滲墻體與周圍介質(zhì)接觸模型,通過非線性有限元應(yīng)力應(yīng)變分析,研究了烏東德和白鶴灘深厚覆蓋層圍堰工程防滲體與堰體和地基相互作用機(jī)理,提出了烏東德圍堰防滲墻材料的強(qiáng)度和模強(qiáng)比(彈性模量與抗壓強(qiáng)度的比值)等建議指標(biāo),以及防止防滲體破壞的變形控制標(biāo)準(zhǔn),可供工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)參考采用。(12)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的有關(guān)布置原則,結(jié)合三峽二期圍堰、小浪底圍堰等工程安全監(jiān)測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),歸納提出了圍堰結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)布置原則;以烏東德水電站上游圍堰為例,結(jié)合本專題應(yīng)力應(yīng)變分析、滲流控制研究成果,系統(tǒng)提出了深厚覆蓋層條件下土石圍堰安全監(jiān)測(cè)布置原則及監(jiān)測(cè)工作重點(diǎn)。(13)針對(duì)先填水下堰體后施工防滲墻的圍堰工程施工特點(diǎn),提出了改進(jìn)頂推法埋設(shè)防滲墻界面土壓力盒的新技術(shù),并研制了頂推裝置樣機(jī);通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)的可靠性,解決了防滲墻界面土壓力盒埋設(shè)技術(shù)難題。(14)針對(duì)深厚覆蓋層條件下土石圍堰工程及運(yùn)行的特點(diǎn),以監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)、以有限元反分析為主要技術(shù)手段,提出了評(píng)價(jià)圍堰結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的綜合方法,也為完善模型參數(shù)提供了方法,有利于更可靠地分析預(yù)測(cè)后續(xù)施工條件下圍堰結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。(15)依據(jù)本專題通過圍堰應(yīng)力應(yīng)變分析提出的防滲墻參數(shù)指標(biāo)要求,采用烏東德白云巖作骨料,試驗(yàn)提出了塑性混凝土配合比,其強(qiáng)度可達(dá)6.6MPa以上,模強(qiáng)比低于220,達(dá)到了“高強(qiáng)低彈”的目標(biāo),更適用于深厚覆蓋層條件下高圍堰工程的防滲墻建設(shè)。(16)齡期28d后,塑性混凝土防滲墻材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量仍有增長(zhǎng),但抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,模量增長(zhǎng)較慢,模強(qiáng)比隨齡期的增長(zhǎng)有所降低,并趨于穩(wěn)定,說明其長(zhǎng)期性能對(duì)圍堰工程安全更加有利。(17)借助CT技術(shù)研究表明,塑性混凝土試樣在應(yīng)力峰值前后開始出現(xiàn)裂紋,試樣密度減小,試件趨于破壞,從細(xì)觀上揭示和量化了塑性混凝土破壞過程。(18)通過離心模型試驗(yàn),研究了土工膜與防滲墻之間的不同連接形式,