坝肩处理（共7篇）
坝肩处理 篇1
1工程概况
克孜尔水库位于新疆阿克苏地区拜城县渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河的汇合处, 坝址西距拜城县约60 km, 东距库车县约70 km, 是一座以灌溉、防洪为主, 兼有水力发电等综合利用性的大型水利枢纽工程, 是渭干河流域规划中的一座控制性工程, 设计总库容为6.4亿m3, 设计灌溉面积21.33万km2 (320万亩) , 为大 (Ⅰ) 型一等工程。枢纽工程由拦河主坝、副坝、副坝二道坝、溢洪道、泄洪排沙涵洞、发电引水涵洞和坝后电站组成。
主坝为粘土心墙砂砾石坝, 坝顶长920.6 m, 最大坝高44.0 m, 工程于1998年10月通过水利部主持的竣工验收, 正式投入运行。克孜尔水库的建成, 不仅彻底缓解了渭干河灌区春季干旱缺水矛盾, 而且极大程度地减轻了下游三县防洪压力, 为渭干河流域库车、新和、沙雅三县的工业、农业生产的发展奠定了坚实的基础。
由于右坝肩山体存在倾倒变形体, 使得工程地质条件异常复杂, 虽然干燥状态下稳定, 但当水文地质条件改变时将会发生严重的坝肩岩体失稳。右坝肩处理设计时, 将坝体顺岸坡分别向上、下游延伸形成支撑体, 支撑体向上游延伸至距坝轴线165 m (即W165) , 向下游延伸至距坝轴线50 m止 (即E50) , 支撑体顶高程同大坝一致。粘土心墙与右岸岸坡连接后, 向上游贴坡延伸至W165, 在W150设一道截断倾倒体的混凝土防渗墙, 形成一条完整的防渗线, 在混凝土防渗墙下游侧倾倒体内设置排水廊道并布置辐射状排水孔, 将进入右坝肩倾倒变形体内的渗水排出, 确保坝肩岩体稳定。
2裂缝发展过程及现状
2002年5月20日安全检查时, 发现在右坝肩W150混凝土防渗墙顶部出现了5条裂缝, 最大的一条裂缝最大高差6 mm左右, 裂缝总体上北高南低, 最大裂缝张开宽度约13 mm。
2002年7月23日水库经历了超100年一遇特大洪水和2002年9月2日近场区4.2级有感地震后, 主坝右坝肩西150 m防渗墙下游附近的P109测压管水位出现异常, 在短时间内水位涨幅达13.60 m, 同时右坝肩倾倒体内6#、7#排水廊道渗水范围扩大, 沿7#廊道与防渗墙之间的提升机竖井西壁1 135.0 m和1 141.0 m高程处出现渗水。
2003年3月25日, 水库管理局对右坝肩山坡坡面观察后发现, 在坝顶以上高100～60 m的山脊1#、2#、3#梁上有裂缝出现, 裂缝一般长15～20 m, 张开宽8～15 cm, 共发现10条裂缝。右坝肩坝面有不同程度的变形, 坝顶混凝土板出现多条裂缝, 裂缝以近东西向裂缝为主, 延伸长度一般4～7 m, 最长达34 m, 裂缝一般南侧较北侧高1～20 mm, 裂缝张开一般15～25 mm, 最宽者达40 mm。
2005年9月23日, 在坝址东北约12 km处发生4.9级地震后, 在混凝土防渗墙顶部原第2道、第3道裂缝之间新出现1条裂缝, 最大缝宽约0.2 mm。
近几年混凝土防渗墙顶部已形成的6条裂缝中, 第1、3道裂缝仍在变化, 3年累计分别增加约9.2 mm和1.5 mm, 其它裂缝基本保持稳定状态。
3右坝肩防渗墙裂缝成因分析
3.1 右坝肩地形地质条件
本主坝右坝肩位于秋立塔克山北坡的第1排山脊, 坝轴线处山脊高出坡脚地面340余m, 坝顶以上岩石裸露, 自然坡比1∶1～1∶0.75, 山体沟梁相间, 以较宽缓的顺坡向沟为主。出露的地层为棕色泥岩、泥质砂岩互层, 新鲜完整岩体的干抗压强度8.7～14.2 MPa, 软化系数0.26, 遇水易崩解、软化。右坝肩山体正常地层产状为65°NW∠70°～90°, 山体在上升侵蚀过程中, 由于反倾向的层状岩体在边坡上受上覆岩体的推力及自身重力作用, 表部岩层逐渐向外弯曲变形, 拉裂折断, 右坝肩部位岩层产生蠕变和坐滑等倾倒变形。倾倒变形体水平深度为23～52 m, 强倾倒体水平厚度5～26 m, 强倾倒体内张性拉裂缝发育, 充填物结构疏松, 架空结构发育, 张性拉裂缝发育方向与岸坡方向一致。弱倾倒体水平厚度21～52 m, 岩体产生轻微弯曲变形, 无滑裂缝和架空结构。
3.2 右坝肩山体裂缝的成因分析
右坝肩地层为泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩和砂岩及其互层, 岩石性质软弱, 强度低, 岩层受上覆岩层向下的推力及本身自重的作用, 发生了弯曲变形和折断后的倾倒, 右坝肩山体内部也产生了张拉裂缝, 右岸倾倒体在水库蓄水以前处于平衡状态, 水库蓄水后, 倾倒体内的水文地质条件发生改变, 因此倾倒体浸水后, 下部破碎岩体浸水后被软化, 产生压缩变形。张裂缝外侧的岩体破碎, 软化后压缩变形量大, 而张裂缝内侧的岩体相对外侧的岩体要完整, 软化后压缩变形量较外侧小, 因此, 在张裂缝两侧产生不均匀沉陷, 使张裂缝外侧岩层产生较大弯曲变形, 而在右岸山体1 198～1 245 m高程的不同部位出现张拉裂缝。
3.3 混凝土防渗墙裂缝成因分析
造成混凝土防渗墙裂缝的主要因素有两个方面。
(1) 由于混凝土防渗墙垂直山体岸坡布置, 防渗墙穿过边坡倾倒变形体进入到新鲜岩体内, 混凝土防渗墙通过的地层有强倾倒体、弱倾倒体和新鲜岩体3层不同性质的岩体, 靠边坡外侧的强倾倒体内张性拉裂缝发育, 充填物结构疏松, 架空结构发育, 岩体破碎, 浸水后软化变形量较大。
弱倾倒体岩体相对完整, 无滑裂缝和架空结构, 浸水后变形量相对较小, 3层不同性质的岩体由于库水的作用而造成山体内外变形不一致, 导致混凝土防渗墙因受力不均匀而产生裂缝。
(2) 水库蓄水后混凝土防渗墙上游侧岩体底部长期位于水库库水位以下, 使得防渗墙上游侧岩体底部的水文地质条件发生了本质性的改变, 下部破碎岩体长期浸水后, 软化变形较大。而混凝土防渗墙下游侧岩体, 由于有混凝土防渗墙的阻水保护, 再加上在防渗墙下游侧倾倒体内设置有完善的排水设施, 将进入防渗墙下游侧倾倒变形体内的渗水排出, 防渗墙下游侧岩体底部的水文地质条件基本上没有发生改变。下部破碎岩体受水库蓄水的影响较小, 岩体软化变形较小, 水库蓄水后混凝土防渗墙上、下游侧底部岩体因水文地质条件相差较大, 造成混凝土防渗墙上、下游侧底部山体变形不一致, 使混凝土防渗墙产生弯曲变形, 导致混凝土防渗墙因受力不均匀而产生裂缝。
3.4 右坝肩坝顶裂缝的成因分析
在右岸坡脚和阶地上堆积有第四系洪积、坡积、崩积含碎石低塑性粘土, 厚度20～30 m。天然状态下密实度较低, 右坝肩处理设计时, 顺岸坡向上游延伸的支撑体仅将内部的防渗体部位挖到了基岩, 而防渗体外侧的砂砾石支撑体直接坐在了第四系洪积、坡积、崩积含碎石低塑性粘土上, 水库蓄水后支撑体的基础发生沉降变形, 导致支撑体随基础沉降变形而在坝顶产生了裂缝。
4工程加固措施
4.1 右坝肩倾倒体及混凝土防渗墙加固
根据右坝肩山体的地质条件和导致混凝土防渗墙产生裂缝的原因分析, 为避免混凝土防渗墙裂缝的继续发展, 确保右坝肩倾倒体的稳定, 采取具有针对性的“卸荷固脚”加固措施进行处理, 确定右坝肩倾倒体处理原则如下。
(1) 通过采取工程措施, 尽量使混凝土防渗墙上游侧和下游侧、混凝土防渗墙部位山体内部和山体外侧变形均匀一致, 使混凝土防渗墙四周受力均匀, 减小防渗墙四周山体不均匀变形, 避免混凝土防渗墙裂缝的继续发展和新裂缝的产生。
(2) 对坝顶高程以下山体的加固处理以减少沉降变形为主, 对混凝土防渗墙上、下游两侧利用充填 (固结) 灌浆增加倾倒体的密实度, 提高底部岩体的承载力, 减小底部岩体变形。重点是对混凝土防渗墙上游侧山体进行充填 (固结) 灌浆, 改善混凝土防渗墙上游侧山体由于水库蓄水所引起的不利影响。
(3) 对坝顶高程以上山体的加固处理以卸荷和对边坡加固为主, 以减小对底部岩体的压力。
(4) 对右坝肩山坡表面进行防护, 避免降水时山坡上的地表水进入到右坝肩山体内, 造成右坝肩山体的水文地质条件发生改变, 在右坝肩山坡表面布置完善的防水和排水系统。
(5) 为保证混凝土防渗墙下游侧山体内的水文地质条件不发生改变, 要使右坝肩山体内的排水系统排水畅通。
4.2 右坝肩倾倒体加固措施
根据右坝肩倾倒体处理原则, 对坝顶高程以下山体的加固处理采用深层固结灌浆的方式来完成, 坝顶高程以上山体卸荷采用表层削坡清理的方式来完成, 对坝顶高程以上山体的加固目前常采用阻滑桩或者锚索支护方案进行处理。
5结语
(1) 混凝土防渗墙产生裂缝的主要原因是防渗墙穿过边坡3层不同性质的岩体, 水库蓄水后混凝土防渗墙上、下游侧底部岩体水文地质条件相差较大, 使得混凝土防渗墙上、下游两侧底部山体变形不一致和山体内部、外侧变形不一致, 导致混凝土防渗墙因受力不均匀而产生裂缝。
(2) 为避免混凝土防渗墙裂缝的继续发展, 确保右坝肩倾倒体的稳定, 宜采取具有真对性的“卸荷固脚”加固措施进行处理, 即对坝顶以上倾倒体进行削坡卸荷减轻对底部岩体的压力, 同时对底部岩体进行加固处理提高其承载力, 减小底部岩体变形。
(3) 尽量使混凝土防渗墙上、下游两侧及防渗墙部位山体内部、外侧变形均匀一致, 使混凝土防渗墙四周受力均匀, 减小防渗墙四周山体不均匀变形, 避免混凝土防渗墙裂缝的继续发展和新裂缝的产生。
摘要：针对克孜尔水库边坡3层不同性质的岩体和在水库蓄水后混凝土防渗墙两侧底部岩体水文地质条件变化等工程特点, 系统分析了造成混凝土防渗墙裂缝的成因, 并提出了安全可靠的工程处理措施。
关键词：粘土心墙砂砾石坝,防渗墙,裂缝,克孜尔水库
坝肩处理 篇2
1工程地质特征
拱坝轴线位于迎龙沟口上游约180 m, 该段河谷多呈U形, 山顶高程510～587 m。坝址区出露和开挖揭露地层主要为寒武系中统覃家庙群, 影响坝肩稳定的主要断层如下。
(1) F1断层:
在右岸坝基范围内出露高程为443.0～453.0 m, 其产状走向NE70°, 倾向NW, 倾角12°～20°, 即倾向上游偏右岸, 向上游延伸段被原施工浇筑混凝土所覆盖, 向下游延伸约60 m。断层破碎带宽10～30 cm, 其组成物质为角砾岩并局部有较连续的泥化夹层。
(2) F30断层:
出露在右岸F1断层上方5～12 m, 走向NW285°～295°, 倾向NE, 倾角13°～16°, 出露高程446.2～452.7 m, 出露长度约100 m, 断层带中可见擦痕、泥膜及厚0.3～2.0 cm的夹泥。
(3) F25断层:
位于河谷右岸, 走向NE47°～60°, 倾向SE, 倾角73°～80°, 建基面出露高程454.3～475.5 m, 断层带中可见碎裂岩、角砾岩及构造泥。断层两侧裂隙、劈理发育, 多呈密集带。
坝址区层间剪切破碎带较发育, 为构造成因, 主要分布于岩层层面间, 基本顺层发育, 局部切层, 但夹角很小, 已开挖断面自高程443～490 m范围内揭露了14～16条, 大部分分布在坝顶高程以下。一般为多元结构即节理裂隙带、劈理带、泥化带, 结构面延伸较远, 宽0.1～0.3 m, 影响带宽0.5～1.0 m, 沿剪切带有溶蚀现象, 表部风化较强, 见有泥膜及后期充填的黄泥。
2坝肩稳定分析
拱坝的坝肩稳定有抗滑稳定和变形稳定两种情况, 抗滑稳定是坝肩岩体在各类荷载作用下沿软弱结构面滑移, 变形稳定是指在坝肩地质条件较差、岩体变形模量较低情况下, 坝肩岩体在荷载作用下产生较大变形而可能导致坝体的失稳。本次计算是针对前种情况采用刚体极限平衡法对坝肩进行稳定分析。
2.1 荷载
坝肩岩体承受的主要荷载有岩体自重、侧滑面的摩擦力及凝聚力, 底滑面的摩擦力及凝聚力, 侧滑面渗压力, 底滑面渗压力和由坝体作用在岩体上的拱端总推力、拱端总竖向力等, 坝体作用在岩体上的荷载大小和方向引自拱坝应力计算报告。坝址区地震烈度6度, 不考虑地震荷载。
2.2 荷载组合
坝肩岩体抗滑稳定计算的控制工况及荷载组合, 主要考虑以下两种情况。
(1) 基本荷载组合:
为设计水位+温降工况的全部荷载。
(2) 特殊荷载组合:
为校核水位+温升工况的全部荷载。
2.3 抗剪参数
坝基开挖揭露显示, 岩体地质条件不很理想, 地质勘察评价, 岩体及结构面抗剪参数较低, 见表1。
2.4 滑动类型分析
经对拱坝的布置、体型、坝肩地质平切图、推力大小及方向、断层及裂隙情况的综合分析, 将坝肩的稳定问题归结为以下几种滑动类型。
(1) 通过对各高程拱端推力的大小及方向分析, 高程越低推力角越大, 起抗滑作用的岩体越薄弱, 因而存在坝肩中下部位岩体受力后沿基岩厚度薄弱部位滑动问题。
(2) 右坝肩受到陡倾角的F25断层和L38、L36裂隙的切割, 与缓倾角的F30断层或层间剪切带组合, 形成可能滑移岩体 (见图1) , 在各类荷载作用下发生刚性整体滑动。
(3) 拱坝坝体断面厚高比较小、断面较薄, 右坝肩开挖坡度较缓, 因而存在坝体沿建基面滑动问题, 即上滑稳定问题。
2.5 稳定计算
2.5.1 沿基岩厚度薄弱部位滑动问题
首先通过确定抗滑稳定岩体厚度包络线方法粗略分析坝肩岩体稳定情况。计算简图见图2。
计算公式如下:
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式中 l——所需抗滑稳定岩体厚度, m;
n——抗滑安全系数, 基本组合取3.0, 特殊组合取2.5;
f、C——抗滑岩体抗剪断摩擦系数及凝聚力;
U——侧滑面渗压力, kN;
V、H——拱端推力沿侧滑面及垂直侧滑面方向的分力, kN。
对包络线中岩体厚度最小的断面计算其安全系数。按李瓒编著的《混凝土拱坝设计》一书第8章所列基本公式计算分析:
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式中 K′——剪摩抗滑稳定安全系数;
K——纯摩抗滑稳定安全系数;
P——拱坝传来的水平作用力, kN;
V——拱坝传来的竖向作用力, kN;
U1——侧滑面渗压力, kN;
W——单高滑体自重, kN;
ΔA、ΔUb——单高滑体沿高度方向面积, m2, 渗浮力增量, kN;
f1、fb——纯摩时侧面和底面的摩擦系数;
f1′、fb′——剪摩时侧面和底面的摩擦系数;
c1′、c′b——剪摩时侧面和底面的凝聚力强度;
l ——侧向滑移面长度, m;
α——拱坝传来的水平作用力P与侧向滑移面夹角, (°) 。
2.5.1.1 左坝肩抗滑稳定
通过计算发现, 由于拱坝布置的特殊性, 左坝肩岩体相对厚实, 计算岩厚包络线在实有岩体线之内, 计算抗滑稳定安全系数能够满足要求。
2.5.1.2 右坝肩抗滑稳定
右坝肩高程451 m以下岩石破碎、强度指标较低, 计算所需岩体厚度与实有岩体厚度相差较大, 抗滑稳定安全系数较小。因此对该部位进一步做了局部抗滑稳定分析。将由高程443～459 m的计算岩体薄弱部位连成的斜面做为侧滑面, 以443 m高程层面为底滑面, 计算坝肩高程459 m以下岩体沿该侧滑面的局部滑动稳定, 结果为K=0.63, K′=1.9, 仍不能满足规范要求, 必须采取适当措施进行加固处理。
2.5.2 右坝肩F25断层外部滑移岩体整体稳定计算
滑移岩体平面位置见图1。从F25出露位置图 (图3) 可见, F25断层在高程467 m左右与坝体相交, 因此可认为由F25断层和L38、L36裂隙与缓倾角断层或剪切带切割出的岩体, 承受拱坝在467 m高程以下至底滑面的拱端推力, 467 m高程以上的推力全部由F25断层上盘岩体承担。整体稳定即是指该切割岩体沿侧滑面F25断层和底滑面F30断层或其他层面滑动的稳定情况。在计算中将L38裂隙切割面作为临空面, 不计其上的摩擦力和凝聚力, 但计入了该面上的渗压力。
F30断层的走向NW285°～295°, 倾角NE13°～16°, 与推力方向基本相反且倾向岸里, 见图1, 对抗滑稳定有利, 在计算中为简化近似认为滑面与拱端推力始终成5°角。
451 m高程的层间剪切带编号为f2-1, 走向NW351°, 倾角NE12°, 倾向河床, 对稳定不利 (见图1) 。计算结果见表2。
2.5.3 沿坝肩建基面的抗滑稳定计算
计算右坝肩在校核水位+温升工况上部489.5～497 m高程部位的安全系数偏小, 有沿建基面向上方的滑动趋势, 即“上滑稳定”问题。其主要原因是由于开挖面较缓, 拱端推力沿基岩面的滑动分力较大, 且坝体较薄与基岩接触面较小, 坝体压重小, 因而抗滑力偏小, 由此可能形成上部坝体的拉开、裂缝, 进而导致坝体整体失稳。
针对计算情况, 对拱端体型做了适当调整, 采取了在拱端上下游部位做贴角设计等措施, 增加了抗滑力, 满足了该部位抗滑稳定要求。
2.6 纯摩和剪摩两种计算方法的比较分析及选用
对于F25外部岩体沿底滑面滑动情况, 按纯摩和剪摩两种方法计算, 相对两种方法的允许安全系数, 按纯摩公式计算结果较剪摩公式结果明显偏大, 而对443～459 m高程岩体沿基岩厚度薄弱面滑动情况则结果相反。
《混凝土拱坝设计规范》 (试行) (SD145—85) 条文说明中第6.2.6条 “对于混凝土和岩石接触面、地基内完整岩石和混凝土塞加固的部位, 以及不平整度明显超过夹泥层厚度的结构面, 可采用剪摩公式计算。但是对于明显断裂的结构面, 如含泥软弱夹层, 已剪切错动过的层面、节理和断层, 试验证明其C值极小, 则可采用纯摩公式”。据此, 考虑本拱坝的实际情况, 对F25外部岩体沿底滑面的滑动采用纯摩公式计算, 而443～459 m高程沿基岩厚度薄弱面滑动采用剪摩公式计算, 坝体沿建基面滑动按剪摩公式计算。
3坝肩稳定处理设计
坝肩稳定分析表明, 玄庙观拱坝右坝肩岩体由于受断层和层面裂隙的切割, 以及泥化夹层存在, 其整体性较差, 岩体稳定不能满足设计要求。左坝肩岩体相对整体性较好, 坝肩稳定能够满足要求。基于这些分析成果和考虑坝址区的实际地形、地质条件, 设计采用以下处理措施。
(1) 在加强左、右坝肩固结灌浆的同时, 对层面裂隙如f2-1等, 进行高压喷射灌浆, 增加层面间凝聚力。
(2) 在右坝肩布置了断面3 m×6 m、深35 m的抗剪洞塞, 洞身穿过F25断层, 在坝体下游岩体布置排水洞及多层排水孔。
(3) 以现有原重力坝浇筑的坝基混凝土为基础, 在右岸紧贴坝肩下游岩石设置断面尺寸5 m×8 m (宽×高) , 长30 m的约1 200 m3的贴坡混凝土墩, 并以锚筋与基础及边壁岩石锚固, 解决右岸坝肩下部岩体厚度薄弱问题。
(4) 右坝肩在451～470 m高程布设21根300 t级预应力锚索, 使F25外部滑移体经锚固满足稳定要求, 同时, 布置了相应的固结灌浆河高压旋转喷射冲洗后再灌浆, 以期提高坝肩岩体的抗剪指标。
4结语
鉴于玄庙观拱坝的不利地质条件及坝肩稳定计算分析成果, 对坝肩采取如上处理措施是非常必要的。截至目前, 坝前挡水位尚未达到正常蓄水位495.0 m, 更未经受较大洪水考验, 2005—2007年最高蓄水位达到了488.0 m, 通过监测数据分析, 拱坝运行情况良好。
坝肩处理 篇3
关键词：箭峪水库,右坝肩,渗漏分析,处理
1 水库概况
箭峪水库位于渭河二级支流箭峪河上, 距渭南市20km, 是一座具有灌溉、城市供水、兼有防洪及拦沙等综合功能的小 (1) 型水利枢纽工程。水库于1980年1月建成, 原设计总库容316.4万m3, 已淤积8万m3。坝址以上流域面积31.2km2。枢纽由大坝、溢洪道和放水洞组成。大坝为厚心墙土坝, 现状坝顶高程850.20m, 最大坝高58.6m。溢洪洞位于大坝右岸, 进口为开敞式侧堰, 堰顶高程946.77m, 最大泄洪流量276m3/s;溢洪洞断面为城门洞型, 底宽5.4m, 高5m~7.1m, 出口为挑流消能。放水洞位于大坝左岸, 全长292m, 进口底板高程812.97m, 隧洞断面为2.6×2.6m城门洞型, 设计流量1.5m3/s。
2 坝体渗漏现象综述
箭峪水库1980年竣工关闸蓄水, 1981年6月库水位蓄至841.97m时, 右坝肩背水坡坝岸结合处高程819.08m和833.3m两处有清水出流, 左坝肩背水坡脚在807.00m高程, 也有清水出流, 随着库水位的升高, 渗流量加大, 右坝肩两处渗流量达29L/s, 渗漏水较库水位滞后5h~7h, 其中833.3m高程渗漏严重, 渗漏量23L/s, 左坝肩渗漏量21L/s。原渭南县水利局 (临渭区水务局) 组织有关专家勘察后认为系绕坝渗流, 要求密切注视渗漏量和水质的变化同时在渗漏处修三角量水堰及导流渠, 降低库水位运行, 蓄水位限制在841.97m以下, 通过多年观测, 渗漏一直是清水, 右坝肩两处渗漏的起渗水位为841.97m, 随着库水位的升高渗量由0.2L/s逐渐增大至29L/s (库水位84677m) , 左坝肩背水坡807m高程渗漏点在库水位由816.0m升至846.77m时, 渗漏量由0.3L s渐增至21L/s, 经实测坝顶高程多年累计沉陷量达1.1m, 由于坝体沉陷、坝前淤积等原因目前右坝肩819.08m渗漏点, 左坝肩807.0m渗漏点渗水痕迹犹在, 渗漏现象已消失, 仅存右坝肩833.3m高程渗漏如故, 在正常水位时渗漏量23L/s。
3 右坝肩渗漏原因分析
箭峪水库地质勘察工作先后于1998年8月, 2005年1月进行过两次, 在右坝肩先后进行钻探, 布孔ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共5个并在溢流堰左侧布ZK7钻孔, 1998年的地质钻探表明, 右坝肩斜坡面比较平顺, 倾角40°~50°, 岩体内岩脉发育, 高程810m以上夹有多层抗风化能力较差的黑云母角闪片岩, 岩体风化强烈破碎, 高程810m以上强风化带水平宽度15m~30m, 垂直厚度15m~25m, 强风化带岩体的透水率为28Lu~116Lu, 属中透水率, 弱风化带上部岩体透水率为27Lu~36Lu, 属中等透水。
2005年1月在右坝肩0+201处布设ZK6, 在溢流堰左侧布设ZK7, 以便探明进水通道, 钻探资料表明, 右坝肩至溢流堰之间80m长为一基岩陡岸, 岩性为花岗片麻岩Argnr, 其间夹有一层角闪斜长片麻岩Argnδ, 上部825m高程以上岩石透水率为8.9Lu∽3.1Lu, 系弱风化岩体。
右坝肩下游坝岸结合部渗漏点高程8333m, 起渗水位841.97m, 随着库水位的升高渗量逐渐增大, 且渗水一直为清水, 由于黑云母角闪片岩在右坝肩坝前截渗设有闭合, 沿片理方向有一渗漏段存在, 在平面上没有形成完整的防渗体。
右坝肩第一次灌浆对桩号0+156~0+196段采用粘土浆, 灌浆孔底高程为坝与岸坡结合部位, 灌浆孔未深至相对不透水层, 桩号0+196偏向下游60°的灌浆段为基岩充填灌浆孔距5.0m, 孔距偏大, 同时灌浆孔底高程为830.0m, 也未深至相对不透水层, 第二次灌浆虽至桩号0+196向东沿坝轴线灌至0+216, 但孔底高程为830.0m, 也未深至相对不透水层形成的是悬挂式帷幕, 库水仍可能沿帷幕底部的强风化基岩裂隙绕渗。
针对右坝肩防渗处理效果不理想的实际情况, 认为箭峪水库右坝肩渗水主要原因是以下几个方面。
(1) 岩石裂隙发育, 风化严重, 由于黑云母角闪片岩的存在, 右岸岸坡岩石裂隙发育, 风化严重, 属严重渗水岩体, 右坝肩渗水不是一个点, 而是一个较大的范围, 应按要求, 认真进行处理。
(2) 设计在没有查清漏水范围的情况下, 沿下游布孔方法不当, 且设计孔距偏大, 不能在右坝肩岩体内形成连续防渗帷幕。
(3) 灌浆压力小, 故灌浆效果不好。
4 处理方案
针对右坝肩基岩透水率大, 基岩强、弱风化范围广的特点, 对该段只有按以下方案进行处理。
必须对该段进行基岩帷幕灌浆, 灌浆范围为0+156~0+226, 全长70m, 布二排灌浆孔, 排距1.5m, 孔距2.0m, 呈梅花桩布置, 共70孔, 灌浆材料为水泥浆, 灌浆压力为0.6MPa, 灌浆孔深入相对不透水层 (ω=10Lu) 下5.0m, 桩号0+156处灌浆孔底高程791.0m, 桩号0+179处灌浆孔底高程798.5m, 桩号0+211处灌浆孔底高程821.0m, 设计灌浆检查孔4个, 桩号0+166, 0+176, 0+196, 0+216。并在总结前面灌浆经验的基础上对迎水坡进行铺盖处理, 对周边岩体进行喷锚处理,
施工当中必须先施工先导孔, 探明相对不透水层, 灌浆时实际压力因现场情况而定, 可以适当提高0.2MPa, 施工中严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》 (DL/T5148-2001) 执行。
5 结语
坝肩处理 篇4
立洲水电站位于四川省凉山州木里县境内的雅砻江一级支流木里河干流上, 是木里河干流 (上通坝~阿布地) 水电规划“一库六级”的第六个梯级。枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪系统、右岸地下长引水隧洞及右岸龚家沟地面发电厂房组成。开发任务主要为发电, 兼顾下游生态环境用水要求。正常蓄水位2 088 m, 最大坝高132 m (不包含垫座) , 总装机容量355 MW (含10 MW生态机组) , 多年平均发电量为15.46亿k W·h, 工程规模为大 (2) 型工程。立洲水电站下闸蓄水后, 大坝右岸近坝岸坡段 (高程:2 092 m~2 020 m) 渗漏量较大且集中, 最大总渗流量达到15 L/s。为此, 需在大坝右岸高程2 092 m灌浆隧洞布置检查孔开展物探检测工作, 以查明渗漏通道走向。
2 检测方法
依据检查目的, 选择采用钻孔压水、示踪剂跟踪、全景数字成像及电视动态录像的综合物探检测方法。
钻孔压水是在一定压力下将水压入用栓塞隔开的一定长度的孔段内, 通过压水了解岩体透水率的一种试验方法, 见图1。采用单点法压水, 压力按1 MPa控制。
示踪剂采用高锰酸钾颗粒, 在钻杆内加入高锰酸钾, 将钻杆下至检查孔内一定深度并通水, 检查确认检查孔与中层廊道 (高程2 020 m) 右岸渗漏量较大且集中的幕后排水孔间 (从右至左编号为2YSP22~2YSP31) 是否存在渗漏通道。全景数字成像系统采用堆面反射光学变换原理, 转换原理如图2所示, 能实现将360°钻孔孔壁图象转换成为二维平面图像, 可提供视觉直观的钻孔资料, 了解被测目标体的原始形象, 如分界面、岩层产状、软弱夹层、裂隙发育程度以及浆液对缝隙的充填情况等。
电视动态摄像以电视片段形式真实、直观反映钻孔孔内情况, 集电子技术、视频技术、数字技术和计算机应用技术于一体, 解决了钻孔内的工程地质信息采集的完整性、准确性和连贯性问题, 可记录钻孔内所有的地质信息, 能直观了解钻孔岩性及地下水活动情况。
3 检测工作布置
根据中层、顶层廊道帷幕线位置关系, 并结合中层廊道 (高程2 020 m) 右岸幕后排水孔渗漏量较大且集中的部位的位置坐标, 确定布置2个斜向检查孔, 检查孔剖面图、平面图如图3~4所示。
4 检查成果与分析
4.1 钻孔压水
根据设计技术要求, 高程2 092 m~2 020 m距坝肩100 m内透水率质量评定标准为q≤2Lu。3YSB02检查孔孔深89 m, 分19段压水, 其中大于2Lu有3段, 且不集中, 最大透水率3.42Lu, 不超过评定标准值的150%, 最小透水率0.16Lu, 平均透水率0.97Lu。3YSB03检查孔孔深79.5m, 分17段压水, 其中前14段均小于2Lu, 后3段透水率分别为59.84、12.93和20.71Lu, 高程为2 027.7 m以下, 该3段透水率过大, 可分析判断该检查孔2 027.7 m以下与中层廊道右岸渗水量较大且集中的排水孔间应存在渗透通道。检查孔各段平均透水率分布见图5。
4.2 示踪剂跟踪
在3YSB02检查孔钻杆内加入高锰酸钾并通水, 发现中层廊道右岸2YSP22、2YSP23排水孔内有粉红色水流出, 在3YSB03检查孔钻杆内加入高锰酸钾并通水, 发现2YSP23、2YSP26排水孔内有粉红色水流出, 可以确认3YSB02、3YSB03检查孔与中层廊道 (高程2 020 m) 右岸渗漏量较大, 且集中的幕后排水孔间存在渗漏通道。
4.3 全景数字成像
针对3YSB03检查孔进行了全景数字成像, 该孔内孔壁破碎、裂隙发育、完整性差等明显缺陷的部位统计见表1, 其余部位岩石完整性较好, 局部可见水泥结石。
m
通过全景数字成像检查手段, 发现3YSB03检查孔内围岩完整性较差部位较多, 总长度占总孔深的21%, 孔壁破碎、易掉块, 说明部分孔段前期灌浆效果不好, 浆液未有效充填;坝前水位高程2 087.5 m, 检查孔内水位2 058.3 m, 该孔并未与坝前水位形成贯穿通道, 但存在渗漏通道。
4.4 电视动态录像
针对3YSB02检查孔进行了电视动态录像, 该孔内孔壁破碎、裂隙发育、完整性差等明显缺陷的部位统计见表2, 其余部位岩石完整性较好。
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通过电视动态录像检查手段, 发现3YSB02检查孔内围岩完整性较差部位较少, 总长度占总孔深的9%, 围岩情况整体较好。
5 渗漏原因分析及设计处理方案复核
前期帷幕灌浆Ⅰ序孔开灌水灰比为1∶1, Ⅱ序孔开灌水灰比为2∶1, 根据灌浆成果统计, 部分Ⅱ序孔单位注浆量较Ⅰ序孔大, 说明前期Ⅰ序孔拟定开灌水灰比相对较浓, 并不能对细小裂隙进行有效充填, 灌浆效果不好;同时在大坝逐步蓄水后, 在水头压力的作用下, 细小裂缝不断张开并逐渐形成渗漏通道, 致使大坝右岸近坝岸坡段 (高程:2092~2 020 m) 渗漏量逐步增大。
根据物探检测结果综合分析, 可判断大坝右岸近坝岸坡段确实存在渗漏通道, 渗漏部位集中在桩号0+462.965~0+500.000段, 高程为2 027.7 m以下, 与设计文件补灌部位基本一致, 设计处理方案是可行的。
6 结语
1) 采用综合物探检测方法, 可保证渗漏通道走向及补灌范围判定的准确性、全面性, 经补灌后, 补灌效果非常明显, 原渗漏量较大且集中的幕后排水孔渗水量很小, 总渗流量由15 L/s降至2.7 L/s。
2) 综合物探检测方法在水电工程建设中的作用非常突出, 充分发挥物探检测方法的作用, 能有效复核设计处理方案, 确保处理方案经济可行, 并节约工程投资。
[ID:003596]
摘要：立洲水电站大坝为碾压混凝土双曲拱坝, 大坝蓄水后发现右岸坝肩渗漏量较大且集中。为更好地探明右岸坝肩渗漏通道走向, 明确渗漏处理范围及复核设计处理方案, 采用了钻孔压水、示踪剂跟踪、钻孔全景成像及钻孔动态录像的综合物探检测方法。根据检测情况复核确定的处理方案进行补灌, 总渗流量由15 L/s降至2.7 L/s, 补灌效果明显。综合物探检测法的检测成果可为判定渗漏通道走向、确定补灌范围、复核设计处理方案等提供可靠依据。
关键词：综合物探检测法,立洲水电站,双曲拱坝,坝肩渗漏处理
参考文献
[1]王俊.综合物探方法在工程基础勘探中的应用[J].物探化探计算技术, 2013, 35 (2) :215-220.
[2]曾宪强.水利水电工程物探技术应用与研究[M].郑州:黄河水利出版社, 2010.
坝肩处理 篇5
1.1 工程基本情况
西北口水库位于湖北省宜昌市夷陵区分乡镇。水库枢纽工程由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸泄洪隧洞、发电放空隧洞及发电站等5大建筑物组成。
水库总库容2.1亿 m3, 电站总装机18 900 kW。水库大坝长222 m, 坝高95 m。坝址以上承雨面积862 km2, 多年平均降水量1 150 mm, 多年平均径流量3.88亿m3。水库按100年一遇洪水设计, 10 000年一遇洪水校核。正常蓄水位为322.00 m;设计洪水位为322.55 mm, 校核洪水位为328.07 m, 死水位250.00 m。西北口水库是黄柏河流域梯级开发工程中的骨干工程, 水库枢纽工程于1992年建成投入运行。大坝作为国内第1座百米级混凝土面板堆石坝被列入“七五”期间科技攻关项目。
1.2 工程地质及水文地质情况
西北口水库库区位于黄陵背斜东翼, 构造比较简单, 为一单斜岩层, 岩层走向10°～20°, 倾向南东, 倾角10°。库区内广布着寒武—奥陶系的白云岩和石灰岩, 震旦系—下寒武系的炭质、硅质、泥质页岩和志留系砂页岩, 分布于分水岭地段。临近河谷山脊高程在400～600 m之间, 形成西陡东缓的单面山地形。两岸山地岩溶发育, 高程550 m以上溶蚀洼地, 落水洞为主。水库坝址区主要分布有上寒武统碳酸盐类岩石和第四系松散堆积层。由下而上分为①上峰尖组;②黑石沟组;③三游洞组;④第四系松散岩层。坝址区地质构造简单, 属单斜构造, 岩层走向10°～20°, 倾向南东, 倾角9°～12°, 所见构造规模都较小, 未见大的断裂。水库右岸坝肩地质勘察表明在270～290 m高程以上的山体为覆盖于右河道之上的滑塌体, 其组成为滑塌、崩塌堆积和坡积的块石、碎石夹粘土, 铅直厚十多米至数十米发育。右岸山体基岩面高程为270～310 m, 经地质平洞证实, 滑塌体与基岩接触处分布一层厚1 m多的粘土夹卵石层。坝区的水文地质条件除上峰尖组为相对不透水层外, 其它岩组透水性较强。地下水的主要类型为岩石裂隙水、岩流水和岩溶裂隙水以及第四系松散岩层中的孔隙水。在地质勘探时期通过对钻孔长期观测资料分析表明, 地下水位的变化与降水有关。地下水属弱碱性的重碳酸钙镁水, 对混凝土无侵蚀性。
2右坝肩的渗漏状况及观测情况
2.1 渗漏现状
西北口大坝右坝肩自建成投入运行以来就存在渗漏, 渗漏出溢点位于右坝肩山体背水坡与溢洪道左边墙结合处, 出溢点高程为280.00 m。渗漏呈年度周期循环态势, 渗漏从无到有, 漏量从小到大, 达到峰值后又逐渐降低直至干涸。由于各种原因, 右坝肩的渗漏没有从投入运行之初进行观测。自有观测记录以来观测到最大渗漏量为211.91 L/min, 发生时间为2006年1月9日, 相应库水位为317.79 m。最低渗漏量为0, 发生时间多为每年的夏秋季。
2.2 渗漏量的观测制度和观测手段
2.2.1 渗漏量观测制度
大坝右岸坝肩的渗漏量自2003年8月26日开始有观测记录。从2003年8月～2004年4月15日观测密度为1次/周。其中2003年12月30日～2004年2月20日无观测记录 (原因是管理单位春节放假未进行观测) 。自2004年4月15日以后至今, 观测密度为1次/d。同时建立了渗漏量、降雨量、库水位数据关联资料档案, 按年度整理存档。
2.2.2 观测手段
在渗漏出溢点兴建了1条导流沟, 将渗漏水顺坝坡引至坝后平台 (高程255.00 m) , 进入三角量水堰, 通过量水堰后流入下游河道。由于三角形量水堰的制作精度不够, 加之渗漏量小, 利用三角堰量测渗漏量的误差较大。为了提高量测精度, 一直采用量杯、量筒与秒表配合量测。具体的量测方法是:由2人到现场, 1人用适当容器接装渗漏水, 1人用秒表控制时间, 然后将控制时间段内接装的漏水用量杯、量筒进行测量, 计算出单位时间的渗漏量。
3渗漏相关性分析
西北口大坝右坝肩的渗漏观测自有观测记录以来已历时4年, 根据4年来的观测成果绘制的“渗漏量—水位、降雨、时间过程线”如图1所示。
由于从2003年8月～2004年4月15日观测密度为1次/周。其中2003年12月30日～2004年2月20日无观测记录, 过程线出现折线和中断, 连续性不理想, 因此在进行相关性分析时将2004年4月15日前的观测情况作参考, 重点分析具有逐日观测记录的时间段。
3.1 渗漏量与库水位的相关性分析
表1为渗漏量—水位特征值统计表。
从表1看出, 渗漏量的各种极值与库水位不存在规律性的对应关系, 特别是渗漏量为0的水位区间的不固定性更能说明这一点。再对库水位过程线和渗漏量过程线进行分析研究发现, 渗漏量与库水位两者过程线的走势不一致, 峰谷不对应。而且库水位急剧变化后, 也未见渗漏量变化有明显的滞后性同趋势反映。这说明渗漏量与水库水位相关性不明显或者说没有相关性。
3.2 渗漏量与降雨量的相关性分析
渗漏量与降雨量特征值统计见表2
注:因降水形成渗漏量有滞后性, 表中渗漏量为降雨次日的渗漏量。
对过程线图和观测记录进行分析, 情况如下。
(1) 明显的降水过程后, 右坝肩有渗漏水, 漏水量与降雨呈正相关态势。即使在漏水量为0的时段, 只要有集中降雨, 就出现渗漏现象。短暂过程后又趋于0渗漏量。如2005年4月7日, 渗漏量为0, 但4月8日～4月10日3 d降雨达44.1 mm, 渗漏量变由0上升为0.2 L/min, 持续1 d后又变为0;2005年7月7～10日连续降雨达106.6 mm, 7月11日渗漏量达2.5 L/min;2006年和2007年均出现类似情况。
(2) 在渗漏量为0而由于降雨出现渗漏的情况时, 渗漏量很小, 而且与降雨存在滞后同趋势现象, 渗漏量与降雨量的变化符合常规。
(3) 因坝址区降水形成的渗漏与连续渗漏时段的平均值相比要小许多, 显然坝址区降水不是渗漏量的主要相关因素。
3.3 渗漏量与季节的相关性分析
表3为渗漏量—时间特征值统计表。
注:根据观测资料, 2003年12月29日渗漏量为108.6L/ min, 但2004年1月1日～2月2日无记录, 但这段时间的渗漏量应该持续, 不可能突然消失, 无记录原因不详。
对观测记录和过程线图分析, 情况如下。
(1) 渗漏量在1年中存在周期性变化趋势。一般在当年末和次年初呈连续性升高达到峰值后连续性降低至0。
(2) 持续性渗漏在1年当中的枯水季节更明显, 峰值均发生在枯水期, 渗漏为0的时段却多发生在年中丰水期, 渗漏量与季节相关性较明显但又不符常规 (常规应是1年当中丰水期渗漏量大, 枯水期渗漏量小) 。
(3) 值得注意的是2006年的渗漏量为0的时段虽然与其他年份不太一致。但仔细查阅观测记录发现自2006年6月15日～9月12日期间, 在无连续降雨和大暴雨情况下, 渗漏量均在1.0 L/min以下 (如2006年6月21日～23日, 3日连续降雨达78.2 mm, 而渗漏量由6月21日的0.1 L/min上升到6月23日的18.5 L/min, 24日又锐减到4.6 L/min, 27日为0.4 L/min) , 如果将因即时降雨而使渗漏量增大的情况滤去, 把这段时间的渗漏量近似看为0, 那么2006年渗漏量为0的时段与其他年度基本一致, 表明渗漏量与季节相关性在每一个观测年度中有较一致的反映。
3.4 渗漏量与温度的相关性分析
从渗漏量过程线图可以看出, 在气温较高的夏秋季节渗漏量小, 在气温较低的冬春季节渗漏量大。在有观测记录的4年中, 最大渗漏量发生的时间分别是:2004年3月8日;2005年12月30日;2006年1月9日;2007年1月27日;西北口水库所在地区的低温季节为当年的11月下旬到次年的3月中旬, 最低气温可达-3 ℃, 冬季的平均气温在10 ℃左右, 夏季的最高气温可达38 ℃, 夏季平均气温26 ℃左右。按常规在热胀冷缩的作用下, 岩层裂隙会在低温季节张开增大一些, 而在高温季节缩小甚至闭合, 那么渗漏量的相关性表现应该是低温季节大, 而高温季节小, 渗漏量的大小与温度似乎存在相关性。
4右坝肩渗漏成因探析
通过对库水位、降水、时间的相关性分析, 可以认为西北口大坝右坝肩渗漏的主要相关性因素是季节和降水。导致渗漏与降水、季节明显相关的原因就是右坝肩渗漏的成因。
4.1 库区远距离右岸山体内裂隙渗水是右坝肩渗漏的主要成因
通过对渗漏量与时间的相关性分析发现渗漏存在年度性循环, 而循环过程又有悖于常理, 即在一年当中的丰水期小, 而在枯水期反而大。西北口水库所在黄柏河东支的降水主要集中在每年的6～9月, 占年降水量的80%左右, 按常理渗漏量应在此时段较大, 而其恰恰相反。在前述的坝区地质情况中, 坝区的水文地质条件中除上峰尖组为不透水层外, 其它岩组的透水性较强。在库区岸边550 m高程以上山体中存在落水洞和溶蚀洼地。地下水有岩石裂隙水、岩溶水和岩溶裂隙水及第四系松散岩层中的孔隙水。所以笔者认为右坝肩的渗漏水的主要来源是库区相当远距离的山体地下水, 而且地下水的主要来源也是地表降水经各种渠道汇入地下形成。其理由是:①查阅西北口水库库区地质资料表明:水库左右两岸与邻谷均有隔水层封闭, 构成天然“帷幕”, 无断层切穿分水岭, 无向邻谷渗漏问题, 反之, 也不存在邻谷向库区渗漏问题。②远距离某处地表降水经灭水洞溶蚀洼地等渗入地下经各种透水岩层汇集集中在右岸山体中, 沿地质裂隙通道流向下游。由于距离遥远加之流量小和沿程损失, 使流行速度缓慢, 所以虽然是在一年中丰水期形成的渗流, 但其到达右坝肩的出流点时已是当年末了, 渗流水持续到次年初结束。③根据测得的最大渗漏量只有0.003 5 m3/s, 每年开始和结束的时间不一致, 持续时间有差别, 且存在断流现象, 可以肯定这股渗流不是具有稳定来源的地下水, 只可能是来源不稳定的地表降水渗入地下经地质裂隙汇集而成;④右坝肩坝址区地质结构存在覆盖于古河道上的滑塌体, 其组成为滑塌、崩塌堆积和坡积的块石、碎石夹粘土, 透水性强。右岸山体基岩高程为270～310 m, 滑塌体与基岩面接触处分布有厚达1 m多的粘土夹卵石层, 右坝肩的渗漏出溢点高程为280 m, 正在上述范围内。所以远距离的山体地下水流至右坝肩区域后向粘土夹卵石层集中, 由于软弱夹层的透水性较强, 汇流到一定程度就会在基岩面以上经粘土夹层溢出地面。
另外, 渗漏量与温度的相关性是否表明气温变化导致岩层裂隙变化是渗漏发生或者说是渗漏量季节周期性变化的原因。这一点笔者认为右岸山体地表高程均在400～600 m, 而出溢点为280 m高程, 如此大的高程差异且在山体中, 当地高低温季节平均气温的高低相差绝对值只有16 ℃左右, 气温对山体中的裂隙几乎没有影响。水库地质勘探资料表明:水库左右两岸与邻谷均有隔水层封闭, 构成天然“帷幕”, 无断层切穿分水岭, 无向邻谷渗漏问题, 反之也无邻谷向库内渗漏问题, 所以不存在因冬季气温的变化导致岩层裂隙增大使库内蓄水或者邻谷水进入渗漏通道而使渗漏量增大的情况。如何解释渗漏量与温度的相关性, 原因是库区右岸山体内裂隙渗水经过远距离渗流, 到达出溢点时正好是年末, 恰好与低温季节吻合, 所以表面上看起来温度与渗漏量也存在明显相关性, 其实不然。
4.2 自然降水是右坝肩渗漏的次要成因
对观测成果的分析发现, 只要出现连续或较大的集中降雨, 渗漏就会发生, 降水前渗漏量为0, 降水后会出现渗漏, 降水前存在渗漏的, 渗漏量会加大。这是因为右坝肩区域的自然降水渗入地下后向位于270～310 m高程粘土夹卵石层集中, 由于软弱夹层的透水性降强, 汇流到一定程度就会在基岩面以上经粘土夹层溢出地面。这种渗漏是即时性的, 渗漏量不大, 但与降水的多少正相关。它不会形成长时段连续且流量相对稳定的渗流, 而形成长时段连续渗流量恰恰是在降雨量稀少的秋冬季, 因而只能是右坝肩渗漏的次要原因。
4.3 右坝肩渗漏水不是水库内的蓄水, 右坝肩渗漏的成因不是库水绕坝肩渗漏
由于渗漏与库水位没有相关性, 右坝肩的渗漏量大小并不与水库库水位同步 (或异步) 同趋势变化, 渗漏量大小极值与库水位无关联, 特别是渗漏量为0的情况存在多个水位区间, 而且各水位区间的水位有明显的差异, 这充分说明右坝肩渗漏的原因不是水库的库水渗漏导致的。
5结语
西北口大坝右坝肩的渗漏现象引起了各方面的关注, 也曾经有多种推测。通过对4年观测成果的分析, 判断渗漏的主要原因是库区内右岸山体地表降水渗入山体经地质裂隙通道远距离汇流至右坝肩出溢点所致;其次是坝址区地表降水渗入地下汇流所致。渗漏水的形成与库内蓄水无直接关联, 因此可以认为西北口大坝右坝肩的渗漏不是由于库内蓄水渗漏所致。显然, 工程管理单位也应加强观测和对观测成果的整理, 积累长系列的观测资料对渗漏原因进一步验证。
摘要：西北口水库大坝作为我国第1座百米级坝高的混凝土面板堆石坝被列入国家“七五”科技攻关项目, 大坝投入运行以来, 右坝肩即存在小股水流渗漏现象。通过对有渗漏观测记录以来的观测成果与库水位、降水量、时间的相关性分析, 研究了西北口大坝右坝肩渗漏的成因。结果表明:西北口水库大坝右坝肩漏水的成因是①库区内右岸山体地表降水渗入山体经地质裂隙通道远距离汇流至右坝肩出溢点溢出;②右岸坝址区地表降水渗入地下汇流至右坝肩出溢点溢出。
关键词：渗漏,相关性,成因,西北口水库
参考文献
[1]崔冠英.水利工程地质 (第3版) [M].北京:中国水利水电出版社, 2000.
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坝肩处理 篇6
关键词：不对称坝肩,危险岩体,岩体稳定性
0 引言
某水库工程拟建正常蓄水位高程1 057 m,校核洪水位1 061 m,坝高81 m,坝顶高程1 062 m,坝型为碾压混凝土双曲拱坝,开敞式坝顶溢洪道,总库容1 050万m3。左岸发育一低邻谷,两河直线相距约0.26～1.1 km。河两岸最大高差423.20m,总体地势南高北低。坝肩下游左岸外凸而右岸内凹,右岸山体下游方向有一低槽,因此左坝肩山体较厚实而右坝肩山体单薄,两侧坝肩抗力体不对称,抗力条件差距较大,因此必须对右岸坝肩尤其是坝肩上部危岩体在高水位压力作用下的稳定性进行计算校核,并采用有效的治理方案进行加固处理,改善坝肩抗力体不对称的情况,保证大坝能够安全稳定的投入使用。
1 相关工程地质条件
坝址区岩层产状为70°∠30°,出露地层岩性由老至新依次为:
(1)中三迭系松子坎组第三段第一层(T2s3-1),岩性为灰、深灰色中厚层微晶灰岩夹少量杂色泥(页)岩,厚17.6 m。
(2)三迭系松子坎组(T2s3-2),其岩性为薄-中厚层泥晶灰岩、泥质白云岩和杂色钙质泥(页)岩互层,厚20.67 m。在T2s3-2中,发育有多层厚度不一的泥岩或泥化夹层,顶部有厚约7 m的软弱层。
(3)三迭系狮子山组(T2sh1-1),岩性为中-厚层灰岩、白云质灰岩、白云岩,厚56 m,为坝址两肩主要持力层。
2 拱坝稳定性有限元模拟
采用CAD绘图软件和ANSYS有限元分析软件,建立了拱坝及其周边岩体的三维几何模型(见图1)。模型考虑了右坝肩J15断层及1 034 m高程处软弱夹层的影响。分荷载步对地层沉积过程、拱坝施工过程和水压力等外荷载施加过程进行分步模拟,计算采用Druck-Prager屈服准则,塑形区分布见图2。
由计算结果可以看出:坝体应力以受压为主,但在坝踵位置有一定范围拉应力区,最大主拉应力为2.73 MPa,拱坝及坝基岩体的整体稳定性较好,但在坝踵位置靠左岸有小范围塑性变形区。通过对模型各部分材料的强度参数(黏聚力c、摩擦系数tanφ)进行折减的方法,逐次计算然后对比分析,当折减系数取3.0时,J15断层带位置几乎全部进入塑性区,第三主塑性应变亦不再呈近线性关系变化,块体失稳。所以,据有限元分析结果,右坝肩块体稳定性系数取值应在3.0左右。但采用有限元强度折减法进行稳定性分析时,采用不同的屈服准则,稳定性系数计算结果存在较大的差异。一般而言,采用等面积圆D-P准则计算所得的稳定性系数与精确解最为接近,而采用ANSYS系统默认的内切圆D-P准则,计算结果较精确解偏高10%～20%,因此将原计算结果折减20%作为有限元强度折减法最终计算结果,可得右坝肩稳定性系数为2.4。
3 危险块体的确定
经现场调研,初步确定右坝肩白云岩顶面高程(1 034 m)以上,受层面、开挖面、节理(J15断层)及其他临空面控制的楔形体为最危险块体。地质测绘各面产状分别为:开挖面(P1):45°∠88°;节理面(P2):312°∠83°;层面(P3):70°∠30°;下游临空面(P4):67°∠90°;顺河床临空面(P5):135°∠90°。形状如图3所示。
4 采用矢量代数法计算危岩体稳定性
4.1 矢量代数法原理
矢量代数法是应用矢量代数工具,解决空间稳定分析中的合力、滑移类型及安全系数的方法。其原理如下。
在已知3个控制结构面的产状、面积、强度参数、作用于各面上的水压力、楔形体自重、拱端作用力和及拱端轴线倾向角的基础上,计算块体所受合力R及其产状,确定滑移类型,计算稳定性系数。
计算结构面P1、P2、P3的单位法线矢量a、b、c的方向数,进而可将楔形体上的作用力沿坐标轴方向分解,合力即为各作用力分解后的矢量和,其模
由R的矢量关系还可进一步确定其倾伏向φr和倾角θr。而稳定性系数Kc见下式:
式中:r0为合力R的反方向单位矢量;R为合力R的模;b、c、f分别为个方向的矢量
4.2 危险块体稳定性计算
4.2.1 几何参数
应用有限元分析软件Ansys相关前处理功能,在图1所示三维模型的基础上,可获取几何参数如表1。
m2
4.2.2 强度参数
层面c=17.5,tanφ=0.475,侧向结构面c=45,tanφ=0.5。
4.2.3 拱端力系
依据北京水科院编制的ADAS0程序计算出的拱端力系,采用线性插值法,计算得到楔形体上的拱端力如表2。
4.2.4 水压力
坝肩帷幕灌浆处理后裂隙水压力按作用水头的0.5进行折减。
正常工况下水位取1 057.00 m,校核工况下水位取1 060.89 m,假设水压力呈锥体分布,各面上的水压力计算结果如表3。
4.2.5 自重
岩石容重按2.6 t/m3考虑。楔形体总重量为53 015.6 t。
4.2.6 稳定性计算结果
依据矢量代数法原理编制程序进行局部稳定性计算,结果如表4所示。
由计算结果可以看出,正常水位下,块体稳定性系数2.45,校核工况下,块体稳定性系数2.09。块体稳定,但安全储备不高,为确保工程安全,需要对右坝肩块体进行治理。
5 治理后稳定性分析
5.1 治理方案
经研究,设计部门决定进行混凝土处理,以增强块体稳定性。处理方案的立体布置示意图如图5所示。
图中左下角的5个多边形面为混凝土台阶,其中靠近临空面的3个面与块体以下白云岩直接接触。稳定性计算中,将左下脚靠近临空面的3个面上的强度参数取为混凝土与岩体的抗剪强度参数,其余面强度参数仍取软弱夹层的强度参数。
5.2 治理后危险块体稳定性计算
治理后块体的稳定性计算与治理前块体的稳定性计算在过程上完全一致,差别主要体现在3个方面:其一是两块体重量存在差异;其二是水压力有一定区别;其三是治理后块体底面的抗剪强度参数较之未治理前有一定提高。稳定性计算结果如表5所示。由计算结果可以看出,正常工况下,块体稳定性系数2.70,校核工况下,块体稳定性系数2.30。
计算结果表明,治理后块体稳定性系数提高了10%左右,但储备系数仍然不高,其原因主要有2个方面:第一,右坝肩块体的可能滑动形态为平面滑动,也就是说在整个滑体中不存在下滑段与抗滑段的区别,“压脚处理”难以有效增大抗滑力;第二,敏感性分析表明滑体的稳定性系数与滑体重量呈负相关关系,也就是说,随滑体重量加大,稳定性系数降低,所以在负地形段填筑混凝土台阶后,会加大块体的自重,而自重的增大又会导致滑体稳定性系数的降低。然而,由于填筑的混凝土与块体以下基岩有一定的接触面积,这部分面积上的抗剪强度参数较高能增强滑体稳定性。
6 结语
该拱坝两坝肩抗力体不对称,且右坝肩1 034 m高程以上块体受侧向裂隙带、软弱夹层及临空面控制,稳定性较差,安全储备不足,经混凝土压脚处理后,块体稳定性系数有所提高,正常工况下稳定性系数由治理前的2.45升高至2.70,校核工况下块体稳定性系数由治理前的升高至但是安全储备仍然不高,建议在后期施工及水库运营过程中加强对右坝肩岩体的监测以确保工程安全
参考文献
[1]王毓泰,周维垣,毛健全,等.拱坝坝肩岩体稳定性分析[M].贵阳:贵州人民出版社,1982.
[2]朱伯芳,高季章,陈祖煜,等.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利水电出版社,2002.
坝肩处理 篇7
1 工程概况及工程地质条件
拟建的水电站位于虎跳峡峡谷段,电站设计坝高276 m,坝型为混凝土双曲拱坝,正常蓄水位2 012 m,总库容378×108 m3,装机容量400×104 kW。坝址区位于高山峡谷区,金沙江呈近NE40°走向。坝址区位于轴向近SN向的“中～上元古界石鼓群(Pt1-2sh)变质构造穹”西翼。区内发育F11断裂构造,走向N20°W/SW∠70°,破碎带30 cm,影响带3 m～8 m,F11断层以东为构成“中虎跳变质构造穹”核部地层的中～上元古界石鼓群(Pt1-2sh)变质杂岩,主要有长英质变粒岩、云母(石英)片岩及长英质糜棱岩等组成;F11断层以西的地质体由石炭系邛依组(Cq)台地陆棚相块状大理岩组成[2]。
2 FLAC-3D计算模型的建立
三维模型剖分网格为四面体单元,模型共划分出单元233 290个,节点42 025个,三维计算模型见图1。
3 模拟方案及计算结果分析
3.1 模拟方案
本文模拟研究分三个部分进行:第一部分,研究坝肩岩体在天然状态下的应力场特征,建立坝肩岩体的初始应力场;第二部分,研究坝肩在正常工程荷载作用下的应力场及变形特征,进而对拱坝的变形稳定性进行评价;第三部分,模拟研究坝肩岩体在拱端荷载增大过程中(超载)变形破坏的发展过程,即变形破坏机制,确定坝肩岩体的超载安全度以及在超载条件下的可能失稳模式。
3.2 天然状态下坝肩岩体初始应力场
坝肩岩体初始应力场的分布特征较为稳定,主应力随深度变化符合一般河谷的应力场规律,主要以自重应力为主,坡体内岩体最小主应力、最大主应力均呈压应力,具有从坡面往下逐渐增大,从坡体内部往外逐渐减小的特征。
3.3 正常工程荷载下坝肩岩体变形稳定分析
3.3.1 拱肩槽开挖及荷载的施加
本文计算中荷载分三级考虑了岩体自重、拱肩槽开挖及正常运行工况荷载。上述荷载中岩体自重为建坝前形成的岩体自重应力场,以初始应力场计入,而位移场不计;拱肩槽开挖也作为一级荷载施加,应力场计入,而位移场不计;其他工程荷载的施加按照等效荷载节点的移置原理,将大坝拱轴力施加到拱肩槽各个节点上。
3.3.2 正常工程荷载下坝肩岩体的应力场特征
1)坝肩部位由拱端推力产生的附加应力场的影响范围大约集中在拱端下游侧1倍～2倍的拱端宽度内,在此范围外,过渡为岩体自重应力场。2)拉应力区主要分布于拱端上游侧及岸坡局部表层地段,拉应力量值为0 MPa～1.6 MPa。3)剪应力的分布,左岸由于受断层的影响,明显不同于右岸。左岸1 900 m高程以下,拱作用在断层的下盘,拱推力的方向与两断层成小角度相交,在F11与Fd1的交汇部位有剪应力集中现象,最大剪应力在1 MPa左右,1 900 m高程以上,拱作用在断层上,跨断层上下两盘,作用方向跟断层走向相当,并且拱的作用力较小,所以剪应力未有增大现象。坝肩右岸最大剪应力出现在拱端部位,最大值在1 900 m高程,量值1.85 MPa。
3.3.3 正常工程荷载下坝肩岩体的变形特征
模拟的成果表明:在正常工程荷载下,坝肩岩体总位移总体表现出拱端的位移量最大,远离拱端逐渐减小的特征,影响范围为4倍～5倍拱端宽。
坝肩岩体内部质点的位移在左右岸有很大的区别,左岸受断层和地形的控制,坝后岩体质点受影响的范围较小,移动质点基本沿断层的下游侧分布,拱端推力方向上无临空条件,质点运动向山体内部;右岸岩体岩性相对左岸较弱,质点受影响的范围较大,坝后岩体拉裂,质点位移方向在平面形成反S形。
顺河向位移(Y向)、垂直河向位移(X向)右坝肩影响范围比左坝肩大,总位移分布两岸基本对称,拱端岩体最大总位移在1 900 m高程右岸,最大38 mm。岩体位移方向与拱端推力的方向保持一致。总体右岸岩体位移量平均比左岸高4 mm～5 mm,见图2。
通过跟踪拱端各点位移,可得到正常荷载组合拱端水平位移量,图3为水平位移随高程的变化情况。
根据实际工程经验,对200 m～300 m的高拱坝,在推力最大的高程上,若拱端位移水平分量达到30 mm以上,则坝体应力状态可能恶化,甚至开裂[3]。通过跟踪拱端各点位移分析,在正常工程荷载下拱端水平变形最大值在23 mm左右,跟同类200 m～300 m高坝拱端变形值相当,拱端变形符合一般规律,其量值也在许可的范围之内,故在正常荷载下,坝肩岩体变形不会导致拱坝应力状态的恶化。
3.4 坝肩岩体变形破坏过程及超载安全系数
3.4.1 变形特征
各高程在荷载小于2P(部分高程3P)范围内,左、右岸岩体均处于线性变形阶段;当荷载大于2P时,各高程上所有曲线的斜率均有所变缓,说明岩体已出现塑性变形,当荷载增大到4P,曲线斜率进一步变缓,表明岩体已进入破坏阶段。
根据上述变形规律,可将坝肩岩体的变形破坏过程分为三个阶段,即弹性变形阶段(荷载小于2P),塑性变形发展阶段(荷载在2P～4P之间)及大变形阶段(荷载大于4P)。
3.4.2 破坏特征
通过模拟分析不同高程岩体在超载荷载条件下塑性区的发展变化特征可以得到,在正常工程荷载下,坝肩岩体没有出现大面积破坏区,仅在坝体左岸上游近岸坡的少部分岩体发生拉裂破坏,右岸坝体下游近岸坡表层出现少部分剪切塑性破坏区域。
增大拱推力到2P,各高程近坝体角点上下游岩体出现小范围剪切塑性破坏区,并有向山体内部发展之势,但拱端岩体未进入塑性区。显然,总体在荷载2P范围内,坝肩岩体处于弹性状态。
此后,随着拱端推力的增大,岩体内的塑性破坏区进一步增加,此阶段相当于塑性变形发展阶段。
根据以上分析,可将坝肩的破坏荷载定为4P。为了衡量拱坝抗力体承受超载的能力,可将破坏荷载与正常荷载之比定义为超载安全系数。即本水电站高拱坝坝肩,其超载安全系数约为4。
4 结语
1)数值模拟表明,在正常工程荷载下,坝肩岩体总位移总体表现出拱端的位移量最大,远离拱端逐渐减小的特征,影响范围为4倍～5倍拱端宽。2)坝肩岩体在正常工程荷载下,无大面积的剪切破坏和拉伸破坏区域,只是在拱肩槽两侧开挖所留的尖角部位有小部分拉张破坏区域,不影响坝肩整体的稳定性。3)故在正常荷载下,坝肩岩体变形不会导致拱坝应力状态的恶化。4)坝肩岩体的超载安全分析结果表明,坝肩岩体的超载安全度为4,类比国内外其他高坝工程,本工程坝肩岩体变形稳定性具有足够的安全储备。
摘要：以金沙江上游拟建某水电站高拱坝坝肩为研究对象,应用有限差分程序FLAC-3D对坝肩岩体在天然和荷载后的应力、变形和破坏的发展特征模拟分析,重点分析了坝肩岩体在正常工程荷载下的变形稳定性及坝肩超载特性,得到了坝肩岩体的变形破坏特征及超载安全系数。
关键词：高拱坝坝肩,坝肩变形稳定,整体超载稳定性,FLAC-3D数值模拟
参考文献
[1]朱伯房,高季章.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利水电出版社,2002.
[2]李渝生.金沙江虎跳峡水电站坝肩岩体结构及稳定性的工程地质研究[R].2005.
[3]高拱坝稳定性评价的方法和准则[J].成都:水电站设计,1997(2):30.