土石坝沉降（精选9篇）
土石坝沉降 篇1
土石坝沉降分析中一般采用回归模型, 回归模型属于经验模型, 只有当实测资料充足且数据的随机误差满足正态分布的假定时才能发挥最佳的建模的效果[1], 而实测资料一般很难满足这样的条件, 因而回归模型存在一定的局限性。由于影响土石坝沉降的因素有坝型、筑坝材料、施工质量及水位变化等, 这些因素错综复杂, 存在着一定的灰色度。如果考虑多个因素, 难以反映因素间的关系和沉降的主要特点, 因而实用中常常突出一个主要因素的影响, 一般选用时效量作为土石坝沉降的主要影响因素。灰理论中的GM (1, 1) 模型原理简单, 计算方便, 所需的数据少, 对数据的规律性要求不高, 并且能够反映工程的最新变化趋势[2], 本文将灰理论应用到土石坝沉降分析中。
1灰理论模型[2]
灰建模是用原始数据列作数据生成后建立微分方程。灰理论模型, 一般指GM (1, 1) 模型, GM (1, 1) 模型是单序列的一阶线性动态微分方程, 也是应用的最多的一个模型。
1.1灰建模数据处理
为了保证灰理论模型的精度, 灰建模的原始序列x= (x (1) , x (2) , …, x (n) ) 的级比
1.2灰建模
令x (0) 为GM (1, 1) 建模序列
x (0) = (x (0) (1) , x (0) (2) , …, x (0) (n) ) (1)
作一次累加生成得到序列x (1) (其中x (1) (1) =x (0) (1) )
令z (1) (z (1) = (z (1) (2) , z (1) (3) , …, z (1) (n) ) ) 为x (1) 的均值序列
z (1) (k) =0.5x (1) (k) +0.5x (1) (k-1) (3)
GM (1, 1) 的灰微分方程为
x (0) (k) +az (1) (k) =b (4)
以k=2, 3, …, n代入式 (4) , 有
方程组 (5) 可转化为矩阵方程 (6) 等。
在最小二乘准则下yN=BP的解为
上述的矩阵辨识算式展开便得到下述参数辨识算式
GM (1, 1) 灰微分方程式 (4) 对应于式 (13) 白化形式微分方程。
式 (13) 中:x (0) (k) 对应于
白化形式微分方程的解为
GM (1, 1) 白化型是真正的微分方程, 只要级比落在指定区域的序列, 都可以获得相当高的精度 (90%以上) 。
1.3灰建模的检验
灰建模的检验包括: (1) 对原始序列作GM (1, 1) 建模的可行性检验, 由于这种检验是在建模前进行的, 亦称事前检验; (2) 模型精度检验, 这种检验是在模型建立后进行的, 可简称模型检验或事中检验, 一般采用残差检验或后验差检验[3], 文中采用残差检验; (3) 预测可信度检验, 这种检验是考察已建模型对数据外推的可信度, 是在建模后进行的, 可简称事后检验或预测检验, 包括滚动检验和实际检验, 文中采用实际检验。
1.3.1 事前检验
建模序列x (0) 的级比σ (0) (k) 若满足
则认为x (0) 是可作GM (1, 1) 建模的。
1.3.2 残差检验
若x (0) 的GM (1, 1) 模型具有平均残差ε (avg) , 则认为模型具有精度p°
p°= (1-ε (avg) ) 100%。
其中:
1.3.3 实际检验
通过实际发生的数据与预测数据对比, 以了解其预测精度。
1.4GM (1, 1) 模型的求解过程
1.4.1 事前检验
对原始序列作GM (1, 1) 建模的可行性检验, 若满足条件, 则用原始数列建模, 否则对原始数列作相应处理。
1.4.2 建立GM (1, 1) 模型
根据前面介绍的GM (1, 1) 参数辨识方法, 编制计算程序, 建立GM (1, 1) 模型。
1.4.3 未处理原始数据
如果原始数据未作处理, 则转到事中检验, 否则作数据还原处理。
1.4.4 事中检验
检验GM (1, 1) 模型的精度, 本文中采用残差检验。
1.4.5 事后检验
模型的预测检验, 本文中采用实际检验。
2应用实例
2.1工程概况
陆浑水库是以防洪为主, 兼顾灌溉、发电、供水和渔业等综合利用的大型水利枢纽工程。为监测大坝安全, 该土石坝在坝体及坝基部分位置分别设置了位移 (竖直位移、水平位移、裂缝) 、渗流 (渗流压力、渗流量、绕坝渗流) 等观测项目, 并积累了较长时间的观测资料;同时, 还对大坝进行了经常性的巡视检查[4]。
2.2建模结果
以陆浑水库大坝部分测点实测沉降资料为例建立GM (1, 1) 模型并进行分析, 其中1990～1995年的沉降资料用于建立模型, 1996年的沉降资料用于预测检验, 计算成果如表1所示。
2.3结果分析
从表1中可以看出GM (1, 1) 模型建模时需要的数据很少, 少数据建模是灰理论的一个突出特点, 当土石坝沉降实测数据点较少时, 灰理论毫无疑问是一个很好的解决途径。GM (1, 1) 模型精度均在95%以上, 建模精度高;拟合误差小于5%, 拟合效果好。预测误差小于5%, 预测效果好。通过对各测点沉降建立GM (1, 1) 模型结果进行分析可知, 所建立的GM (1, 1) 模型取得了很好的效果, 模型精度高, 说明对土石坝沉降资料建立灰理论模型是可行的。
3结束语
灰理论原理简单, 计算方便, 不要求实测数据有较强的规律性。灰理论建模的一个突出优点就是所需的数据少, 可少到4个, 当缺乏实测资料时, 灰理论无疑是一个很好的解决途径。灰理论模型还可以反映工程的动态变化情况, 有助于了解工程的最新变化趋势。对于影响因素复杂的土石坝沉降问题, 在忽略次要因素只考虑时效变形的情况下, 应用灰理论建立沉降模型取得了很好的效果, 说明应用灰理论进行土石坝沉降分析是可行的, 对于其它类似问题也同样适用。
参考文献
[1]陈希孺, 王松桂.近代回归分析——原理方法及应用.合肥:安徽教育出版社, 1987:91
[2]邓聚龙.灰预测与灰建模.武汉:华中科技大学出版社, 2002:1, 60—82, 99—106
[3]邓聚龙, 郭洪, 温坤礼, 等.灰预测模型与方法应用.台北:高立图书公司, 1999:34
[4]中国地质大学 (武汉) 工程学院, 等.河南伊河陆浑水库坝基渗透稳定性研究.郑州:河南省水利勘测设计研究有限公司, 1999:1
土石坝沉降 篇2
选定总体监测方案、观测项目及仪器设备;绘制监测系统布置图、施工详图;编写设计说明书、观测技术要求;编制监测设备清单和监测系统的工程概预算书，
2、仪器设备埋设安装
仪器设备的检验、率定及配套;按设计图纸施工;做好施工纪录，填写考证标;绘制竣工图，
3、现场巡查和观测
严格按规范及管理制度的规定，定时到现场进行巡视检查和仪器观测并做好记录。
4、资料整理与分析
土石坝枢纽设计相关研究 篇3
关键词：土石坝；枢纽；设计
引言
目前，我国在建和正在设计的水利水电枢纽工程多地处西部偏远山区，坝址地形地质条件背景复杂，坝基覆盖层多较为深厚。水库安全工作的重要性日益凸显，特别是土石坝属牛的优化设计工作已经成为现阶段我国水利工作者们主要研究课题和重点任务。
1 土石坝的分类
土石坝主要是由土料、石料或混合料经过抛填、辗压等施工方式堆筑而成的坝型，构成材料多数可以就地取材，在施工中避免了运输工序，既节省了时间，又节省了成本，具有其他坝型无法比拟的优势。其特点为可以就地取材，结构相对简单，对地基要求不高，可以很好地适应地形，在施工中，技术简单，对机械要求不是很高。但土石坝也有不足之处，就是坝身不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。土石坝按其组成材料的比例不同，可分为土坝、堆石坝、土石混合坝，土坝主要是以土和砂砾为主，堆石坝主要以石渣、卵石、爆破石料为主，而两类材料比例相当则构成了土石混合坝。如果按其施工方法不同，则有碾压式、冲填式、水中填土坝及爆破堆石坝等种类。土石坝按坝高度来区分，则有低坝、中坝和高坝三种。在实际施工中，碾压式土石坝最为常见，按其坝身的配置和防渗体所用的材料种类，则又有均质坝、土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝、人工材料心墙坝、人工材料面板坝等多种类的区分。
2枢纽总体布置
（1）水库枢纽建筑物组成。根据水库枢纽的任务，枢纽组成建筑物一般包括：拦河大坝、水电站建筑物、泄水建筑物、放空洞等。
（2）工程规模。某水电站总库容53.90亿m3，电站装机6台，单机容量550MW，总装机容量3300MW。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》及该工程的一些指標确定工程规模如下：根据水库总库容确定枢纽等别为一等。大坝、溢洪道、泄洪隧洞、电站进水口及引水管道、主副厂房、放空洞等主要建筑物按1级建筑物设计；其他次要水工建筑物按3级建筑物设计。
（3）防洪标准。根据《防洪标准》GB50201-94的规定，并考虑本工程的重要性，各建筑物洪水标准为：拦河坝为土石坝，采用设计洪水频率P=0.2%，重现期500年，相应洪峰流量9460m3/s；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相应洪峰流量15250m3/s。电站厂房采用设计洪水频率P=1%，重现期100年，相应洪峰流量9440m3/s；校核洪水频率P=0.1%，重现期1000年，相应洪峰流量11500m3/s。泄洪建筑物按重现期500年洪水设计、最大可能洪水校核。河流两岸护坡按100年一遇洪水设计。
（4）枢纽总体布置方案的确定。枢纽布置的基本原则是充分利用坝址区的地形地质条件。左岸为凸岸，利用裁弯取直，可以缩短引水、泄水线路。左岸出露的岩体为中粗粒花岗岩，没有大的地质构造，较新鲜完整，具备修建大型地下洞室的地质条件。因此采用左岸地下厂房长尾水枢纽布置方案，即河床中建心墙堆石坝，引水发电建筑物及泄洪建筑物均布置于左岸，右岸设置一条放空隧洞。其中泄洪建筑物包括一条溢洪道、一条深孔泄洪洞。
3坝型及坝线选择
（1）坝型选择。影响土石坝坝型选择的因素很多，最重要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等因素。选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。根据坝址区地形地质条件，比较了心墙土石坝（直心墙和斜心墙）、混凝土面板堆石坝（趾板建在基岩上）和沥青混凝土心墙坝3种坝型。
（2）坝线选择。本工程以勘探线作为坝轴线，枢纽布置可以充分利用河湾地形，防渗线和墙范围覆盖层中无砂层分布，两个砂层透镜体分别位于坝体上、下游压重之下，对土石坝和混凝土防渗墙的应力应变及动力稳定影响小，也有利于砂层抗地震液化；两岸的接头条件好，谷坡稳定，无不利地质构造；导流洞洞线短，进出口稳定条件较好。
4 泄水建筑物设计
该项工程坝址处河谷狭窄，洪水流量大，挡水大坝高达186m，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。鉴于本工程河流左岸出露的岩层系中粗粒花岗岩，岩性坚硬，大多较新鲜完整，且左岸为河湾的凸岸，转角近90°，因此，泄洪建筑物及引水发电建筑物均设在河流左岸。泄洪建筑物包括一条溢洪道、一条深孔泄洪洞。
（1）溢洪道设计。溢洪道的布置应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置、坝型、施工及运用条件、经济指标等综合因素进行全面考虑。本设计采用正槽式溢洪道，溢洪道轴线基本顺直，与坝轴线基本垂直，将洪水下泄至下游河床。溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施及尾水渠等组成。
（2）引水渠设计。引水渠的布置应遵循下列原则：选择有利的地形 地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅；引水渠较长时，宜在控制段之前设置渐变段，其长度视流速等条件确定，不宜小于2倍堰前水深；引水渠进口布置应因地制宜，使水流平顺入渠，体型宜简单；引水渠底宽顺水流方向收缩时，进水渠首、末端底宽之比宜在1.5～3之间，在与控制段连接处应与溢流前缘等宽。底板宜为平底或不大的反坡。
5土石坝加固工程设计
溢洪道起着排水减压的重要作用，水库安全的保险阀。由于当初对其认识不够，绝大多数水库的溢洪道设置非常简单，一般采用土溢洪道、半土溢洪道等方式，根本无法满足实际使用需要。另外，由于上述简易溢洪道抗冲刷能力和泄洪能力不足，容易引发水土流失、浆石等问题，甚至有的水库溢洪道野草丛生，严重影响了溢洪道正常功能的发挥。
（1）地质指标分析。石材和土料是修建土石坝主要施工材料，性质好坏直接关系着土石坝建成投入使用后的质量水平。要保障工程质量，必须对施工过程中涉及到的石材和土料进行严格的性能管控。要按照技术规范对石材和土料进行理化分析。不同土层、不同土质都要取样分析，杜绝以偏概全，发现问题要及时处置。
（2）材料设计。土石坝工程材料设计，就是综合考虑设计要求和土料的性能指标，对土料予以科学合理地使用安全，从而充分发挥材料的性能，保障工程质量。由于材料性能和用法的不同，设计分析也要采取不同的设计指标和设计方法。特别是要对严格管控土料的密度，以提高土质的抗剪强度和抗拉裂能力。
（3）除险加固设计。土石坝除险加固设计是一门综合性学科，设计过程中需要应用的知识和涉及的问题范围极广。其中，坝坡质量、稳定性、渗透性、护坡设计等是土石坝设计工作的重点。要保障这些项目设计目标的圆满实现，必须进行深入细致的土质勘察工作，并做到施工全过程中土质质量的严格管控，保障土质质量符合要求。
结束语
综上所述，作为水利工作者，要充分认识到水库病害的危险和出现加工施工的重要作用，做好前期调研，根据当地实际情况制定科学合理、切实可行的加固除险施工方案，从而为水库的长久平稳高效运行提供坚实保障，进而促进当地经济发展和社会稳定。
参考文献：
[1]董玉德，谭建荣，赵韩.基于约束参数化的设计技术研究现状分析[J].中国图象图形学报：A版，2002，7（6）.
[2]孟祥旭，徐延宁.参数化设计研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2002，14（11）.
[3]陈龙，王进，陆国栋.三维服装参数化设计技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2011，23（9）.
[4]陈亚琴，李进.长河坝水电站泄洪建筑物的布置研究[J].水电站设计，2009（4）.
土石坝水力劈裂 篇4
笔者认为, 水力劈裂破坏是一种“局部破坏”, 这种局部破坏形成的必要条件是存在局部的应力集中, 它是由局部过大的水力梯度引起, 表面水压力则相当于水力梯度无穷大。土石坝心墙水力劈裂的发生, 必须同时具备两个物质条件, 即心墙中存在强透水的渗透弱面[裂缝或缺陷) , 以及心墙材料的渗透性要足够的小。心墙是用来防渗的, 后者自然满足。假设心墙是由完全均质的材料组成的.且无任何裂缝或缺陷存在, 即心墙内各点的渗透性完全相同。无论高水位或是低水位, 库水压力总是垂直于心墙上游面的。由于心墙内各点的渗透性完全相同, 渗入心墙水体形成的浸润线形态必然是光滑曲线。无论是蓄水初期还是稳定渗流期, 心墙内浸润线以下各点的孔隙水压力沿竖向坝轴向分布必然是连续变化的, 即不会出现集中的水头梯度, 也就不可能产生使心墙开裂的应力状态。如心墙是非均质的, 且在上游面存在局部裂缝或碾压软弱区形成局部渗透弱面, 则由于裂缝或缺陷的渗透性比周围心墙材料的渗透性大得多, 蓄水时, 水迅速进入该裂缝或软弱带, 产生作用于裂缝两边的水压力, 形成水楔。当作用于裂缝或缺陷边界的水压力足够大并达到土体抗拉强度的临界值时, 裂缝就会扩展, 从而水力劈裂发生。相反, 如心墙料的渗透系数较大, 则进入裂缝或缺陷的水很快就渗入心墙内部, 并形成稳定渗流, 难以形成集中的水力梯度, 当然也就不会发生水力劈裂。实际工程中, 由于高坝应力拱效应较强, 可能导致心墙局部裂缝, 同时由于工程量巨大, 心墙施工碾压时, 出现局部碾压不够密实的情况是很有可能的, 因此, 前面提到的两个物质条件中的第一个也是能满足的。
2 水力劈裂分析新方法
由上面分析可知, 水力劈裂的力学条件是进入裂缝水体形成水压楔劈效应。因此, 判定水力劈裂的发生与否和模拟水力劈裂的发展过程, 就必须分析库水进入裂缝后对裂缝周围土体的楔劈作用, 合理考虑水压力的形成和分布形式。
心墙裂缝通常并不一定是真正意义上的裂缝, 更多情况应该是具有较强透水性的缺陷。库水进入裂缝的过程中存在着水头损失, 造成作用于裂缝两侧的水压力沿裂缝长度的分布并不是均匀的。另外, 水体进入裂缝后, 还会向裂缝两侧土体中渗流, 这使得作用于裂缝面的水压力梯度减小, 在一定程度上降低了楔劈效应。很明显, 水压力梯度的大小与水库蓄水速率、心墙土料的物质组成、力学特性和库水水温等许多因素有关。要全面考虑这些因素, 目前还存在不少困难为使问题简化, 同时也便于说明, 这里假定库水进入裂缝过程中没有水头损失, 而且忽略水体向裂缝两侧土体的渗流, 再假定裂缝面是水平面或竖直平面。这时可假定裂缝内的水压力为均匀分布, 且大小等于相同高程处的库水静水压力, 见图1。这种假定应该偏安全。在裂缝扩展过程中, 水体进入新扩展的裂缝区域与新裂缝的形成不是同步的, 而是新裂缝的形成先于水体的进入, 使得新裂缝区域水压力的分布沿裂缝应是减小的。对于裂端而言, 由于空隙狭小和水体进入的滞后, 可以假定水压力为零, 也就是可以假定裂端若干裂缝单元裂缝面上的水压力为三角形分布。
在土石坝的有限元分析中, 常进行三维计算分析其应力变形。如果利用三维有限元分析水楔引起的水力劈裂, 将十分麻烦。为此, 本文建议了一种平面应变条件下的水力劈裂判定方法。
三维有限元计算结果显示, 心墙中一般竖向应力接近大主应力, 坝轴向应力接近中主应力, 上下游方向应力接近小主应力。即使小主应力小于上游水压力, 也不致产生贯通上下游的裂缝;而如果中主应力小于上游水压力, 则有可能产生垂直于坝轴线的竖直水力劈裂缝, 并且, 可能贯通上游心墙。因此, 该方法针对各水平剖面进行分析, 该平面的一个方向为上下游方向, 另一个方向沿坝轴向 (如图2) 。要判定的是心墙是否会沿垂直于坝轴线的面 (中主应力面) 劈裂。
水力劈裂的计算分析具体步骤如下: (l) 用三维有限元方法计算模拟坝体施工、蓄水过程, 获得坝体应力场。
(2) 建立水力劈裂分析的平面有限元模型。在坝体的三维有限元网格内截取不同高程的水平面 (如可分别在坝高的1/5, 2/5, 3/5和4/5处各取一个水平面) , 水平面沿坝轴向的宽度不大于坝顶长度的1/3, 且位于坝体中部 (如图2所示) 。依据材料分区, 对所截取的水平面即图2所示的范围进行网格自动剖分, 生成用于水力劈裂分析的二维有限元网格。对预裂缝部位, 网格适当加密。
(3) 平面有限元模型单元信息赋值。依据三维有限元的计算成果, 用二元拉格朗日插值方法对生成的二维有限元网格中的各单元赋值, 包括单元的材料参数和应力应变状态。
有限元模型的建立与常规有限元方法相同, 即坝体结构不同部位的单元为4结点等参单元。裂缝单元也用4结点等参单元, 只是裂缝单元的材料取为软材料。事实上, 在有限元模拟中用软材料代替结构中的无材料部分是常用的处理方法。况且, 土石坝心墙中的裂缝或缺陷可能是张开的, 更可能是透水性很强的充填松软上体的区域。因此, 只要裂缝材料的力学性能取得远小于周围土体的力学性能, 用裂缝软材料模拟裂缝的方法, 所引起的计算误差是可以忽略的。
(4) 计算分析发生水力劈裂的可能性。依据建立的平面有限元模型, 根据上游水位计算裂缝两面上的水压力进行有限元演算, 得坝体应力变形, 确定裂缝端部单元的应力。如果计算得到裂端出现拉应力, 并且超过心墙土体抗拉强度的临界值, 即可判定发生水力劈裂。裂缝扩展后, 水体进入新扩展的裂缝, 水压力也作用于新的裂缝面, 则在有限元计算中将裂缝端部沿裂缝方向的非裂缝单元改为裂缝单元, 同时调整裂缝内的水压力分布, 并重新计算结构的应力变形。如此反复计算结构应力变形和判断水力劈裂是否发生, 直至不再发生水力劈裂或裂缝已经贯穿心墙。
3 结语
一般认为, 心墙坝水力劈裂的产生主要是由于应力拱效应导致心墙应力降低而引起。由于坝壳较硬, 心墙较软, 心墙沉降大, 其部分自重应力会传递到坝壳而导致心墙内应力下降, 尤其是竖向应力。竖向应力减小严重时, 导致竖向应力出现拉应力, 心墙会直接出现水平分布的拉裂缝, 不严重时也可能出现上游水压力超过心墙应力的情况, 从而水压力将心墙劈裂拉开。对于低土石坝水力劈裂判断己经积累了大量的经验, 而且, 低坝水头较低, 心墙拱效应轻, 发生水力劈裂司能性相对较小。心墙堆石坝越高, 心墙拱效应就越强烈, 水力劈裂发生的可能性就越大, 严重时甚至导致溃坝事故, 后果将不堪设想。因此, 研究更为合适的分析方法来判断高土石坝心墙是否发生水力劈裂变得尤为重。
摘要：我国现有水库8.7万多座, 大型水库的大坝70%以上是土石坝, 而中小型水库的大坝90%以上是土石坝。随着施工技术的逐步发展以及大型施工机械的应用, 坝高不断增加。在我国, 己有多座200m甚至300m以上的高土石坝正在建设或设计论证之中。对低坝, 经验比较成熟, 而高坝建设中仍有不少问题有待解决, 其中水力劈裂就是一个非常重要的问题。
关键词：土石坝,水力劈裂,分析
参考文献
[1]黎汉皋, 陈江.小浪底水利枢纽主坝施工技术[J].中国水力发电年鉴, 2000/01/01.
土石坝的除险加固分析 篇5
我国在20世纪六七十年代, 修建了大量的小型水库, 大多以土石坝为主, 因为土石坝施工简单, 造价便宜, 能够很好的适应复杂的地质条件, 因此广泛应用于各种水库施工中[1-2]。然而这些水库由于在修建的时候疏于监管, 并且在长期的运行中缺乏维护, 使得这些水库大坝存在大量的安全隐患, 为了保证水库可以安全的运营, 大批病险水库开始除险加固工作, 除险加固主要是依据坝体的渗流和稳定性计算。
2 除险加固的方法
土石坝的除险加固方法通常依据土石坝加固原因、原理、目的以及性质来分类, 按加固原因可分为3类加固方法。
2.1 渗透破坏加固方法
渗透破坏加固方法的原理是在上游采取相应的加固措施, 尽量阻止来水渗入坝体或坝基, 并使渗水在下游通畅的排出, 但是坝体或坝基的变形和强度不改变, 且坝体或坝基上的土粒不被来水冲走, 即下游排水减压和导渗, 上游主要起防渗作用。通常采取防渗加固和排渗加固相结合的方法, 效果较明显。
2.2 滑坡加固方法
土石坝滑坡的加固依据的准则是减少滑动力, 增加抗滑动力, 在对土石坝滑坡进行加固设计时, 应首先进行滑坡勘察以及土工试验, 分析产生的原因, 在采取合理的措施。通常在土石坝中采用的是主动滑动段减重和滑坡体前缘·抛石固脚, 加重压破的方法。
2.3 裂缝加固方法
土石坝中出现裂缝时, 当土石坝为粘性土时, 且裂缝不超过5mm时, 可采用开挖回填的方法处理, 当裂缝分布在坝体内和非滑动面上时, 可采取裂缝灌浆的方法。也可将二者相结合来处理土石坝中的裂缝。
3 工程实例
3.1 工程概况
某水库大坝建于1966年, 为均质土坝, 最大坝高16.32m, 坝顶高程为408.43m (黄海高程) , 坝顶宽2.201m。由于建设年代久远, 根据大坝安全评价报告及现场检查, 长寨沟水库存在一些问题和隐患, 主要是大坝坝体、坝基和坝肩存在严重的渗漏问题以及大坝上游坝坡未护坡, 迎水面侵蚀相当严重, 沿水面线以上形成一条约2米宽的滑移带;下游坝面也未护坡, 被雨水冲刷凹凸不平, 杂草丛生, 乱石林立, 无排水体;坝顶高低起伏, 坝坡上原有的石质简易便道已损坏等等。因此为保证长寨沟水库大坝安全运行, 对其进行除险加固十分必要。
3.2 加固方法
针对大坝坝体存在的渗漏问题, 在治理时我们坚持“上截下疏, 以截为主”的原则。根据坝体实际情况, 采取土工膜与充填灌浆联合防渗方案, 即死水位以上采取土工膜防渗, 死水位到坝基采取充填灌浆。PE复合土工膜防渗是一种新型防渗方式, 在近来的除险工程加固中得到了广泛的应用。一般是在死水位以上坝面上铺设厚的细土垫层, 再铺设土工膜材料, 上设适当厚度的保护层;在死水位到坝基采用充填灌浆。此方案优点是防渗效果好, 但是施工要求不高, 不需将水库放空处理。
为保证上、下游坝坡稳定, 采取培厚上、下游坝坡的工程措施增加坝坡稳定性。整治后的上游坝坡从上到下依次为1:2.5、1:3.0, 采用0.2m厚预制C15砼块护坡, 以下依次布置0.15m厚砂砾石垫层、土工膜和0.15m厚沙找平层。下游坝坡整治后共分三级, 第一级采用削填方式将坡比调整为1:2.0, 第二级1:2.0, 第三级为堆石排水棱体, 加厚后坡比为1:1.5, 并沿坝面与两岸坡相交处设置排水沟, 排水沟断面尺寸300X300mm。同时为了灌浆施工需要, 在上游设置M7.5浆砌条石镇脚, 下游坝坡坡比为1:2.0、1:2.0、1:1.5, 下游坡沿两岸设排水沟。
3.3 加固后坝坡的稳定性计算
3.3.1 计算参数
根据地质勘察报告以及土工试验报告, 得到整治后坝体材料的物理力学参数如下:
坝体土的天然容重为19.5 KN/m3, 饱和容重为20.2KN/m3, 干容重为15.2KN/m3, C值为22.99Kpa, Φ值为15.75°, 渗透系数为4.08×10-6 cm/s。
坝基的的天然容重为24 KN/m3, 饱和容重为25.5KN/m3, 干容重为21KN/m3, C值为0.7Kpa, Φ值为35°, 渗透系数为1.0×10-5cm/s。
3.3.2 计算工况
采用里正软件计算坝坡的抗滑稳定性安全系数, 计算以下三种工况:
工况一:水库在施工期的上、下游坝坡;工况二:稳定渗流期的上、下游坝坡;工况三:水库水位降落期的上游坝坡的稳定计算。计算断面取经整治后的大坝河床部位最大横断面。如图1所示:
3.3.3 计算结果
通过计算, 分别得到坝体上、下游坝坡的抗滑安全系数, 如下表2所示, 坝体的渗流稳定计算结果如下表3所示。
从表2可知:大坝在正常和非正常工作条件的坝坡抗滑稳定安全系数均大于《碾压式土石坝设计规范》 (SL274-2001) 规定的5级坝坝坡抗滑稳定允许最小安全系数, 水库大坝经加固整治后可达到整体稳定安全。
根据规范可知, 大坝的允许渗透坡降[J]=0.68, 而计算所得的, 坝体最大渗透坡降J=0.432<[J]=0.68, 由此可知整治后长寨沟水库大坝满足渗透稳定要求。
4 结语
土石坝坝坡的稳定性分析是土石坝除险加固工作的重要环节, 也是大坝稳定性复核的主要内容之一。应结合工程实际, 及时分析坝体的稳定, 从而减少坝体事故发生的概率, 使水库大坝发挥更大的经济和社会效益。
参考文献
[1]陈仲颐, 周景星.土力学[M].北京:清华大学出版社, 1994:239-259
浅谈土石坝的施工 篇6
(一)土石坝及其分类
对于水利工程而言,土石坝自身具有较强的优越性,它需要的施工材料非常简单,施工中所使用的废弃土石料都可以满足其施工需求。土石坝的种类比较多,可以按照石坝的材料、作用、高度、施工方法等来进行区分,在不同类型土石坝的施工下可以满足各地区水利工程施工的需求。如实用性较强的挡水坝、以碎石和石料堆积而成的堆石坝等,都是在土石坝的基础上延伸出来的。在丰富的实践中,施工人员将各种建筑材料逐步引用到了土石坝的施工中,极大地提高了水利工程的安全性及实用性。
(二)土石坝的优缺点
土石坝对于施工材料的要求比较宽泛,可以实现施工区域的自给自足,施工前爆破工作所产生的废石土料即可进行有效利用,从源头上节约了大量资源。土石坝的施工较为简便,并且后期的维修等工作都非常便利,对于周边的施工环境及施工及时的要求比较低,因此得到了广泛运用。但其缺点也不容忽视,相较于其他材质的土坝而言,土石坝应对自然灾害的能力比较差,并且在具体的施工中对于客观环境的要求比较高,在后期的使用中需要不定时地进行维修。因此,需要施工方全面识到土石坝的整体特点,以便于根据施工区域的环境进行合理选择。
(三)土石坝施工的技术要点
首先,料场的选择。需要按照施工的需求进行选取,确保各种土石料能够满足施工的正常使用,这也是保障如期完工的重要因素。其次,控制好土石料的含水量。在土石料的采集中,可以通过日晒和浇水等方式来确保其含水量能够达到施工的要求。第三,做好基础的清理工作。处理好坝基的杂草及垃圾,将准备好的石料投放到制定的位置并进行夯实,确保底部的稳定性。第四,做好压实工作。尽可能通过合理的压实来释放出石料及沙土内部的空气,这也是确保水利工程土石坝施工质量的必然途径。
二、土石坝施工中渗流问题的成因及危害
渗流问题对于土石坝工程的影响是比较大的,并且会随着时间的发展逐渐削减水利工程的安全性。渗流的主要表现是土石坝的局部地区水质较差,这些问题通过定期观察可以发现。渗流问题出现的原因主要是以下几点:首先,土石坝设计不合理。反滤层是土石坝设计中的重要组成部分,一旦处理不合理必然会造成渗流问题的出现。其次,坝基处理不到位。坝基对于土石坝整体性能的影响比较大,但是其处理的过程中也会存在较大难度,如果处理不好也会给渗流问题出现留下隐患。第三,边坡和土石坝的衔接部位跨度较大。一般来讲,土石坝在填充的过程中需要保持较为平缓的走势,一旦坡度较大则无法确保其连贯性和整体性,并出现些许的裂痕,造成土石坝的渗流。目前我国因土石坝渗流问题造成的水库破坏比例较大,并且部分较为严重的情况下会造成坝体的坍塌。因此,需要在施工及日常管理中对该问题予以应有的重视,从而确保水利工程整体价值的实现。
三、土石坝施工中的质量控制措施
(一)做好全面的分析
对于土石坝施工而言,客观因素的影响力是比较大的,因此前期的准备工作十分重要。降雨量较大或者温度过低都会影响土石坝施工的有效性,虽然这些天气因素无法实现人为的有效控制,但是,我们可以通过制定相应的对策进行改善。在汛期到来之际,加快施工进度,尽可能地避免汛期造成的不利影响。
(二)重视施工材料的选择及管理
土石坝的施工材料主要是由土料、石料及其他材料构成,虽然其成本较低,但是对于这些施工材料的要求是比较高的,因此需要根据工程的量来进行采集区的选择。同时防渗施工也十分关键,需要在施工材料的管理及计算中做好全面的估算,确保各种材料能满足整个施工的需求。碾压也是非常重要的工序,需要把握好该工序的有效性,以此来实现对土石坝施工材料的质量检测,如硬度、含水量等。及时进行洒水处理,确保其综合价值的实现。此外,为确保土石坝填筑质量,土石坝工程的施工必须要求进行试坑取样,只有在填筑面碾压合格并能通过验收后方可进行上一层填筑[1]。
(三)做好基础处理,必须万无一失
很多大型土石坝,必须要满足坝基承载力及基础防渗的情况下,完成基础处理的稳固后,方可进行填筑施工,特别是在深覆盖层上修建工程,基础处理工程量大、不可预见因素多,需要经常采用防渗墙、振冲、帷幕灌浆、固结灌浆等对地基进行综合处理。
(四)随定合理的坝面分区,是填筑工作施工的关键
由于土石坝体型较大,为坝面分区流水作业提供了必要的场面,土石坝工程一般在填筑工序上分为铺料、摊铺、洒水、压实、质检等工作。在坝面分区流水作业中,防渗土料的施工应根据填筑的需要,根据实际情况合理划分填筑区域和进行流水作业,以及采用的机械设备及填筑情况进行调整。对采用平起填筑与临时断面填筑的土石坝工程,不可为一味减少临时断面填筑量而影响大型机械的正常施工,必须要确保填筑质量。
(五)采用坝体坝基加固技术
根据工程实际情况确定并采用坝体坝基加固技术,主要指采用的土石坝坝体灌注粘土浆加固技术,包括灌浆设计、灌浆工艺采用等[2]。
做好土石坝的施工质量控制必须全面了解其施工全过程,并在此基础上进行逐步控制,这样才能确保水利工程整体价值的全面实现。针对当前土石坝施工中的渗流问题必须要追根溯源,找到最优的解决措施。做好施工前的准备工作,全面分析各种水文地质因素,同时还要保障施工中所用材料的质量,严格按照施工要求开展每一道工序,只有实现标准化、规范化的作业才能最大限度地保障施工质量及安全。
参考文献
[1]徐学孔.土石坝渗流及应对施工技术探析[J].水科学与工程技术,2013,(01).
浅析土石坝施工技术 篇7
关键词：土石坝,显著特点,施工工艺
所谓土石坝泛指由土料、石料或混合料, 经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。以土和砂砾为主充当坝体材料的水坝称为土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主要材料的水坝, 称堆石坝, 若两类当地材料均占相当比例时, 称土石混合坝。与其他水坝相比土石坝施工具有就地取材、机构简单、对坝基地质条件要求不高、便于施工、节约三材等优点。随着大型高效机具的采用, 坝体防渗结构和材料的改进, 施工人数的大量减少, 施工工期的进一步缩短以及施工费用的显著降低等, 为土石坝的发展开辟了广阔前景。土石坝被广泛的应用到国内外的水坝建设中, 中低坝与兴建的高土石坝都越来越多的运用土石坝施工工艺。自上世纪70代开始, 世界各国兴建的土石坝无论数量上还是高度上, 都超过了混凝土坝;特别是近20年来, 混凝土面板堆石坝的经济性和快速施工, 已成为坝工建设中具有很强竞争力的一种新坝型, 更是使土石坝施工工艺更具竞争性。
1 土石坝的分类
根据施工方法的不同, 土石坝可分为:充填式土石坝、碾压式土石坝、定向爆破堆石坝和水中填土坝等, 其中以碾压式土石坝被广泛采用。
按照土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类, 碾压式土石坝可分为以下几种主要类型:均质坝、土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝、人工材料心墙坝、人工材料面板坝。
根据土石坝坝高的不同, 土石坝可分为:低坝、中坝和高坝。低坝高度小于30m, 中坝高度在30-70m之间, 高坝高度大于70m。
2 土石坝的优点和缺点
2.1 土石坝的优点
土石坝施工过程中就地取材, 以土石为主要原材料, 充分节省了钢材﹑水泥﹑木材等建筑材料的使用, 进而减少了施工过程中的远途运输费用。结构简单, 便于维修、加高和扩建。坝身是土石散粒体结构, 有较强的适应变形的性能, 对地基的要求低。施工技术简单, 工序少, 便于组合机械快速施工, 施工周期短。
2.2 土石坝的缺点
坝顶不具有溢洪功能, 一般要另设溢洪道 (洞) ;在施工导流方面不如砼坝或浆砌石方便;粘性土料的填筑受气候影响较大;沉陷和不均匀沉陷大。
3 土石坝施工工艺技术
3.1 料场布置
在土石坝施工过程中料场的规划与使用对坝体的施工质量、工期和工程投资, 工程的生态环境和国民经济其他部门都会产生重要的影响, 所以必须科学合理的规划料场布置, 施工的前期准备工作, 应从空间、时间、质与量等方面进行全面规划。
所谓料场的空间规划, 是指对料场的位置与高程进行恰当的选择、合理布置。时间规划是指, 料场布置要充分的考虑到施工强度与坝体填筑部位的变化情况。质与量的规划, 是指料场的选址要对地质成因、产状、埋深、储量以及各种物理力学指标具有全面的把握。料场的布置要充分的满足料场总储量满足坝体总方量的要求, 和施工各个阶段最大上坝强度的要求。料尽其用, 充分利用永久和临时建筑物基础开挖碴料。
3.2 土石料加工
第一, 土料加工。清除表层及不合格料后的上山料场的土料均可上坝填筑, 但由于粘土颗粒小, 比表面积大, 亲水性强, 水对土料工程性能影响大, 填筑压实有最佳状态的最优含水率问题, 鉴于有此特点, 要求对土料的含水率进行控制, 必要时按规范进行水份调节处理, 保证在填筑压实时含水率在最优含水率±2%左右为合格料。调整土料含水量有两种方法:一是将自然蒸发、烘烤、掺料、翻晒等方法运用到挖装运卸中, 来降低土料含水量。二是通过在料场加水, 料堆加水, 在开挖、装料、运输过程中加水的方法来提高土料含水量。一般在超径石含量不多的砾质土中, 常用装耙的堆土机先在料场中初步清除, 然后在坝体填筑面上进行填筑平整时再作进一步清除;当超径石的含量较多时, 可用料斗加设蓖条筛 (格筛) 或其他简单筛分装置加以筛除, 还可采用从高坡下料, 造成粗细分离的方法清除粗粒径。粗粒径较大的过渡料宜直接采用控制爆破技术开采, 对于较细的、质量要求高的反滤料, 垫层料则可用破碎、筛分、掺和工艺加工。
第二, 砂砾石料和堆石料开采。砂砾石料开采因开采位置的不同分为陆上开采和水下开采两种方法。块石料开采:结合建筑物开挖或由石料场开采, 开采的布置要形成多工作面流水作业方式。开采方法一般采用深孔梯段爆破, 特定目的使用洞室爆破。超径处理:超径块石料的处理方法主要有浅孔爆破法和机械破碎法两种。
第三, 土石料开挖运输。运用相互配套的的工程机械完成了从料场的开挖、运输, 到坝面的平料和压实等土石坝施工的各项工序。这种一站式的施工工艺流程被称之为综合机械化施工。在大中型土石坝, 尤其在高土石坝中, 实现综合机械化施工, 对提高施工技术和机械化水平, 加快上石坝工程建设速度, 具有十分重要的意义。土石坝施工中开挖运输方案主要有以下几种:
(1) 正向铲开挖, 自卸汽车运输上坝。 (2) 正向铲开挖、胶带机运输。 (3) 斗轮式挖掘机开挖, 胶带机运输, 转自卸汽车上坝。 (4) 采砂船开挖, 有轨机车运输, 转胶带机上坝。在多种坝料开挖运输方案的选择上要充分结合工程施工的具体条件, 使机械利用率充分发挥, 减少坝料的转运次数, 各种坝料铺筑方法及设备应尽量一致, 减少辅助设施, 充分利用地形条件, 统筹规划和布置。
3.3 填筑施工
第一, 土石坝坝面作业施工程序包括铺料、摊铺、洒水、压实、质检等工作。坝面作业具有工作面狭窄, 工种多, 工序多, 机械设备多的特点, 所以阻碍施工时需有妥善的制定施工组织规划。土石坝的坝面作业一般采用流水线施工方式, 这样可以有效避免因坝面作业特点对坝面施工中的干扰, 保障施工进度。流水作业施工组织应先按施工工序数目对坝面分段, 然后组织相应专业施工队依次进入各工段施工。
第二, 施工中一般采用平起填筑施工, 平起施工具有减少了接缝、接坡、削坡等工序, 保证了填筑质量的优势。平起施工尽可能大的堆石填筑面, 便于开展大机械化的施工。与此同时它还有利于继续填筑时布置进入防渗料区的施工道路, 运输反滤料及过渡料的大型自卸汽车不横穿防渗料区;有利于减小料界偏差和相邻料平起填筑时的跨缝碾压和均衡坝体的施工强度的作用, 在防渗土料与反滤过渡料的填筑关系上, 有先土后砂及先砂后土两种作法, 为加快施工进度及控制边界, 一般均采用先砂后土施工。
第三, 对土石坝进行分层强夯填筑, 应将每层土石填筑厚度控制在10m-20m之间;采用大能量的夯击动力预压, 提高土石料的密度, 消除土石料的变形;分层铺筑分层夯实, 在夯击后的土石层中填筑新的土石层, 再进行新的夯击, 直至达到坝体需要的高度。控制每层土石填筑厚度与采用夯击动力的能量, 使坝体密度、坝料的强度和模量显著提高, 施工工程量和工程造价大大降低, 使土石料的密度达到最大, 填筑完成后坝体的沉降明显减少。
4 结语
土石坝施工技术被广泛的运用到水利工程建设中, 在土石坝的施工过程中, 应认真参照有关执行规程规章的的具体内容, 采用科学合理的施工方法与技术, 在满足使用要求的同时尽量做到节约材料降低造价
参考文献
[1]应忠卿, 吴连生.SJ4-500型深搅钻机的技术性能、施工工艺及生产试验情况简介[J].地质装备, 2001, (03) .
土石坝渗流分析与控制 篇8
关键词：土石坝,渗流原理,控制,工程质量
近年来, 一些中小型水库正在进行除险加固, 其中土石坝存在的最大安全隐患就是渗流。如何控制和预防渗流是土石坝工程建设中最主要的工作之一。
所谓渗流, 即是指由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构, 颗粒间存在大量的孔隙, 因此具有一定的透水性。当水库蓄水后, 在水压力的作用下, 水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游, 造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。假如这种渗流是在设计控制之下, 大坝任何部位的土体就不会产生渗透破坏, 则为正常渗流, 此时渗流量一般较小, 水质清澈透明, 不含土壤颗粒, 对坝体和坝基不致造成渗透破坏;反之对能引起土体渗透破坏, 或渗流员过大且集中, 水质浑浊, 透明度低, 使坝体或坝基产生管涌, 流土和接触冲刷等渗透破坏, 这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。
根据我国早期的土石坝工程的资料统计, 由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。其中大型水库占11座, 而对于中小型水库而言, 漫坝冲垮者最多, 占51.5%, 其次就是渗漏导致垮坝, 占29.1%, 由此可见渗漏造成的溃坝问题是相当严重的。因此确保对坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施。
渗流控制的控制理论是在工程实践中的发展和运用起来的, 是实践反馈的结果, 其中渗流的基本原理、渗流场的分析方法、土体渗透稳定性三大部分, 是渗流控制理论的基础。而渗流控制技术是渗流基础理论的实施措施, 它主要包括灌浆技术、反滤坝技术、土石坝坝坡滑动破坏加固技术、土石坝坝体灌注粘土浆加固技术、坝体和坝基的密度加固技术、土工合成材料加固技术以及防渗墙及其坝体坝基加固技术等。
总结起来产生异常渗流的原因有以下几个方面:1) 坝体填土与排水体之间的反滤层设计不正确, 层间系数过大, 或施工时有错断混层现象, 或填土不够密实, 过大的渗流使填土向排水体流失, 都会造成反滤层破坏失效。反滤层在整个防渗体系中是尤为关键的环节, 即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道, 只要反滤层工作正常, 排水降压, 渗漏破坏就不会扩大。2) 防渗体没有直达基岩或底部连续可靠的粘土层, 在开挖截水槽时, 因施工困难, 半途而废, 从而留下隐患。3) 土石坝两岸岸坡产生台阶状。应该开抢成较平顺的坡度, 为减少开挖可以变坡, 在上下两坡度转折处, 两坡角之差不应大于15°~20°, 若有平台, 则平台处填土高度与平台的两端的填土高度, 高差悬殊沉陷量突变, 容易产生裂缝, 导致渗透破坏。
如何组织科学有序的施工, 提高工程质量, 控制渗流是整个过程成败的关键。我认为土石坝过程在施工中应从以下几个方面进行控制:
1) 做好基础处理, 必须万无一失。很多大型土石坝, 必须要满足坝基承载力及基础防渗的情况下, 完成基础处理的稳固后, 方可进行填筑施工, 特别是在深覆盖层上修建工程, 基础处理工程量大、不可预见因素多, 需要经常采用防渗墙、振冲、帷幕灌浆、固结灌浆等对地基进行综合处理。
2) 掌握当地地质、水文气象资料, 控制好施工工期的季节性、土石坝对水文气象的因素极为敏感, 在雨季, 土料的含水量影响极大, 直接制约着大坝填筑, 施工强度将受到影响;冬季, 土料上冻, 如不采取积极措施, 也无法进行填筑, 且冬雨季填筑施工, 存在着高投入、低产出的窘境。对于度汛期的施工, 应编制具有针对性的施工方案。土石坝工程, 一般不允许漫顶过流, 故土石坝工程“施工高峰期”应控制在工程实施截流后第一个汛前达到拦洪度汛断面挡水这一阶段, 截流后均需加快施工进度, 以确保在汛前将坝体全断面或度汛小断面填筑至拦洪度汛高程。因此给坝体填筑的施工工期有限, 在北方地区采用冬季施工时, 当月平均气温在0℃以下, 有些地区河流结冰、土层冻结, 对开挖工程、混凝土工程、灌浆工程以及填筑工程均有不利的影响, 因此必须要提高月填筑强度, 方能按安全渡汛的要求按期达到拦河高程。
3) 确保工程所用料场开采土、石料的材料质量、料场对土石坝的重要性不言而喻, 却也是最容易影响大坝顺利填筑的软肋。根据工程实践, 一般而言, 料场的地质勘探工作深度远不如坝址, 特别是填筑量最大的堆石料, 往往仅靠几个探洞或地形勘查进行地质描述, 进场后, 与招标文件发生变化的可能性很大, 无法形成大规模开采 (或台阶开采) 条件, 直接影响大坝填筑级配是否得到保证。在防渗土料方面, 含水量的高低也成为大坝能否快速填筑的关键, 因此, 完善而慎重地进行料场复查及复勘工作显得尤为重要, 搞好料场复查和储量计算, 做到心中有数。
此外材料的碾压试验也是非常重要的一项工作。对土石坝而言, 碾压试验是填筑前最为重要的技术参数论证工作, 也是确定大坝能否顺利填筑及确保大坝安全的重要环节。碾压试验工作的好坏, 直接影响坝体的填筑。
碾压试验中还需对防渗土料的含水量进行确定及调节, 同时还应确定好对堆石料洒水量。此外, 为确保土石坝填筑质量, 土石坝工程的施工必须要求进行试坑取样, 只有在填筑面碾压合格并能过验收后方可进行上一层填筑。
4) 确定合理的坝面分区, 是填筑工作施工的关键。由于土石坝体型较大, 为坝面分区流水作业提供了必要的场面, 土石坝工程一般在填筑工序上分为铺料、摊铺、洒水、压实、质检等工作。在坝面分区流水作业中, 防渗土料的施工应根据填筑的需要, 应根据实际情况合理划分填筑区域和进行流水作业, 以及采用的机械设备及填筑情况进行调整。对采用平起填筑与临时断面填筑的土石坝工程, 不可为一味减少临时断面填筑量而影响大型机械的正常施工, 必须要确保填筑质量。
5) 根据工程实际情况确定并采用坝体坝基加固技术, 主要指采用的土石坝坝体灌注粘土浆加固技术, 包括灌浆设计、灌浆工艺采用等。
在水库除险加固的工程实践中只有不断进行深入分析, 进行科学试验, 切实找出渗流产生的原因, 结合实际, 才能达到土石坝防渗的最终目的。从而为今后中小型水库土石坝施工积累经验。
参考文献
[1]田锋, 王国群.西北地区水库土石坝渗流隐患探地雷达图像特征分析[J].物探与化探, 2006.
[2]满红飞, 陈昌仁, 曹瑛.土石坝渗流安全监测技术及工程应用[J].中国水利, 2009.
[3]冯耀奇, 孙秀喜, 李泉然.土石坝渗流及防渗技术措施研究[J].地下水, 2006.
[4]姜帆, 宓永宁, 张茹.土石坝渗流研究发展综述[J].水利与建筑工程学报, 2006.
土石坝沉降 篇9
1 堆石坝变形特性有限元模拟分析
蒲石河抽水蓄能电站, 位于辽宁省宽甸满族自治县境内, 距丹东市约60 km, 该电站是我国东北在建中的第一座大型纯抽水蓄能电站, 总装机容量为1 200 MW, 单机容量为300 MW. 上水库的挡水建筑物为钢筋混凝土面板堆石坝, 坝轴线方向为NE16.5◦, 坝顶高程为395.50 m, 防浪墙顶高程为396.70 m, 最大坝高78.50 m, 坝顶宽8 m, 坝顶全长714 m[15]. 上游钢筋混凝土面板共分51 块, 每块宽14 m的共47 块, 在左坝头布置二块宽度分别为17.24 m和17.66 m, 在右坝头布置二块宽度分别为10 m和11 m. 钢筋混凝土面板坝上、下游坡比均为1:1.4, 下游坝坡在375.50m高程处设一宽为3.0 m的马道, 坝坡外为 “之” 形上坝公路, 路坡度为1:1.75, 填筑料为石渣. 大坝坝体填筑从上游向下游依次为垫层区、过渡层区、主堆石区及下游堆石区, 周边缝下游设有特殊垫层区, 主堆石区与基岩之间铺设过渡料.
采用Duncan--Chang非线性本构模型描述堆石料的应力- 应变关系, 堆石料的切线模量为
式中c为内聚力, ϕ 为内摩擦角, Rf为破坏比, k和n为切线模量系数和指数, 它们都是待识别的参数, Pa为参考压力, Pa= 1 × 105Pa. σ1为堆石坝三轴压缩试验时的垂直载荷, σ3为三轴压缩试验所施加的围压. 大量的实验研究表明, 围压对堆石料的内摩擦角有一定的影响. 考虑围压对堆石坝内摩擦角的影响, 材料内摩擦角与围压的关系为
式中, ϕ0和∆ϕ 为待识别的参数. 表征堆石料体积应力与体积模量变化的模型采用E-B模型
式中, Bt为切线体积模量, kb和m分别为体积模量系数和指数. 根据泊松比与体积模量和弹性模量的关系得到材料的切线泊松比
式中, µt为切线泊松比. 这样, 表征Duncan--Chang非线性本构模型的参数一共8 个, 如表1 所示, 其中与切线模量相关的参数6 个, 与切线体积模量相关的参数2 个. 表1 中的堆石料材料参数是根据堆石料实验室三轴压缩试验数据和堆石坝现场变形观测数据反分析得到的.
采用ABAQUS软件中的单元生死方法数值模拟了堆石坝的分层浇筑过程, 堆石坝的垂直和水平变形如图1 ∼ 图4 所示.
有限元模拟结果表明, 在竣工期堆石坝的最大沉降为341 mm, 约占坝高的0.4%, 向上游的最大水平位移约为50 mm. 大坝蓄水后, 最大垂直沉降变形变化较小, 增加了9 mm;而向下游的最大水平变形略有增加, 增加了11 mm. 有限元模拟的堆石坝沉降与观测值的对比见表2. 从表2 中可以看出, 有限元模拟堆石坝变形的总体趋势与观测值趋于一致, 竣工期堆石坝的最大沉降模拟值与观测值基本一致. 但某些观测点的沉降值与预测值差异较大. 其原因包括, 堆石料的非均匀特性、非线性本构模型及其参数的误差以及观测仪器本身的误差, 这种现象在其他堆石坝变形观测中也有发生[10,11,12], 有待于在今后的进一步深入研究中解决.
2 堆石坝沉降特性回归分析
根据对大量堆石坝长期观测数据的统计分析, 影响堆石坝变形的主要因素包括上游水压、环境温度和时效作用, 次要因素包括堆石料的固结与流变、基岩节理与断层的徐变. 在大坝变形监测资料定量分析中, 根据观测数据序列建立其统计模型、确定性模型和混合模型等数学模型, 该模型能够预报的变形, 同时对大坝变形进行水位、温度和时效分量的分离, 以此定量分析水位分量、温度分量和时效分量对大坝变形的影响程度. 采用回归分析方法, 确定水位分量、温度分量和时效分量所对应的回归系数, 从而得到大坝变形的水位分量、温度分量和时效分量的表达式, 它们分别代表水位、温度和时效等环境变量对大坝变形的影响程度, 该数学模型为定量分析和评价大坝的运行状态奠定基础. 混凝土面板堆石坝的变形模型为
式中, δ (H, T, t) 为堆石坝变形观测效应量, δH为水压分量, δT为温度分量, δt为时效分量, ε 为常数.混凝土面板堆石坝的变形模型的水压分量
式中, H = (h - hd) /60, h为上游水位, hd为开始观测日期的水位, 取hd= 330 m. 从现场观测开始日到开始蓄水日均取hd= 330 m段. 混凝土面板堆石坝的变形模型的温度分量
式中t为从开始观测开始累计天数, 单位d, t0=1 d, 定义现场观测开始日, t = 1 d. 混凝土面板堆石坝的变形模型的时效分量
式中, θ = t/100, t为从开始观测累计天数, t0=1 d, 定义现场观测开始日, t = 1, θ0= t0/100, 图5 为堆石坝变形观测点布置. 根据现场某个测点的变形观测数据, 采用多元回归分析方法, 确定该测点统计模型中的参数a1, a2, a3, b1, b2, b3, b4, c1和c2, 见表3, 并将拟合曲线与观测值相对比, 如图6 ～ 图9 所示.
从图6 和图7 中可以看出, 堆石坝沉降变形预测曲线与观测值吻合得较好, 预测模型具有较高的相关系数.
从图8 和图9 中可以看出, 堆石坝水平变形预测模型与观测值吻合得较好, 尽管在某些数据点预测值与观测值有一定的差异, 但是, 预测模型基本上表征了堆石坝水平变形随时间的发展趋势.
3 结论
(1) 有限元模拟在竣工期堆石坝的最大沉降为325 mm, 现场观测值为279 mm (观测点VI-7) , 约占坝高的0.4%, 向上游的最大水平位移约为50 mm大坝蓄水后, 最大垂直沉降变形增加了9 mm;向下游的最大水平变形增加了11 mm.
(2) 堆石坝建成3 年后的最大沉降为414 mm, 约占坝高的0.53%, 位置是VI-7 观测点, 位于坝轴线、1/2 坝高处. 向下游变形最大值为74 mm, 约占坝高的0.1%, 位置是HI2-6 观测点, 位于1/2 坝高、接近次堆石区与路基区的分界面. 堆石坝建成3 年后, 其某些观测点垂直和水平变形还没有达到稳定状态, 还有继续增加的趋势.
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