（农业工程专业论文）青峰岭水库土石坝除险加固技术应用研究.pdf

摘要 本文立足丁山东土i i 坝工程实际，选择了土干i 坝除险加同中的难点问题之即病险土石坝的 论证币i 力口晰，在研究水： 理论，总结病险水库整治经验的基础上，进行了较有价值的研究。在了 解掌握国内外_ 十i i 坝1 ：程理论及技术的基础上，分析了山东士7 i 坝r 1 ：程安全概况，主要病害的类 型成网、分布特点、产生机理；针对土彳i 坝的结构特点，研究了防渗体系并环节的功能平作_ 1 1 j ， 提出了整治渗流破坏的措旖，同时将结合。f ：程实际对土石坝的稳定分析方法、原理、参数的选定 等提出对山东东南部地区十石坝加嗣具有普遍意义的见解和方法：对十t i 坝稳定分析方法及滑坡 治理措施进行重点探讨，在对土干i 坝进行了戍力麻变复核的基础上，将对十耵坝滑坡的分类、类 型、成冈、治理方法进行探讨：综合了土工格栅加筋士l j 坝的优越：i ：程特性，系统分析研究了十 1 ：格栅十t i 坝的工作机理和计算理论，在此基础上利用显示有限差分法提出了一种计算士。t ：格栅 加筋蜘! 中筋材拉力的简化方法；通过青峰岭十z i 坝实际加同1 ：程中有芙问题的论证研究，总结出 病险水库人坝的除险加州方法、论证模式；j ：程实践也证明了整沂病害水库较新建一庳人坝往 往更为复杂，随着大规模建设时期修建的大坝逐渐老化，对这方面的研究成果无疑有着广泛的 实埘价值和虑h j 前景。 关键词：土石坝，病险大坝加固，渗透破坏，土工格栅 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe a r t h r o c kd a m si ns h a n d o n gp r o v i n c e ，a u t h o rs e l e c t st h ek e y p r o b l e m0 nr e i n f o r c e m e n to f e a r t h - r o c kd a m t h es t u d yo ns o m eo f t y p i c a ld a m si sw i d er e p r e s e n t a t i v e a n ds t r o n gp r a c t i c a l i t y an u m b e ro fs u g g e s t i v ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d g r a s p st h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ne a r t h - r o c kd a mp r o j e e tt h e o r ya n di nt h et e c h n i c a lf o u n d a t i o ni nt i r eu n d e r s t a n d i n g ，a n a l y z e st h e s h a n d o n ge a r t h - s t o n ed a r np r o j e c ts e c u r i t ys u r v e y t h em a i np l a n td i s e a s et y p ea n dt h eo r i g i n - t h e d i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o d u c e dm e c h a n i s m h a st h ee r u c i a lq u e s t i 0 1 1t ot h ee a r t h r o c kd a m s w h i c ht h es e e p a g ed e s t r o y sa n dg o v e r n s t h eb i gd a mi n f i l t r a t e st h ef l o wf i e l dt h ed e t e r m i n a t i o n ，t h e a t t e m p ti n t r o d u c t i o n1 i m i t e du n i tw i t ht h em a t h o ds o l u t i o nw h i c ht h es t u d yo fw a t e rp o w e ru n i f i e s ，i n v i e wo f t h ee a r t h - r o c kd a m sm a i nu n i q u ef e a t u r e ，s t u d i e de n t i r eg u a r d sa g a i n s ti n f i l t r a t e st h es y s t e m v a r i o u sl i n l 【st h ef u n c t i o na n dt h ef u n c t i o n ，p r o p o s e dr e n o v a t e s m e a s u r ew h i c ht h et r a n s f u s i o n d e s t r o y e d ，s i m u l t a n e o u s l yw i l lu n i f yt h ep r o j e c ti s a c t u a lt ot h ee a r t h r o c kd a ms e e p a g ea n a l y s i st h e m e t h o d ，t h ep r i n c i p l e ，t h ep a r a m e t e rd e s i g n a t i o na n ds oo np r o p o s e sh a dt h eu n i v e r s a ls i g n i f i c a n c et o t h es h a n d o n ga r e ae a r t h r o c kd a m sr e i n f o r c e m e n tt h eo p i n i o na n dt h em e t h o d b a s et h ea n a l y s i so f s t r e s s s t r a i n ，c a r r i e so nt h ek e yd i s c u s s i o nt ot h ee a r t h r o c kd a m ss t e a d ya n a l y s i sm e t h o da n dt h e l a n d s l i d eg o v e m m e n tm e a s u r e ，f r o mt h ee a r t h - r o c kd a m sl a n d s l i d ec l a s s i f i c a t i o n ，t h et y p e ，t h eo d g i n ， t h eg o v e r n m e n tm e t h o dw i l lc o n d u c ta n dr e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，t h ee n g i n e e ra d v a n t a g eo f g e o g r i d r e i n f o r c e de a r t hd a mi si n t r o d u c e d ，a n dt h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f g e o g r i dr e i n f o r c e de a r t hd a ma r ea n a l z e d b a s e do nt h ei d e at h es i m p l em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e s e i s m i cs t r e s so fg e o g r i du s i n gt h ef l a c ”t h r o u g ht h es h a n d o n ge a r t h r o c kd a m sa c t u a l r e i n f o r c e m e n tp r o j e c tc o r r e l a t i o nq u e s t i o np r o o f r e s e a r c h ，s u m m a r i z e st h es i c k n e s sd a n g e rr e s e r v o i rb i g d a mr e s e a r c ht e c h n i q u e ，t h ep r o o fp a r e r o t h ep r o j e e tp r a c t i c e a l s op r o v e dr e n o v a t e dt h ep l a n td i s e a s e r e s e r v o i rc o m p a r a t i v e l yn e w l yb u i l to n eb i gd a mi so f t e nm o r ec o m p l e x ，g r a d u a l l yg o to l d e ra l o n gw i t h t h eb i gs c a l ec o n s t r u c t i o nt i m ec o n s t r u c t i o nb i gd a m w i t h o u td o u b tt h i sa s p e c tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t h a st h ew i d e s p r e a dp r a c t i c a lv a l u ea n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s e a r t h - - r o c kd a m s ，r e i n f o r c e m e n to ft h es i c k n e s sd a n g e rd a m ，s e e p a g ed e s t r o y s ， g e o g r i d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同一工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 否卜锈吠 时间：2 0 0 5 年3 月1 0f 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩写或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 研究生签名：多扣觚时问：2 0 0 5 年3 月 l 。同 导师签名 李 时间：肼r 够月柙 1 1 导论 第一章概论 十石坝是最普遍的种坝烈，无论是在中国，还是在1 廿= 界其它各国，与其它坝型相比较，十 i i 坝都l 绝对优势。全t | = i = 界士 i 坝人坝总数的8 2 9 ，中国土f i 蛐 数量i t f n 全国人坝数量总 数的9 3 “且人多是在建国后的第个五年计划( 1 9 5 3 1 9 5 7 ) 和第二个五年计划( 1 9 5 8 1 9 6 2 年) 人 跃进时期以及十年“文革”期间修建，这些i ：程都是在“三边”( 边勘测，边设计、边施i ：) ：l ：作 方式r 进行井完成的。特别是小型水库更是在“四不清”( 来水量、流域面积、库容、基础的地 质情况均朱调! 产 消楚) 的情况卜就动一i ：修建口4 】。不少的i ：程虽然完成但l ：科质量很差，“后遗症” 很多，留f 了 者多隐患，经过了近4 0 年的运行，不少已经成为病险水库【“l 。 由丁历史原冈，受当时技术水平和经济条件的限制，r l 程老化严重、调度不灵、管理不便， 相当一部分水库已不能上l 三常运行。更为严重的楚这些病、险水库设计防洪标准低，坝体砂壳相对 密度小，心墒( 斜墒) 乐实度偏低，渗透系数人。其直接的损火表现为许多已有明和术壳明病害的 水库不得不低水位控制运行，不能发挥应有的效益，满在的危险还在丁随着国k 经济的迅速发展， 水库卜i 游的城镇日益膨胀。一旦失事将给人民的生命财产和当地的经济发展带来巨人的损火。因 此，调奇、分析、研究已建十t i 坝i ：程病险的成p q ，类型及机理，不仅有利丁提高十i i 坝i 科技 术及勘测、设计、施j ：、管理水平同时也具有明显的经济效益和i 社会效益，同时，利川新技术、 新i ：艺，采h j 新材料提高十坝的防渗、抗滑增加坝体的稳定性是病、险水库治理中的重要课题。 本文以日 | ；【葭县青峰岭水库的除险加同为背景，在壳阅国内、外人苗十i i 坝加i 硎蜍险资料，实地 学习国内同类坝型加j 嗣治理措施、经验的基础上展开研究。具体研究成果可应用丁_ 青峰岭水库人 坝施1 ：，同时对国内同类病、险水库士坝的改建和管理具有参考价值和一定的理论指导意义。【： 科实践也证明了整治病害水库较新建一座人坝往往更为复杂【”随着人规模建设时期修建的人坝 逐渐老化，对这方面的研究成果无疑有着较高的实川价值和广泛的廊川前景。 1 2 国外土石坝工程技术状况 1 2 1 国外土石坝工程技术的发展 二十世纪八十年代以前，中小塑坝多采用士干坝商坝多采用混凝十坝 8 - 9 1 ，近几十年来，这 种趋势发生了改变，在_ l 个5 0 6 0 年代，备类坝型在坝工建设中的比例的变化情况为：堆i i 坝 增加1 9 ，碾压卜坝增加0 7 ，拱坝增加0 2 ，而重力坝和支墩坝分别卜降了o 9 和0 6 。 据1 9 8 1 年的资料，2 5 庵坝高超过2 0 0 m 的水库中，人坝属十7 i 坝的有1 6 库，在8 6 座装机容簧 超过1 0 6 k w 的水电站人坝中，有5 9 座是十_ i 坝。这说明在高坝人库中，十i i 坝所l i 的比重越来 越人，由表1 1 可知全世界士彳i 坝数量t i - 总数的8 2 9 ；美国的十t i 坝。i i 到总数的8 0 8 ；中国 为9 3 ，而其他的几种坝型则相去其远。又由表1 - 2 可以说明全世界的十t i 坝从1 9 5 0 年的3 2 0 1 座增加到1 9 8 2 年的2 8 8 4 5 座，相应在建坝总数中所，i 的卣分比从6 1 7 增加到了8 3 5 。主要 原因是从2 0 世纪5 0 年代起，由予人型十7 律 施i ：设备的问世尤其是振动碾的采_ h j ，以及高度 机械化施l ：的推r - 虑用，一种新型的碾压方式施l ：的十t i 坝得到了迅速的发展i ”1 。 表1 - 1全世界不同坝型建造数量和百分比 况。 表卜2 建坝总数中石坝的发展比例 表1 3土石坝的三个发展时期及实例 实 例 混凝十面板坝 坝高 粘十心墙j 弋 s a l ts p f i n y ( u s ) 0 0 m ( 1 9 3 0 年) e x c h e g u e r ( u s ) 1 5 0 m ( 1 9 6 5 年) g o s c h e m o r a l p ( 瑞 ：) f o z d o a r e i a ( 巴两) 1 6 2 m 1 9 8 0 年) n i c a ( 力拿人) 竺翌! ! ! 竺! ! ! ! 兰! ! ! 空! ! ：! 兰! 表1 - 3 州举了十l i 坝旌【：方法发展的三个时期及实例，在一定程度上反映了十曲 的历史发展状 2 1 2 2 国外土石坝工程病险状况及成因分析 尽管十i i 坝的筑坝及管理技术水平有了很人的进步，但士坝火事情况仍时有发生，可以说 一部建蜘 史实际上也是一部一连串坝l ：失事的历史1 。由表卜4 可见，与其它蛐 型相比，十_ i 坝 溃坝及火事事故最多，达到了3 4 9 库，重力坝为6 6 库，支墩坝为1 6 庠。由国际人坝委员会的坝 和水库委员会1 9 7 5 年提供的资料见f 表1 - 5 、表i - 6 和表1 - 7 。 表1 - - 4不同坝型不同坝高溃坝数及事故( 座) 坝商( m )溃坝 事故十坝重力坝拱坝支墩坝j e 他 台计 表1 - 5已建各种坝型的比例( ) 坝l 岛( m ) 1 5 - 3 0 3 0 _ 6 06 0 _ 1 0 01 0 0 - 1 5 0 1 5 0 0 0 2 0 0 坝型 表卜6不同阶段病险坝和失事坝的百分比( 吣 阶段 1 9 5 3 - 1 9 5 71 9 5 9 - 1 9 6 2 失事坝病险坝失事坝璃险坝 施下期 2 6 6 92 81 3 9 首次莆水期4 6 1 0 0 51 1 i1 5 9 运行期前五年4 2 1 193 71 3 0 运行五年后 1 1 72 0 03 73 0 5 时期小明1 6 8 1 0 80 94 7 国外的学者根据所掌握的不同资料，对十t i 如! 火事莆i 病险的类弛分别做山了统计分析【1 2 - 1 4 1 吣m m ，蛳一 “挖。： 嘶一 m 蚰规 ，m 一扮弛，o拟一 卯”， 。城一 可以门纳为以f 儿点：i 洪水漫项；2 沿坝内泄水管道渗 i i ；：3 坝体、曲 基及接头处渗漏：4 滑坡； 5 其他施，l ：不良及动物破坏。 表卜7按竣工时间分类的已建埙、恶化坝和失事坝的百分比分布( x ) 1 2 3 导致土石坝工程失事的常见病害 1 施i ：冈素这里指违反设计的要求，所州的建筑材料和施l ：方法不当，质昔不符合规定以及 缺乏有效的检奇监督制度等。十_ i 抽! i ：榉施【：中的不止确性常表现在f # 1 j j l 个方面：( 1 ) 不按设计 幽纸施r ：( 2 ) 施l ：i ：艺不符合规范要求：( 3 ) 建筑材料质堵不符合规范要求；( 4 ) 施l ：i ：序与施l ： 进度与自然条仆和ii ：程的要求不符。 2 运行管理冈素指j ：样i 作状态缺乏观测、检商山的病害及，硖| i k 删得不剑维护及加1 州。 3 健全管理措施：( 1 ) 十_ i 坝及其附属构筑物在投入运行前必须进彳丁试运行：( 2 ) 运行过挫中 经常观测、检帝各种构筑物状态，尤其在汛前汛厉、严寒季仉( 3 ) 对蹬备进行定期养护；( 4 ) 及时修理损坏部分，并找出损坏的原冈：( 5 ) 系统记录各种检布、观测结果、人小事故的情况及处 理过程，定期系统分析各类检查、观测资料，以准确掌握f 犁运行、老化、病变的规律。 1 3 我国土石坝工程的特点及现状 1 3 1 我国土石坝工程的特点 我国十 4 i 坝人量修建是在新中国成立以后。从建国初期剑1 9 7 7 年，短短的2 7 年的时间内， 平均以每年6 1 i 库的速度建成了1 6 4 2 9 座人坝。随斤义从1 9 7 8 年剑1 9 8 2 年，义以平均每年4 1 9 _ 唪的速度建成了2 0 9 5 座人坝，到1 9 8 2 年底，全世界已建成人坝3 4 7 9 2 _ 唪中国则“i 、h 为1 8 5 9 5 座。表】培为世界人坝与中国人坝在筹个时期的数量对e e 表【15 - 1 7 。 从地理位置上看，我国北方的溃蜘! 率一般较南方高数十倍1 5 - 2 0 1 这突山反映y - i _ ：方，尤其是 华北州黄十类十料筑坝，其塑性，抗裂、抗冲、抗剪币l 抗震性能都较筹由丁气候干冷，偏于的 4 中闽农业人学硕小学位论文第一章概论 十筑成的冻十坝，蓄水和冻融后不均匀沉降和变形过大，易于开裂，被渗水冲蚀破坏易于溃坝 当然，也还与设计施l ：和管理的情况有关。 裹1 - 81 9 5 0 - 1 9 8 2 年世界建坝统计表( 座) 注：( 数字取自1 9 8 4 年国际火j ! l l 委员会的夫坝注册簿) ：中罔数据不包插台沌、香港) 表卜9 各种原因造成溃坝的溉率 注：咀全阑溃瑚总数为基数 对丁朱溃决的十t i 坝病险事故，1 9 8 1 年( 原水电部调查统计) “全国2 4 1 座大型水库发生过的 1 0 0 0 宗l ：科事故的分析资料，其中渗漏、管涌最多，其次是坝体和铺盖裂缝、滑坡等，详见f ( 表1 1 0 、 表卜1 0我国1 9 8 1 年调查大型水库工程事故分析表 事故 渗漏裂滑 护坡冲窄闸的白蚁 类型管涌缝坡 破坏刷蚀失灵等 丌分比3 172 53 1 0 9 6 51 1 23 04 86 , 6 1 3 2 我国土石坝工程的现状 由丁我国群众性建圳，使坝体在筑坝材料，地质和施i ：等许多方面形成的非均一性、变异性 而致使人坝1 ：程性质复杂化 2 1 - 2 3 1 。 1 ) 渗透破坏十t i 坝渗透破坏的主要形式是管涌和流士。 2 ) 滑坡和滑塌滑坡是仅次于渗透破坏的_ 十i i 坝病害，迄今为止我国有1 3 0 余座十4 i 坝冈为 滑坡而导致溃坝，我国5 0 年代及6 0 年代建成的许多中小型士石坝，主要采朋均质粘性士筑坝【2 4 】， 施。i ：时川拖拉机碾压千密度很低、铺土厚，存在着松散夹层，一般蓄水后易丁漏水，浸润线较 高，卜游坝体、坝坡人面积饱和渗水易滑坡等，上游坝坡由丁i 同样的原冈在水库水位降落时也 易发生滑坡。 3 ) 裂缝土坝最普遍舶破坏是裂缝，而裂缝可能在渗流作用卜发展成渗流变形，其至溃坝失 5 事，也可能发展成滑坡等。 十t i 坝的各种裂缝类弛分述如- 卜： 干缩裂缝多发生在粘士均质坝的表面，或粘士均质坝的坝顶部，或施【：期粘士的填筑面上， 由丁暴露在空气中粘十表面受日光暴晒干缩而产生裂缝，其结果是加速了不均匀沉陷裂缝的产 生平| l 发展 冻融裂缝土要是在寒冷地区，粘性t 均质坝的坝顶以及心堵坝的坝顶，因为冰冻而发生收 缩裂缝，冈此在这类地区如 坡项部应用块j i ，碎i i 或砂性十做保护层，保护层的厚度人于冻层的 厚度。 滑坡裂缝其产生通常是在坝坡的稳定性不够时，是坝坡即将下滑的前兆，其危害性较一般 裂缝人，膨胀十地区裂缝山现后，由于雨水的浸入，坝基十泥化膨胀，致使裂缝不断下切，通 常很快造成滑坡。 塑流裂缝十彳i 坝坝基为人面积淤泥，淤泥质粘十为含水量人的粉质枯十雨i 砂性粘士时，坝 基的剪应力超过十层的抗剪屈服强度，十层就会产生塑性变形，向圳脚挤山隆起，并在坝基中部 产生裂缝，而且这种裂缝通常贯穿坝体，发生后，较难处理。 变形裂缝不均匀裂缝，这种裂缝最为常见，但在坝体内往往很隐蔽，不容易及时发现，有 时会导致漏水或管涌目前在探测和处理这类裂缝方面已取得很多的经验。 4 ) 地震震害地震对十石坝的危害较人，通常会使坝体产生裂缝、滑坡，坝基液化以及震陷 等。研究表明，是普遍的地震破坏是裂缝和变形，可采取以f 措施减少裂缝的产生：( a ) 铺以防渗 材料，防l h 裂缝漏水导致冲刷溃坝：( b ) 预留足够的坝顶超高或设置稳州的防浪墙，防l 地震沉陷 或地震涌浪漫坝。 5 ) 泄水建筑物的冲刷气蚀主要的原因是基岩朱作处理或处理不好，防冲【：程质越筹，护砌 厚度不够以及高速水流补气条仆不足等。 6 ) 护坡破坏土要的原因是护砌质鼙筹，块z i 体积小以及护坡块z i 下面无垫层、垫层不均匀 或垫层级配不良等。 7 ) 其它原网如闸l 、】火控或白蚁口5 1 对十t i 如 的打洞等。 1 4 青峰岭水库及土石坝工程的发展概况 1 4 青峰岭水库的自然地理概况 青峰岭水库位于沭河上游日照市苒县城西北3 0 k i n 处，坝址在棋山、洛河两镇交界处的卢家 岔河村前，流域面积7 7 0 k m 2 ，总库容4 1 叭亿m 3 ，兴利库容2 6 8 7 亿m 3 。流域形状为阔叶形，形 状系数为0 3 2 ，河道干流长度6 4 2 k m ，干流平均坡度o 0 0 2 6 3 ，断面以上有四条支流会入。流域内 地势匕高南底，深山区面积不足3 ，浅山区为6 0 以上，丘陵及河谷川地约l i3 5 ，岩t i 主要 有变质岩，其次有砂岩、灰岩、页岩、幺武岩、凝灰岩等。 青峰岭水库坝址以上流域地处山东东南部，属暖湿带季风区人陆性气候。暴雨洪水多发生在 夏季7 8 月份，季制陛较强，降水昔年际变化较大。实测系列中，1 9 6 4 年年降水最最人为1 2 2 i m m ， 6 中网农业大学硕l 岸位论文 第一章概论 1 9 6 8 年降水量最小为4 1 1 m m ，丰枯比为2 9 7 。降水量年内分配也极不均匀主要集中在汛期6 9 月。汛期降水鼙占年降水量的7 6 。 1 4 2 青峰岭水库大坝工程现状及历史演变 青峰岭水库人坝分为主坝、副坝两部分。主坝坝顶全民l1 0 0 0 0 m ，桩号o + 0 0 0 , - 0 + 2 1 0 段 为台龙段，上f 坝壳为碎屑十，心墙为粘十；桩号0 + 2 1 0 - 0 + 6 4 0 为枯十宽心墙砂壳蜘l ：桩号o + 6 4 0 - - 1 + 1 0 0 段为均质坝段。原抽 顶竣i ：高程1 6 4 5 0 m ，粘十心墙项高程1 6 0 0 0 m ，顶宽4 0 0 m ， 底宽8 0 0 - 1 8 0 0 m ，1 9 7 5 年人坝加高培厚，坝顶高程加至1 6 7 0 0 m ，心墙顶部以上部分加斜墙防 渗，斜墒底宽4 0 0 m ，顶宽l a 0 m ；防浪墙高程1 6 8 2 0 m 。迎水坡面为干砌i i 护坡。白1 9 8 1 至1 9 9 7 年分五次将部分坝坡改建为混凝十块( 扳) 护坡，主坝迎水坡高程1 5 6 0 0 m 以r 坡比为1 ：3 0 ，其 上为1 ：2 3 ；高程1 5 6 0 0 m 和1 4 6 0 0 m 各设2 0 0 m 的戗台。背水坡为草皮护坡，高程1 4 7 0 0 m 以r 坡比l ：3 0 ，高科1 4 7 0 0 1 5 7 0 0 m 坡比1 ：2 7 5 高科1 5 7 0 0 1 6 7 0 0 m 坡比l ：2 5 ，高科1 4 7 0 0 m 、 1 5 7 0 0 m 并设2 0 0 m 戗台。桩号0 + 0 0 0 , - 4 ) + 7 0 0 之间的卜- 游坡脚之间设贴坡或干砌z i 护坡排水体， 排水体平均坡k1 0 0 0 m 。犬坝历年来发生的病害和治理情况参见卜表1 一l l 和l 一1 2 。 表1 11 历年来主坝上游波浪卷坡情况 7 表1 12历年来主坝上游坡塌滑坡情况 6 9 3 2 4 7 71 0 1 0 2 + 2 9 0 3 + 3 4 0 0 4 - 3 6 2 o + 4 0 5 1 4 9 0 0 1 3 9 0 0 1 4 63 0 1 3 9 0 0 8 2 5o + 1 9 01 4 4 8 0 2 9 o + 2 2 51 4 0 0 0 1 4 6 8 0 砼( 顺坡) 5 0 o o m 。 宽3 7o o m 最人深度 3 8 0 m 1 4 5 2 0k4 2 o o m ( 水下 2 1 0 0 m ) 最大柑深 1 2 0 m ，面积8 4 0 m s 。 4 30 6 k3 5 o o m 宽1 2 o o m 埘深2 0 0 m ：o + 1 9 0 - - 0 + 2 0 2 段为滑坡，由 l 南程1 4 6 o o m 戗台向 库内滑动水、f 距离 1 8 0 0 m 坝壳砂松散，l 趣程1 4 6 o o m 以下无护坡， 抛旧填：碎杠5 6 0 m ，砂2 0 0 0 一，块 石5 6 0 0 m 3 。 滑坡段堆防汛“料，每m 2 约o8 0 m 3 高 程1 4 3 o o m 以下朱护坡，1 4 6 o o m 咀f ：护 坡石光碎石挚层，坝脚皋十冉粉砂和淤 泥。当巳u 抛。护血。次年柚：高程1 4 6 o o m 以下风化幕岩i ：建一条i o 0 0 i 5 0 m 的浆 砌堵。 l 岛程1 4 0 8 0 以下术护坡，坝休松散，护坡 无碎“层，抗早期库水位降落较快。当时 水位以i ：砌石护坡，水位以下抛承。 8 中国农业人学硕l ：学位论文第二章青峰岭水库人坝主要质量问题发破坏机理研究 第二章青峰岭水库大坝主要质量问题及破坏机理研究 据国内外人量参考文献【“3 0 l ，结合山东省水利1 ：样的实际状况，将十j i 坝的主要病害门纳为 如f 儿种情况 1 裂缝按其成冈可分为干缩裂缝、冻融裂缝、沉陷裂缝、塑流裂缝及振动裂缝。 2 渗i i l ；产生渗漏的内冈是填筑十石坝的十料和坝基的砂砾是散粒体结构，颗粒间存在大量 的孔隙，具有一定的透水性。水库蓄水t f 亓，在水压力的作川下，水流必然会沿着坝身十料、坝基 十体、和坝端两岸地基中的孔隙渗向卜i 游，造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。外冈是十t i 曲 压实度 不够，防渗措施不彻底。渗流可使坝体或坝基产生管涌，流十或接触冲刷及渗透破坏。 3 滑坡滑坡是指抽 坡面的一部分土体脱离原来的位置坍落滑出，其土要滑动面形式有曲线、 折线、复式三种。 2 1 青峰岭水库主、副坝的主要质量问题 2 1 1 主坝坝体质量及评价 主坝原设计为宽心墙砂壳坝，施i ：时十料缺乏，心墙填筑至高释1 6 0 o o m ，以上朱做心墙， 多处填筑紫红色砂页岩风化物。人坝下游坡于1 9 6 8 年、1 9 7 5 和1 9 7 7 年三次培厚，多为风化的砂 页岩碎屑，_ 【 j 料复杂，总厚约2 0 0 5 o o m 。1 9 7 6 年心墙加高；于原心墙顶上顺坡加一斜墙，底 宽4 o o m ，顶宽1 4 0 m 。土坝蜘 型成为宽心墒砂壳坝型。主坝抽 体分三种类型，桩号0 + 0 0 0 0 + 2 1 0 段为人坝合拢口段，为复合魁坝型，桩号0 + 2 1 0 0 + 6 4 0 土河 昔段为粘十宽心墙砂壳坝，桩号 0 + 6 4 0 1 + 1 0 0 段为均质坝。老心墙顶高科为1 6 0 o o m ，顶宽4 o o m 。图2 1 为主坝轴线地质剖面 幽。 图2 1 主埙轴线工程地质剖面图 9 中国农业人学硕i ：学位论文 第二章青峰岭水库人坝主要质量问题应破坏机理研究 主抽 存在的主要质量问题有： 1 ) 主坝上游砂壳和上游坝基砂层在地震烈度度条件下，存在着液化问题； 2 ) 主蜘! 上卜游边坡抗滑稳定不满足规范要求： 3 ) 土坝上游反滤层达不到设计要求，个别位置无反滤层； 4 ) 现上游砼预制块及砌石护坡厚度不满足设计要求； 5 ) 土坝桩号0 + 7 0 0 0 + 8 7 0 段f 游坝脚出现渗流； 6 ) 高程1 6 0 0 0 m 以上防渗斜墙由粘士和砾质壤士组成硬可塑或硬塑状态，十料混杂，夹 有粗砂和砾t i ，干密度低，渗透系数为7 1 7 1 0 4 c m s ，不符合防渗体- 七料质姑指标。 2 1 2 副坝现况 副坝现状：现有副抽 位于大坝两南约l k m 处，洛河镇丰家泥沟村北、段家岔沟村东南的马鞍 形山口处。1 9 6 0 年5 月修筑时，副坝为土坝，长3 0 0 0 0 m ，最火高度4 0 0 m ，坝顶高程1 5 9 3 2 m ，顶 宽2 0 0 m 上r 游边坡均为1 ：2 5 。河南“7 5 8 ”暴雨后，副坝改为浆砌i i 坝，并兼作非常溢洪道溢流 堰，长2 7 0 o o m ，横剖面见幽2 2 。 图2 2 现状副坝横剖面图 i o 副坝坝址地层岩性：坝址i 廷地层岩性有寒武系灰黄色青灰色砂质页岩，粉砂岩夹薄层灰岩， 灰岩和鲕状灰岩，泥质粉岩夹页岩，自云质灰岩等由于受多次构造运动影响，小的层间错动较 发育，近续性筹；白竖系地层以紫色砂砾岩为主，厚层状具交错层理，分布于勘探线东端。第 四系仅在地形低洼处山露，主要为壤+ 和粘土。 2 2 主坝病害形式及破坏机理分析 2 2 1 主坝病害及破坏机理 据本章第一h 介壬f ，青峰岭水库主坝原为宽心墙砂壳坝。大坝主要质鼙有上游坝壳振动液化， 卜游抽! 脚出现渗流等六人质量问题，论文对每一项病害进行详细分析找出其破坏机理，为人坝 的翻修加闱措施提供理论依据，为理论模型的建立和数值模拟提供基础数据。 1 ) 主扣i 上游坝壳和坝基砂层的液化 青峰岭水库原主抽 坝壳填料，因坝段而不同，备段坝型亦略有变化。1 0 6 8 年前，土坝坝壳 填料多为红色砂页岩风化物。人坝f 游坡于1 9 6 8 年、1 9 7 5 年、1 9 7 7 年三次培厚，多为风化的砂 页岩碎屑，【 ；i 料复杂，厚度2 o o 5 o o m 不等。土坝坝体分三种类型，桩号0 + 1 0 0 0 + 2 1 0 段为 人坝合拢口段为混合坝型：桩号o + 2 1 0 0 + 6 4 0 主河段为粘十宽心墙砂壳坝：桩号0 + 6 4 01 + 1 0 0 段为均质坝。论文参考山东省水科院对主坝的动力分析计算，采_ 【 j 总应力动力分析法对如 壳、坝 基进行液化分析判断。展肛为抗液化安全度9 “”】，其中厦一单元的抗液化剪戍力比，玩再单 元的地震麻力比，尻屈1 0 5 单元是安全的。尾应 1 0 5 时单元处于液化状态，主坝桩号 0 + 5 8 0 断面抗液化安全度计算结果参阅图2 3 。 由图2 3 可以看出，在8 ”地震时，上游坝坡及上游坝基存在着可能发生液化的区域，上游坝 壳及坝壳砂层产生震动液化的原冈：饱年非粘性坝十体中的孔隙压力增人，致使坝壳或坝脚处十 体的有效麻力减小。当十体中超孔隙水压力等丁上覆十压力时，坝壳内的有效应力完全消火，十 的抗剪强度为零 3 4 - 3 5 1 ，十颗粒处丁：悬浮状态一即液化。 2 ) 坝体渗漏 主坝高挫1 6 0 o o m 以上部分防渗由粘士和砾质壤十所组成，硬可塑、硬塑状态，十料混杂， 夹有粗砂和砾i i ，干密度低渗透系数为1 7 1 0 4c m s ，压实度0 8 8 ，这些是造成砂壳坝体产生 渗流的直接原冈。当库水位高于1 6 0 o o m 时，防渗斜墙产生渗透破坏。产生渗漏的原冈还有以r 儿点： 部分坝段填十与排水之间无反滤层域施：j ：时反滤层错断混层，或填十不够密实，过人的渗流 使填十向排水体流火。 二十世纪八、七十年代坝体在分层填筑时十层较厚，施i 机械的功率不足，致使每层填十上 部密实，f 部疏松形成水平集中渗漏带p “，有的坝段由于施i ：组织落后，特别是- 人规模的十法上 马及人，l ：填筑，土层厚薄不一，上升速度不一致，致使相邻两段的接台部位出现了少压或潮压的 松十带。填筑时在坝体内填筑的砂性十或砾质士层，或者冬季施i ：中。大鬣的冻十块填入坝体内 或者对碾压后的冻十层来作处理，都会形成软弱层，成为坝体渗漏通道。 坝体裂缝渗茜i ；砂壳坝体开裂或心墙微裂缝是形成坝体隐蔽渗漏的原冈之一，由丁心墒或斜 墙厉的坝壳一般是强透水的十料，通过裂缝的集中渗漏将在坝壳中扩散，且难以发现集中渗漏区。 3 ) 接触部位渗漏 在坝体与坝基，坝体两次墙、齿墙与涵管( 小型水库中常见) 坝体与两岸山坡，防渗设施 与破碎基岩之间的各种接触部位，由于设计和施j ：等多方面的原因往往容易成为渗漏的途径而发 生接触冲刷甚至溃坝失事。 土与刚性体接触面( 比如山体岩石) 的渗流冲刷主要与接触渗径长度。接触面上是否开裂， 以及渗流山口有无反滤层有关，而两种不同粒径的土缄士与基岩的接触面渗流冲刷的可能性，取 决丁两种十控制粒径之比是否符合反滤准则及基岩裂缝宽度是否- 人丁一定的经验值。如o 5 0 r a m 等。冈此了解十的层间系数，掌握基岩裂隙开度成为解决此类问题的关键。青峰岭水库土坝 0 + 6 4 0 1 + 1 0 0 段在最初建坝时，坝基处理不彻底，坝基渗透严重，其它接触部位未见渗漏现象。 4 ) 滑坡 青峰岭水库人坝上游曾发生过三次滑坡。1 9 6 9 年3 月，主抽 桩号0 + 2 9 0 0 + 3 4 0 段的上游曲 坡，在高程1 4 9 0 0 1 2 9 o o m 处发生滑坡，滑坡体长5 0 o o m 宽3 7 o o m ，最人深度3 8 0 m ，总方 鼙7 0 0 0 m 3 。1 9 7 7 年1 0 月，在库水位1 4 5 1 2 m 时，大坝0 + 3 6 0 0 + 4 0 5 段上游坝坡，在高科1 4 6 3 0 1 4 0 0 0 m 发生滑坡，滑坡长约4 2 0 0 m 。1 9 8 2 年5 月，在序水位1 4 3 6 0 m 时，火坝o + 1 9 0 o + 2 0 2 段的上游砌_ i 护坡在高程1 4 4 8 0 1 4 0 0 0 m 间发生坍滑，坍滑& 3 2 0 0 m ，宽1 2 0 0 m ，最人坍深 1 2 0 m 面积8 4 0 m 2 。从滑坡的形成机理上讲，当滑动面上的平均剪应力等n 戈火丁- 坝体土的的 抗剪强度时，就会产生滑坡。产生滑坡的内因有坝料的粒径组成、相对密度或干密度、十的渗透 性、压缩性、抗剪强度等。 j l s h e a r e d i ”1 对6 5 庳碾压均质十坝十料粒径组成与十坝滑坡相关统计的研究表明1 3 1 ：粒径 d s o 0 0 6 m m ( 约相当丁- 砂粒 的- i - _ ) 的2 5 座十坝。即使包括一些坝坡较陡和压实不好的土坝，没有一座发生滑坡。产生滑坡 的外冈或外部条件有水的作用、坝坡尺寸、坝坡内的软弱士层、坡脚不合理开挖、坡顶加载、地 燧等。总之，十i i 坝滑坡是多种冈素共同作埘的结果，是一种复杂的火稳破坏现象。 5 ) 反滤层主曲 主要质量问题还有上游护坡反滤层粒径不满足d i s d s 5 5 ( 排水畅通) 式中d 1 5 一反滤料累计颗粒分析曲线中含量小于1 5 的士颗粒粒径( m l t l ) ； d 8 5 、而5 一分别是被保护土累计颗粒分析中含最小于8 5 、1 5 的土颗粒径。 在白然冈素的长期作用下反滤层的颗粒组成会发生较人的变化，根据太沙基准则，可将反 滤层的老化分为四级。 1 2 醋捂肆+t型咖韫掌疑螺腿茸o+o野州 竹“田 裹2 _ 2反滤层老化太沙基准则评价标准 2 3 副坝存在的工程质量问题 青峰岭水库副坝位下主坝两约1 k m 处的段家岔河村东南约2 0 0 o o m 的马鞍删山谷上，浆砌_ i 坝全长2 7 0 o o m 其中0 + 0 0 0 0 + 0 4 0 段副坝基岩为砂砾岩两端0 + 2 2 0 o + 2 7 0 段哥l = i i i 基岩为i i 灰岩。中部0 + 2 4 0 0 + 2 2 0 段副坝基岩为洪积十- 壤，覆盖层厚达1 1 5 0 m 。副坝土要l ：科质鼙问题 有卜列儿点。 2 3 1 选址不当 主坝加高和建溢洪闸后防洪标准提高，按设计防洪标准要求，1 f 常溢洪道己无泄洪任务， 但需要副坝挡水舫洪，以确保副坝下游村庄的安全。原副坝坝顶高程1 6 3 8 0 m 不满足设计水位时 的运行要求，现状防洪能力不满足设计规范规定的卣年一遇洪水标准；副坝建在河口右岸段家岔 河村f 游，将该村1 8 0 余人挡在了土库区与副坝之间，地形图上该村制高点1 6 2 5 0 m 部分房屋在 副坝坝顶高科2 下。冈此，该坝址的选定丁库e 移比之间存在一定的矛盾。副坝坝基分布第四系 粘十、壤十和壤十夹碎ij 其参透系数为5 x 1 0c m s ，属弱透水层，r 伏基岩中，粉砂岩、泥质 页岩、泥质粉砂岩、砂质页岩为弱透水层，而灰岩和向云质灰岩的透水率= i j1 8 6 9 , - - 4 5 4 5 l u 属中 等透水层。坝基第四系松散层清除斤，坝基构成单层透水结构，渗透系数为o 9 0 m d 。据坝基分 布特征，桩号0 + 0 3 2 - - - , 0 + 1 6 4 段为透水坝基。整个坝基年渗漏量为1 8 1 3 3 7 1 5 m 3 。 2 3 2 副坝结构设计不合理 现副坝实际为一座简易结构挡水坝，坝体单薄、砌筑质昔极差，坝前无护坦，坝后无消能及 任何防护设施；坝| 文2 7 0 0 0 m 建在软硬相间且悬殊的地基上，但无沉降缝。坝左端4 0 o o m 建在较 硬的砂砾岩层上，矗端5 0 o o m 建丁坚硬的i i 灰岩层上；中部8 0 o o m 建在第四世纪洪积的壤十层， 该段基岩起伏，覆盖层厚11 5 0 m ，因此现状副坝不具备溢流条1 ，| ：。洪水上涨浸漫抽 基。副坝将 可能冈不均匀沉降而断裂，或因溢流掏刷坝基，造成溃坝。副坝下游规划溢洪道内有半家泥沟、 郭家泥沟、段家泥沟、西地村、j 匕汶村，约1 0 0 0 0 人。副坝为浆砌i i 抽 ，断面尺寸较小，抗渗和 稳定性均不满足要求。副坝坝基分岩十层渗透系数为5 1 0 - 4 c n d s ，属中等透水层。 4 2 3 3 副坝顶高程不满足设计要求 现状副坝顶高程1 6 3 8 0 m ，虽高于百年一遇洪水设计水位，但低丁茸年一遇洪水高程+ 超高 即1 6 5 7 0 m ，或低丁五千年一遇校核洪水位+ 超高。 2 3 4 副坝抗倾覆稳定计算 副坝为浆砌_ i 副坝，百年一遇洪水位1 6 3 1 2 m ，库水位以上坝体十重度n = 2 3 k n m 3 填十重度，。= 2 3 k n m 3 ，水卜重度= 1 0 3 k n m 3 。 坝的抗倾覆安全系数k 。按下式计算 吒= 鲁= 瓷 式中 m 。、m 。一分别是副坝对坝后址a 点的抗倾覆力矩雨i