（水工结构工程专业论文）高心墙堆石坝心墙底部高塑性粘土厚度研究.pdf

摘要 心墙堆石坝是在2 0 世纪4 0 年代以后才有所发展的，其背景是土力学理论和实践的 发展，以及大型施工机具的出现，使得在合理工期内完成大量土石方成为可能。近几十 年来，土质心墙堆石坝已逐渐成为世界上高坝建设的主流坝型之一。心墙堆石坝在我国 也发展得非常迅速，最近几年仅四川省境内规划的一些大、中型河流的“龙头”水库工 程普遍都是心墙堆石坝，而且坝高都超过1 0 0m ，有的甚至达3 0 0i n 量级。 本文对四川大渡河上瀑布沟和宝兴河上的硗碛两座直心墙堆石坝进行了平面有限 元应力应变分析，详细的研究了两座心墙堆石坝心墙底部不同高塑性粘土厚度对心墙拱 效应、廊道和防渗墙应力应变的影响，在平面计算的基础上引用三维计算结果对平面计 算成果进行复核。在前人研究的基础上，结合本文以上工作，得出了一系列有益的现象 和规律，这对于同类工程的建设，指导实际工程的设计与施工具有一定的借鉴作用。 本文所做得主要工作如下： 1 ) 回顾了国内外心墙堆石坝的发展历程，总结了我国心墙堆石坝建设的新进展。 总结了拱效应的国内外研究现状，陈述了拱效应、防渗墙和廊道对土石坝特别是对心墙 堆石坝的影响。 2 ) 简要介绍了数值模拟方法中的有限单元法，并阐述了有限单元法的基本原理。 3 ) 介绍了心墙坝的计算方法和计算所采用的本构模型。 4 ) 结合大渡河上的瀑布沟和宝兴河上的硗碛两座直心墙堆石坝，本文对其进行了 平面有限元应力应变分析，详细的研究了两座心墙堆石坝心墙底部不同高塑性粘土厚度 对心墙拱效应、廊道和防渗墙应力应变的影响，在平面计算的基础上引用三维计算结果 对平面有限元应力应变的计算成果进行复核。从而得出了对实际工程具有参考价值的规 律性结论。 关键词：心墙堆石坝；拱效应；数值模拟；本构模型；粘土厚度；应力应变分析 a b s t r a c t t h ec o r ew a l lr o c k f i l ld a mt h a td e v e l o p e da tt h ep e r i o do ff o r t i e so ft h e2 0 t h c e n t u r y u n d e rt h eb a c k g r o u n do f t h ed e v e l o p m e n to f m e c h a n i ct h e o r ya n dt h ec o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t w h i c hc a nc o m p l e t eag r e a td e a lo fe a r t h w o r ki nr a t i o n a lc o n s t r u c t i o np e r i o d t h es o i l - c o r e w a l lr o c k f i l ld a mh a sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h em a i n s t r e a md a mt y p e sf o rh i g hd a m c o n s t r u c t i o ni nt h ew o r l df o rt h el a t e s td e c a d e s t h ec o r ew a l lr o c k f i l ld a ma l s od e v e l o p s q u i c k l yi nc h i n a i nt h el a t e s ty e a r s ，o n l yi ns i c h u a np r o v i n c et h e r ea r eg e n e r a lc o r ew a l l r o c k f i l ld a m so fs o m el e a d i n gr e s e r v o i rp r o j e c t sp l a n n e di nl a r g e m i d d l er i v e r s m o r e o v e r , t h e h e i g h to f t h ed a m si sm o r et h a n2 0 0 札s o m ee v e nm o r et h a n3 0 0 m t h i sp a p e ra n a l y st h ec o r ew a l lr e c k f i l ld a ma tp u b u g o uo nd a d ur i v e ra n dt h eo n ea t q i a o q io nb a o x i n gr i v e ri ns i c h u a np r o v i n c eb ym e a n so f s t r e s s - s t r a i na n a l y s e so f p l a n ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n th e i g h to f h i g hp l a s t i cc l a yo na r c he f f e c to ft h ed a r na tt h eb o t t o mo ft h ec o r ew a l la n do ns t r e s s - s t r a i n p r o p e r t i e so f t h ec u t o f f w m la n dt h eg a l l e r y t h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t e dr e s u l ti sc t e dt o c h e c kt h ec o n c l u s i o no b t a i n e df r o mt h ea n a l y s e so fp l a n ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o m b i n i n g t h ew o r ko ft h i sp a p e r , s o m eb e n e f i c i a lp h e n o m e n o na n d l a wa r eo b t a i n e do nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c h e sc a r r i e do u tb yp r e d e c e s s o r sa n dt h u sp r o v i d i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nr e f e r e n c e f o rt h ec o n s t r u c t i o no f s i m i l a rp r o j e c t s t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri sb e l o w ： ( 1 ) r e v i e w i n gt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n t a lc o u r s eo f t h ec o r ew a l lr o c k f i l l d a ma n ds u m m i n g1 1 pt h en e wd e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o no ft h ec o r ew a l lr o c k f i l ld a m s u m m a r i z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ho fa r c he f f e c ta n ds t a t i n gt h ei m p a c to fa r c h e f f e c to ne m b a n k m e n td a m ，e s p e c i a l l yo nt h ec o r ew a l lr o c k f i l ld a m ( 2 ) ab r i e fi n t r o d u c f i o na b o u tf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw h i c hi so n eo fh u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sg i v e na n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di ss e tf o n h ( 3 ) t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc o r ew a l lr o c k f i l ld a ma n dt h e a d o p t e dc o n s t i t u t i v em o d e l ( 4 ) t a k i n gt h ec o r ew a l lr o c k f i ud a ma tp u b u g o uo nd a d ur i v e ra n dt h eo n e a tq i a o q io n b a o x i n gr i v e ri ns i c h u a np r o v i n c ea sa l le x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h e mb ym e a n so f s t r e s s - s t r a i na n a l y s e so fp l a n ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei m p a c to f d i f f e r e n th e i g h to fh i g hp l a s t i cc l a yo na r c he f f e c to ft h ed a ma tt h eb o t t o mo ft h ec o r ew a l l a n do ns t r e s s s t r a i np r o p e r t i e so ft h ec u t o f fw a l la n dt h e g a l l e r yi nd e t a i l b a s e do nt h e c o m p u t e dr e s u l to fp l a n ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t e dr e s u l ti s p r e s e n t e dt op r o v et h er a t i o n a l i t yo ft h er e s u l to b t a i n e di nt h ep l a n ef m i t ee l e m e n tm e t h o d f r o mt h e r e ，w ed r a wt h er e g u l a r i t yo fc o n c l u s i o nt h a th a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei np r a c t i c e p r o j e c t s k e y w o r d s ：c o r ew a l lr o c k f i l ld a m ；a r c he f f e c t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o n s t i t u t i v em o d e l ； t h eh e i g h t “h i 曲p l a s t i cc l a y ；s t r e s s - s t r a i na n a l y s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师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。与我一同工作的同事对本研 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。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 趣立夏么整 2 0 0 7 年4 月岁日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 越匹& 塾z2 0 0 7 年4 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 心墙堆石坝的国内外发展概况 1 1 1 心墙堆石坝的发展历程 心墙堆石坝是在2 0 世纪4 0 年代以后才有所发展的，其背景是土力学理论【1 1 和实践 的发展，以及大型施工机具的出现，使得在合理工期内完成大量土石方成为可能。近几 十年来，土质心墙堆石坝已逐渐成为世界上高坝建设的主流坝型之一。据2 0 世纪9 0 年 代初统计，世界上已建和在建的坝高2 3 0 m 以上的高坝中，土质心墙堆石坝约占5 5 5 。 而我国的心墙坝起步较晚，国内自2 0 世纪9 0 年代以来，高土质心墙堆石坝的发展速度 才有所加快，直到1 9 9 0 年建成的鲁布革心墙堆石坝才成为第一座坝高超过1 0 0m 的土 质心墙堆石坝。随后，我国的土质心墙坝建设迈向了一个新的高度，小浪底、瀑布沟等 一系列高土石坝都随之出现，最近几年仅在四川省境内，规划的一些大、中型河流的“龙 头”水库工程普遍具有坝高( 大于1 0 0m ，有的甚至达3 0 0m 量级) 、河床覆盖层深厚 和工程区附近可获得天然防渗土料等特点，因此土质心墙堆石坝是这些工程主要研究的 坝型之一【2 】。世界上在建和已建的坝高超过1 5 01 3 1 的心墙堆石坝如表l 所示。 由于大型振动平碾的问世，使得现代心墙堆石坝建设在堆石料的使用上发生两个重 大变化。一是鼓励使用级配料，即不像过去抛填堆石那样选用大块石，将1 0 0m l n 以下 的颗粒弃掉不用，而是要求有一定级配和细料含量，从而达到更高的密度。二是允许采 用软岩、风化岩以及从建筑物基坑开挖出的石渣等质量较次的岩石，通过振动平碾压实 也可形成可靠坝壳。 另外，心墙堆石坝在防渗料的使用上也发生了重大变化。防渗料历来是土石坝工程 中研究的重点，选料要求较为严格，上世纪5 0 年代以前，防渗土料大多采用粘土、壤 土等细粒土( d 小于o 0 7 5m i l l 占5 0 以上) ，随着土力学理论的发展和施工机械及工艺 水平的提高，心墙坝在防渗料的使用上也发生了很大变化，过去被视为劣质土料的红土、 膨胀土、砾质土、风化料等经过适当处理均能用作防渗料，从而拓宽了防渗土料的适用 范围【3 】。特别是对高心墙堆石坝，由于其对防渗体材料要求的侧重点与低坝不同，防渗 体裂缝及随后的渗流冲刷是影响安全的重要因素，因此其心墙防渗土料通常选择具有低 压缩变形的土料，以减少其发生裂缝的可能性。而砾石土、风化岩等宽级配土料由于具 有压实性能好、压缩性低、裂缝自愈能力强等优点而在国外堆石坝中得到普遍地使用1 4 1 。 河海大学硕士学位论文 在上世纪，国外已建成的1 0 0m 以上高土石坝，用粗粒土作心墙的占7 0 以上，2 0 0 3 0 0m 级高心墙土石坝1 0 余座，几乎都采用砾石土作心墙，大都属粗粒土。目前，砾 石土、风化岩等宽级配土料在国内高坝中也开始逐步得到应用，如四川大渡河上的瀑布 沟大坝利用宽级配砾质土作为坝体防渗料，坝高达到1 8 6m 。 现代坝工建设还将沥青用于建造土石坝的心墙，形成一种新的坝型沥青混凝土 心墙坝。1 9 4 9 年葡萄牙建成了世界上第一座坝高为4 5i n 的沥青混凝土心墙坝瓦勒 多盖奥( ed ec a i o ) 坝，使心墙坝在防渗材料的使用上有了新的突破。沥青混凝土心 墙坝主要具有以下优点：( 1 ) 构成简单，对骨料级配要求不是很高，建造经济合理；( 2 ) 若采取严格的抗老化措旌，该结构会具有很好的耐久性；( 3 ) 受气候等条件的影响小， 可随坝壳材料同步施工，施工进度大大提高；( 4 ) 适应坝体和地基变形的能力较强，水 库蓄水后，心墙一般不会发生水力劈裂；( 5 ) 若坝体设计合理，地震区的沥青混凝土心 墙具有较强的自愈能力。2 0 世纪中期以来，欧洲、北美、中国和日本等地修建了大量 的沥青混凝土心墙坝。迄今为止世界上已建成8 0 多座沥青混凝土心墙坝吼 表1 世界上建成的坝高超过1 5 0m 的心墙堆石坝 竣工坝高 坝面坡度1 ：n 坝名国家防渗坝型 年份 ( m ) 上游下游 体 奇科森 墨西哥1 9 8 02 6 12 1 2 0 心墙堆石坝 c h i e a s e n 凯班 土耳其1 9 7 52 0 71 8 5o 1 6 71 7 5心墙堆石坝 k e b a n 高濑 日本 1 9 7 91 7 62 6 0 | 3 1 5 心墙堆石坝 t a k a s e0 2 2 512 0 特里尼堤 美国 1 9 6 51 6 4 心墙堆i i 坝 t r i n i t y 4 00 72 5 1 2 51 2 5 恰尔克 前苏联 1 9 7 21 6 8o 2 5 心墙堆石坝 c h a r v a k2 o2 0 特里 印度 1 9 9 0 2 6 12 5 o 5斜心墙堆行 2 t e h r i o 2坝 艾瓦两克 十耳其1 9 7 9 1 7 5 2 5 o 5 5 1 8心墒堆i i 坝 a y v a c i k 2 第一章绪论 1 51 5 盖伯梯特 奥地利 1 9 6 41 5 3o 1 2 5心墙堆石坝 g e p a t s c h 1 51 5 大崖坝 法国1 9 8 51 6 01 41 6心墙堆石坝 g r a n dm a i s o n 奥洛维尔 美国1 9 6 72 3 6 斜心墙堆石 o r o v i l l e 坝 马斯吉德苏莱曼 伊朗 2 0 0 l1 7 7 心墙堆石坝 m 蠲c des o l e y m a n 菲尔泽坝阿尔巴 2 7 22 7 5 f i e r _ e尼亚 1 9 7 81 6 7o 2 5心墙堆石坝 22 奈良俣坝 日本1 9 9 11 5 82 7o 22 0 5心墙堆石坝 n a r a m a t a 马伦 伊朗1 9 9 81 6 5心墙堆石坝 m a r u n 托尔宾戈坝 澳犬利 t a l b i n g o 亚 1 9 7 01 6 1 5心墙堆石坝 古拉阿佩罗罗马尼 g u r a a p e l o r 亚 1 9 8 41 6 7 7 心墙堆石坝 手取川 日本】9 7 91 5 4心墙堆石坝 t e d o r i g a w a 卡纳莱斯 西班牙1 9 8 81 5 7 5 1 7 1 7心墙堆石坝 c a n a l e s 1 8 克瑞马斯塔 希腊 1 9 6 51 6 52 5o 22心墙堆石坝 k r e m a s t a 0 42 1 阿塔幽尔克 土耳其 1 9 9 l1 8 42 1 5 心墒堆石坝 a t a t u r k0 12 2 库加尔 美国 1 9 6 41 5 8 1 80 5 斜心墙 1 6 c o u g a r 1 5o 2 3堆石坝 斜心墙 小浪底 中国2 0 0 11 5 42 61 7 5 堆f i 坝 叮海人学硕j 学位论文 1 1 2 我国心墙堆石坝建设的新进展 以下技术的发展为心墙堆石坝特别是高心墙堆石坝的发展提供了机遇1 6 1 【7 】： ( 1 ) 施工机械的发展提高了施工质量，加快了施工进度，降低了工程造价。 ( 2 ) 理论、试验及计算技术的发展提高了大坝分析计算水平，加快了设计进度， 保障了大坝设计的安全可靠性。 ( 3 ) 高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技 术的综合发展，对加速心墙堆石坝的建设和发展也起了重要促进作用。 以上技术的发展使心墙堆石坝筑坝技术迈向了一个新的高度。通过多年的科技攻 关，我国在心墙堆石坝的设计和建设中取得了许多重要成果，有的成果已经在工程中得 到应用，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，也使我国心墙堆石坝筑坝技术达 到国际先进水平。我国心墙堆石坝建设的新进展主要表现在以下关键技术研究取得的成 果上： ( 1 ) 宽级配砾石土作为2 0 0m 级高堆石坝心墙防渗体材料哪7 8 】 根据经验，砾质土中粒径小于5m i l l 颗粒含量在5 0 左右、小于o 1i n l n 颗粒含量 在2 0 左右较为合适，但有的天然级配砾质土存在细粒含量偏少、防渗与抗渗性能不能 完全满足要求的缺点，而有的天然级配砾质土又存在细粒含量偏多、强度不能满足高坝 要求的问题，对这些砾质土都必须采取工程措施进行质量改进。 国内以前用砾石土做均质坝的较多，如海南岛的松涛水库土坝等，但以砾石土做防 渗体的不多，云南鲁布革土石坝采用风化砾石土做心墙是1 0 0m 以上高土石坝的首例。 随着筑坝技术的发展，设计建筑的坝体越来越高，砾石土做防渗科开始运用在2 0 0m 级 的高坝中。如j 下在施工的坝高1 8 6m 的瀑布沟土质心墙堆石坝工程，对黑马料场宽级配 砾石土进行了系统的室内和现场试验，从工程性质、填筑标准、渗透与渗透稳定性、施 工质量控制等方面进行了综合分析，确定了对黑马i 区洪积亚区土料的质量改进措施， 即采用格栅筛除法剔除土料中大于8 0 咖的粗料。通过试验发现，大于8 0m l n 的粗料 剔除后，级配得到改善，符合工程界对防渗料级配分白的一般要求。这样可就地取材， 避免了从远距离运料或采用人工掺和料。 另外，宽级配砾石土做为高堆石坝心墙防渗体材料的还有施工中的硗碛、水牛家和 设计中的狮子坪等工程。几个工程的试验研究表明：( 1 ) 当天然级配砾质土细粒含量偏 4 第一章绪论 少、防渗与抗渗性能不能满足要求时，采用剔除粗颗粒调整砾质土级配、改善其性能是 行之有效的措施；( 2 ) 通过合理的反滤设计，砾质土在反滤料保护下的抗渗比降可大幅 提高，从而确保心墙土料不发生渗透破坏；( 3 ) 在高砾质土心墙堆石坝的设计中，采用 加大击实功能研究土料的特性并确定其压实标准往往是必要的。 ( 2 ) 坝基深厚覆盖层的防渗处理【9 】【1 0 l 坝基的防渗处理是土石坝工程设计的关键技术。土石坝对覆盖层软基的适应性比混 凝土坝好，采用混凝土防渗墙、帷幕灌浆等进行覆盖层的防渗处理早已有成功的经验， 对于极深覆盖层处理，在永久性和重要的工程中经验尚不多，如何处理还有待于进一步 研究。 已建成的小浪底斜心墙土石坝工程中，覆盖层深达7 0 多米，采用混凝土防渗墙防 渗，局部与岩体接触部位或倒悬的陡壁处采用了高喷相接；上游围堰覆盖层深6 0 多米， 采用了塑性混凝土防渗墙。小浪底工程基础处理为采用既厚且深的混凝土防渗墙积累了 宝贵经验。另外，在建的四川大渡河流域的瀑布沟砾石土直心墙堆石坝，最大覆盖层厚 度达7 5 3 6m ，大坝采用主副两道防渗墙，墙下进行帷幕灌浆联合防渗。常规混凝土防 渗墙因其混凝土弹模高，在荷载作用下，墙与周围坝基的变形差异大，导致防渗墙内应 力集中，产生有害裂缝甚至压碎。坝越高、覆盖层越深厚该问题就越突出。该工程通过 科技攻关和大量的试验研究，采用微风化骨料混凝土以尽量降低混凝土弹模，较好地解 决了深厚覆盖层上高土石坝混凝土防渗墙应力大等关键技术问题。 坝基各种防渗技术的发展和工程经验的积累为在不良坝址上修建高土石坝开拓了 广阔的前景，许多不易修建混凝土坝的坝址经过适当的地基处理都能修建土石坝。总的 来说，近年来我国土石坝深覆盖层处理技术已取得很大进步。 ( 3 ) 深厚覆盖层上高心墙堆石坝心墙与防渗墙接头型式的研究1 1 1 l 【1 2 i 确定土石坝和深覆盖层的防渗处理措施是土石坝工程十分重要的技术问题之一，而 深覆盖层中防渗墙与土石坝防渗体的连接往往是大坝防渗体系的关键因素，也是防渗体 系的薄弱环节，对防渗墙的应力状态和安全具有决定性影响，对土质防渗体底部的应力 和防渗性能也有重要影响。因此，坝体防渗体与坝体内防渗墙接头部位连接型式成为高 心墙坝关键技术之一。 在建的瀑布沟坝高1 8 6m ，坝基冲积层最大厚度7 5 3 6m ，在i j 期设计阶段，结合 河海大学烦t 学位论文 国家“八五”科技攻关，研究了廊道式连接和插入式连接两种主要型式，鉴于本工程采 用廊道式连接和插入式连接型式在技术上都是可行的，而插入式连接型式结构简单，无 论从有限元分析计算还是离心机模型试验或大型土工试验，防渗墙墙体内应力均较小， 且防渗可靠、施工方便，也有成熟的经验，所以推荐采用插入式连接型式。由于河床防 渗墙下基岩帷幕灌浆只有通过廊道钻孔施工才不致影响工程施工直线工期，为此对防渗 墙与心墙连接型式在莳阶段成果的基础上重点研究了以下两个方案：1 、插入式方案；2 、 单墙廊道与单墙插入式方案。经综合分析研究，为确保工程质量和建设进度，瀑布沟大 坝基础防渗墙与防渗心墙连接型式推荐采用单墙廊道与单墙插入式连接方案，即上游墙 作为副墙采用插入式与心墙连接。下游墙作为主防渗墙通过廊道与心墙连接。 当混凝土防渗墙与防渗心墙采用廊道式连接型式时：混凝土防渗墙与廊道之间连 接，比较研究了硬接头和软接头方案。计算分析表明，采用硬接头时虽然防渗墙墙体应 力大，但结构简单、防渗更可靠、工程造价低，且只要采取适当措施( 如廊道顶部铺填 高塑性粘土、高强低弹刚性混凝土墙体材料等) ，防渗墙就能满足强度要求。所以，混 凝土防渗墙与廊道之间的连接采用硬接头。心墙底部与基础接触部位以及墙顶和廊道 周围一定范围内设置高塑性粘士区，不仅有利于心墙与廊道接触处的抗渗，而且对减小 坝基混凝土防渗墙应力有一定益处。此外，通过坝、墙及地基联合作用的有限元计算， 论证了插入深度、高塑性土范围等的影响。这些成果为同类高土质心墙堆石坝的设计提 供了合理的设计参数。 另外，我国心墙堆石坝关键技术研究还有填筑质量控制的无损检测、抗震、以及高 堆石坝的原位观测和反馈分析等，这些关键技术的研究为我国心墙堆石坝乃至其他类型 土石坝的建设提供了很好的技术支持，为以后同类型的坝的设计和施工提供了非常宝贵 的借鉴经验【”。 今后我国心墙堆石坝的建设将面临更大的挑战，坝高将会更高，技术难度也就更复 杂。如正在筹建的大渡河上的双江口水电站，拦河大坝拟采用心墙堆石坝，坝高为3 2 2 m ， 是世界上第二高、国内第一高的土石坝，如此高的坝如何做好大坝的防渗、应力控制以 及在高应力作用下如何保证混凝土防渗墙不被损坏，需要进一步的研究解决。 6 第一章绪论 1 2 拱效应的研究现状及其对心墙坝的影响1 3 1 1 1 4 1 1 2 1 拱效应的研究现状 所谓土“拱效应”是由介质的不均匀位移引起的，在荷载或自重的作用下，土体发 生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生相互“楔紧”的作用，于是在 一定范围土层中产生“拱效应”。早在1 8 8 4 年，英国科学家r o b e r t s 首次发现了“粮仓效 应”【1 5 】：粮仓底面所承受的力在粮食堆积到一定高度后达到最大值并保持不变，这就是 通常所说的土拱效应。1 8 9 5 年，德国工程师j a n s s e n 用连续介质模型对其进行了定量 解释。1 9 4 3 年，y e r z a g h i 通过著名的活动门试验【1 6 1 ( 见图l - 1 ) 证实了土力学领域土拱 效应的存在，并在对土拱应力分布进行描述的基础上，得出土拱效应存在的条件。 1 9 6 3 年，f i n n 利用弹性理论对土拱效应进行了研究，但弹性理论仅使用于位移和 应变很小的情况，而土拱效应往往伴随着很大的变形【r 丌。1 9 8 5 年，h a n d y 首次描绘出 拱形为近似于悬链线的主应力流线1 1 8 1 。1 9 9 3 年o n o 假定土为刚塑性，且满足 m o h r - c o u l o m b 屈服条件，将问题简化为平面问题状态，对挡土墙后土体及隧道周围土 体进行了土拱效应分析，并将所得结果与试验结果进行了对比分析f 埘。 到2 0 世纪末2 l 世纪初，在岩土工程领域， 与土拱效应有关的实测数据、试验模型及理论 研究越来越多，对以前无人问津的拱体几何参 数与力学参数的研究也层出不穷。研究土拱理 论的同时，有人已将研究成果付诸实践，对工 程设计进行指导、优化，并取得了良好的效果。 1 2 2 拱效应对心墙坝的影响1 2 0 1 心墙坝作为土石坝的一种重要坝型，在世界坝工建设中占有重要的地位，目前世界 上最高的土石坝即为心墙坝。心墙坝作为一种分区坝，防渗体位于坝体中日j ，它具有土 石坝的很多优点，其缺点是防渗体的变形模量同坝壳所采用的堆石料或砂卵石料的变形 模量相比较低，心墙在施工和运行期会出现“拱效应”。 所谓心墙“拱效应”是指心墙的自重荷载因受心墙两侧坝体约束而发生的向坝体转 移的现象。心墙两侧往往是压实很好的坝体，因而其刚度较大，施工后其沉降能较快地 _ 摊 翻 一 滞触 嬲 图 一n-=争?赢 稔 一 坤 。盟矗躬 翩 、餐咎 mw小心0qp。僦i删毫蝴嚣 慧 4 海人学颂1 ：学位论史 趋于稳定；而心墙刚度小，压缩性大，坝体竣工以后还会继续沉降。如果心墙又较薄， 那么心墙的沉降就会受到两侧坝体与反滤层的约束，心墙因自重而产生的垂直应力就将 通过“拱”的传力方式转移到坝体。拱效应的大小与心墙和坝壳两者的变形模量差、心 墙坡度、坝高以及填料强度和施工速率等许多因素有关，是一个比较复杂的问题，一般 来讲两者模量差愈大，心墙愈薄，坝愈高，施工速度愈快，其拱效应愈明显2 1 捌。 “拱效应”的作用会使心墙内的竖向应力有所降低，当心墙上游面上的竖向压应力 降低到低于作用到该处的库水压力时，则水压力将会使闭合裂缝张开或导致薄弱面产生 新裂缝，并不断向纵深延伸以致贯穿心墙。这就是“拱效应”引起的大坝心墙水力劈裂 问题，它造成的后果是非常严重的。 1 9 7 6 年位于美国i d a h o 州t e t o n 河上的t e t o n 坝发生了溃坝事件网，大坝失事后， 专门成立的非官方独立调查组和官方内部调查组对事故原因进行了调查，调查组认为， 由于岸坡坝段齿槽边坡较陡，岩体刚度较大，心墙土体在齿槽内形成支撑拱，拱下土体 的自重应力减小，当水库蓄水时，高压水会对齿槽土体产生劈裂而通向齿槽下游岩石裂 隙，造成坝体内部冲蚀和管涌，最终导致溃坝。挪威的h y t t e j u v e t 坝建于1 9 6 4 1 9 6 5 年 2 4 1 1 2 5 1 ，是一座心墙下游面直立的窄心墙土石坝，心墙土料为宽级配冰碛粘土，大坝最大 坝高9 3 m ，坝顶长度约4 0 0 m ，设计最高水位7 4 6 m ，正常水位为7 4 5 m 。1 9 6 6 年5 月， 水库开始快速蓄水，同年十月蓄水达到设计正常水位即7 4 5 m 。蓄水过程中，在水位达 高程7 3 8 m 时，通过大坝下游流量堰测得的渗水量仅不足1 0 2 o l s ，随着水位的进一 步上升，渗水量明显加大，当库水位接近7 4 0 m 高程时，渗水量突然增大，最大值达 6 3 o l s 以上，且渗漏水色混浊，每升含o 1 9 粘粒。随即减小了蓄水速率，渗水量也随 之减小，在库水位由7 4 0 m 蓄高到7 4 5 m 高程的过程中，渗水量介于4 5 0 6 2 o l s 。 蜀a e r n s l i 和t o r b l l a 认为。心墙内部的水平裂缝是蓄水过程中产生异常渗漏的原因，由于 心墙与相邻坝壳填料之l 日j 压缩性存在较大差异，拱效应使得心墙内部某些位置的总竖向 应力远远低于计算的自重应力，发生在这些位置的水力劈裂造成水平裂缝张丌所致。 另外，还有许多土石坝的异常渗漏与拱效应造成的水力劈裂有关，如美国的w i s t e r 坝和y a r d sc r e e k 坝【2 7 1 ，加拿大的m a n i c o u a g a n 坝【2 8 】，以及北京的西斋堂坝印1 等。 1 3 混凝土防渗墙、廊道对心墙坝的影响1 1 0 j 混凝十防渗墙是一种广泛应用的重要水工建筑物，它是在松散透水地基或土石坝中 8 第一章绪论 连续造孔成槽，以泥浆固壁浇注混凝土而建成的起除险作用的地下连续墙，是保证地基 稳定和大坝安全的重要措施。 自防渗墙问世以来，由于其建造速度快、安全可靠及经济性好等因素，逐渐取代了 早年多采用的覆盖层灌浆而成为深厚覆盖层防渗处理的重要手段，在水利水电工程建设 中被广泛采用。防渗墙技术在2 0 世纪5 0 年代起源于意大利，1 9 5 9 年传入日本，日本在 1 0 年内就建成了2 5 0 万m 2 的各种地下防渗墙。据不完全统计，国外已建成深度超过7 0 m 的防渗墙有9 道，超过1 0 0n l 深的有3 道。我国自1 9 5 8 年建成第一道防渗墙以来， 至今已经建成7 0 多道防渗墙，其中铜街子电站左深槽承重式防渗墙最大深度为7 3 4m ， 设计强度是8 2 5 m p a 。 防渗墙对地基稳定和大坝安全起着非常重要的作用，但是防渗墙是较为复杂的大型 隐蔽工程，施工周期长，难度大。在造孔过程中，因操作人员的素质及各种地层的特殊 情况等容易存在施工质量闯题；另外，混凝土防渗墙在荷载作用下，墙与周围坝基的变 形差异大，导致防渗墙内的应力集中。对于高土石坝如果在防渗墙顶部设置廊道，防渗 墙与廊道刚性连接，通过廊道传至墙的坝体应力很大，防渗墙可能被压裂破坏，损坏坝 基的防渗能力。坝越高、覆盖层越深厚该问题越突出。因此防渗墙既是大坝非常重要的 部分又是事故多发处，防渗墙一旦出现问题，就会导致坝体或者地基渗漏，危及大坝安 全。 河南省玉马水库工程位于河南省汝阳县马兰河上，控制流域面积1 6 0k m 2 ，总库容 5 3 7 0 万m 3 ，大坝为粘土斜墙砂卵石坝，最大坝高5 0m ，坝顶高程4 5 4m ，坝顶长2 6 7m 。 工程设计标准，5 0 年一遇洪水设计，5 0 0 年一遇洪水校核。工程于1 9 6 9 年5 月开工， 1 9 7 6 年6 月完工。水库于1 9 7 6 年建成后，1 9 7 7 年蓄水，至当年1 1 月蓄水至水位4 4 1 0 4 m 。1 9 7 8 年5 月，水位降到4 3 5 7m 时，发现上游坝坡出现塌坑。分析认为，这次塌坑 原因是由于防渗墙插入粘土斜墙深度只有8m ，同时粘土与墙体的接触面填筑不密实， 墙项因粘土沉陷应力集中，粘土挤压出现裂缝，可能穿通，因而渗流通过裂缝并沿着墙 壁接触面集中冲刷，以至穿通成洞穴。 廊道对大坝安全运行同样具有非常重要的作用。深覆盖层中防渗墙与土石坝防渗体 的连接往往是大坝防渗体系的关键因素，也是防渗体系的薄弱环节，对防渗墙的应力状 态和安全具有决定性影响，对土质防渗体底部的应力和防渗性能也有重要影响。许多心 9 f 海人学硕士学位论文 墙堆石坝工程都采用单墙廊道作为防渗墙与大坝防渗体的连接型式，因此一旦廊道出现 问题，坝体同样会出现渗漏危及大坝安全。 随着我国水利资源的迸一步开发，在西南地区将兴建一批具有深厚覆盖层的高土石 坝，防渗墙的深度将更大，墙体的应力将更高，如何做好在高坝、深厚覆盖层的条件下 保证防渗墙和廊道不被压坏能正常工作是今后工作中仍需要进一步研究解决的问题。 1 4 本课题研究的目的及意义 近年来心墙堆石坝在我国发展异常迅速，加强对心墙堆石坝的研究具有非常重要的 现实意义。大渡河上的瀑布沟水电站拦河大坝为砾石土直心墙堆石坝，坝基覆盖层防渗 采用帷幕灌浆和两道混凝土防渗墙联合防渗方案，上游墙作为副墙直接插入心墙内部， 下游墙通过廊道与心墙连接。为了延长心墙底部的渗径长度，心墙底部与基础接触处和 廊道周围及两侧要铺筑一层渗透系数较小的高塑性粘土。但粘土的变形模量很小，使心 墙垂直沉降变大，粘土愈厚，心墙沉降愈大，应力的“拱”效应作用愈明显，抗水力劈 裂能力也降低。但是，已有的计算成果表明一定厚度的粘土对改善混凝土防渗墙的应力 有很大的帮助。因此结合粘土厚度对心墙拱效应、防渗墙和廊道应力的影响以及其他方 面的要求，工程应该采用多少的粘土厚度，本文拟展开研究。此外，宝兴河上的硗碛水 电站拦河大坝同样为砾石土直心墙堆石坝，本文通过比较两工程心墙底部采用不同粘土 厚度时，心墙拱效应、混凝土防渗墙和廊道受力情况的不同，得出一些有益的结论，对 工程建设具有一定的指导意义，并为同类工程的建设提供一定的参考价值。 1 5 本课题的主要内容以及实现的技术路线 本课题首先归纳整理了国内外心墙堆石坝工程的发展历程以及我国现阶段心墙堆 石坝建设的新进展，其次总结了拱效应的研究现状及其和防渗墙、廊道分别对心墙坝的 影响，另外，文章简要介绍了本课题计算所采用的有限单元法及其基本原理，最后结合 四川大渡河上的瀑布沟和宝兴河上硗碛两座砾石土直心墙堆石坝的设计实例，研究了大 坝心墙底部不同高塑性粘土厚度对心墙拱效应、混凝土防渗墙和廊道应力的影响，并得 出些有益的结论。 本课题所要计算的方案比较多，总计要计算9 种方案，这么多的方案如果采用三维 计算程序在建模和计算过程中都需要相当多的时间，受于时| 丑j 限制论文计算拟采用成勘 院的平面有限元计算程序，计算模型采用双曲线邓肯一张e - z 模型。二维计算结果不 l o 第章绪论 能反映岸坡对坝体的约束作用，由于瀑布沟心墙堆石坝河谷狭窄，二维计算结果可能出 现差异，因此论文分别引用瀑靠沟、硗碛两座心墙堆石坝的已有三维计算成果，对二维 计算结论进行合理性验证，以论证平面有限元计算结果的合理性，增加平面计算所获得 结论的可信性。 河海人学硕士学位论文 第二章数值模拟分析方法 2 1 有限元法简介1 3 0 1 1 3 1 1 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 也称为有限单元法，是2 0 世纪6 0 年代 以来发展起来的求解复杂工程问题的一种近似数值解法，是计算机时代的产物，可以说 是作为数值模拟技术的最成功的方法。虽然有限元的概念早在2 0 世纪4 0 年代就有人提 出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有 限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，几乎在所有连续介质问题中，都可见到有 限元法。 有限元法的核心思想是结构的离散化，基本思想是运用离散的概念，把弹性连续体 划分为一组由若干数目有限且按一定方式相互连接在一起的单元组成的集合体。根据总 势能最小原理导出表示结点力和结点位移关系的单元刚度矩阵，然后将单元刚度矩阵叠 加起来，便形成该系统的总刚度矩阵；集成整个结构的综合等效结点荷载列阵后，求解 建立在整体刚度矩阵上的联立方程组，得到每个结点的位移，然后便可以确定每个单元 的应力和应变。这样一个问题的有限元分析，其实就是把一个连续的无限自由度的问题 变成离散的有限自由度问题。有限单元法总体主要包括：分析对象的前处理部分，有限 元求解的主处理部分以及分析计算结果的后处理部分。 有限元法有诸多优点： ( 1 ) 概念浅显，容易掌握。可在不同的水平上建立起对该法的理解，可以通过非 常直观的物理概念来理解，也可以建立基于严格数学分析的理论。 ( 2 ) 适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。 ( 3 ) 采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可充分利用高速计算机所提供的 方便。 有限元法分析问题的基本步骤： ( 1 ) 结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元 体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集 合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求 和计算机的容量来决定。 第二章数值模拟分析方法 ( 2 ) 选择位移插值函数。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在 分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假设，即假定位移是坐标的某 种简单的函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键，通常采用多项式作为 位移函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性。利用几何方程、本构方程和变分原理最终得到单元刚 度矩阵。 ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将各个单元刚度矩 阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。 ( 5 ) 由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。 2 2 有限单元法的基本原理【3 1 1 1 3 2 1 经过若干年的发展和完善，有限单元法由最初的二维有限元分析发展到现在的三维 有限元分析，二维有限元主要采用四节点单元，而三维有限元分析主要采用八节点六面 体单元和六节点五面体单元，本节主要介绍三维有限元分析，并以8 节点空间等参单元为 例进行力学分析。 2 2 1 空间等参单元的位移模式及坐标变换式 三维有限元中，八节点六面体单元的单元模式如图2 - 1 所示： 位移模式： 7 5 3 哇 2 6 图2 - 1 八节点六面体单元 888 “= v = m v w = y ，w ，( 2 1 )