拱坝坝基下残留强风化岩层处理措施及计算方法研究.doc

拱坝坝基下残留强风化岩层处理措施及计算方法研究拱坝坝基下残留强风化岩层处理措施及计算方法研究舒仲英，张镭漓，曾兼权（四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）摘要：拱坝坝基处理不当会导致拱坝坝身开裂。本文以重庆市下涧口拱坝坝基残留强风化岩层引起坝身开裂为例，采用三维非线性有限元法，分析研究了处理坝基的两种措施，并用基面荷载倍比放大法和强降法计算分析了经过处理后地基的安全储备。论证了措施的科学合理性，不仅解决了该工程的病害问题，还可以为类似工程提供经验和参考。关键词：开裂；下涧口拱坝；强风化岩层；非线性有限元；处理措施Research of Disposal methods and calculational measure in remnantstrongmantlerock under the foundation of arch damShu Zhong-ying, Zhang Lei-li，Zeng Jian-quan（School of resource and hydropower, Sichuan Uni.,Chengdu 610065,China）Abstract：Improper disposal of arch dam foundation will induce crack of dam. The paper introduces that the remnant strongmantlerock under the foundation result in crack of Chongqing Xiajiankou arch dam. The paper uses the method of 3-D nonlinear finite element，analyses and researches two methods of disposal foundation. It educes security storage of engineering with loadmagnifying method and intensitydecreasing method. It proves that methods are scientific and rational. It not only solves problem of this engineering, but also provides experience and reference to similar projects.Key words：crack； Xiajiankou arch dam； strongmantlerock；nonlinear finite；disposal methods1综述良好的拱坝坝基应岩体完整均一，透水性小，并具有足够的抗变形和承载能力。事实上,很多拱坝的坝基均不同程度地受到地质构造和自然环境等的影响往往很难完全满足上述要求，局部地质不良常存在软弱夹层、断层和裂隙发育带、以及强风化带情况，如果这些疵病处理不当，就会引起拱坝的开裂 1。2实例重庆市巴南区下涧口水库拱坝，其最大坝高仅为23.50m，属于低坝。原拱坝基础开挖极不彻底，除拱坝36m长底部基础挖到比较坚硬的岩石外，其余大部分底部基础均坐落在强风化层的泥岩和砂岩之上，在左重力墩和副坝之间出现竖向裂缝,因此本工程最严重的问题就是基岩软化导致坝基承载力不足，局部变形过大，引起拱坝开裂。在处理这个问题时，应着重考虑局部的影响，找出问题的关键所在，进行加固处理。经过计算研究，我们发现在下涧口拱坝坝身出现一条微小裂缝的同时，其左岸下游坝基正好出现了小部分塑性区。因而可断定这两者之间是有联系的。坝基面塑性区增大以致变形过大，就会导致上部坝身开裂，所以我们需找到塑性区扩大部位，并找出加固加宽的部位，对之进行处理，以达到整治目的。本文主要是采用三维非线性有限元法，用ANSYS大型通用计算软件2模拟出下涧口工程的具体情况，通过其强大的后处理功能，得出坝基的变位、应力以及应变等值，用DrukerPrager强度准则3来判断坝基在处理前后塑性破坏区范围、区域以及大小的变化。通过处理前后地基变位、应力应变以及塑性区的大小对比分析和研究，得出处理后强风化岩层地基承载力增强，变形减小，其稳定性得到提高的结论。3 坝基强风化岩层处理措施3.1灌浆 4本工程的主要地质问题是部分坝体和重力墩坐落在强风化岩层基础上，2005年2月在坝轴线ZK5、ZK6、ZK7三个钻孔作灌浆前后超声波测试。测试结果表明：右重力墩ZK5钻孔强风化泥质粉砂岩灌浆前波速为21902913m/s，平均值为2522m/s，灌浆后波速为27783261m/s，平均值为3050m/s，比灌浆前提高21%；弱风化岩体灌浆前波速为20983448m/s，平均值为2928m/s，灌浆后波速为21283529m/s，平均值为3114m/s，比灌浆前提高6%。拱冠河床ZK6钻孔弱风化泥岩灌浆前波速为22392804m/s，平均值为2450m/s，灌浆后波速为27273571m/s，平均值为3107m/s，比灌浆前提高27%。左重力墩ZK7钻孔强风化泥岩灌浆前波速为21583333 m/s，平均值为2597m/s，灌浆后波速为28573158m/s，平均值为2973m/s，比灌浆前提高14%；弱风化泥岩灌浆前波速为23262970m/s，平均值为2669m/s，灌浆后波速为24193448m/s，平均值为2857m/s，比灌浆前提高7%。综上所述，可以看出：强风化岩体灌浆后波速比灌浆前提高1421%，裂隙被浆液充填固结，完整性提高，强风化岩石在灌浆后波速接近3000 m/s，已进入中等风化范畴，情况大有改善；弱风化岩体灌浆后一般提高67%，也有一定效果。总体说来灌浆效果较好。说明本工程的强风化岩层是可以通过灌浆来提高弹模和承载力的，故提出第一个坝基处理措施-灌浆。3.2 混凝土板封闭法根据材料力学岩石三轴试验理论可知5，岩体三向受力时可提高其强度极限。我们可以根据这个原理将强风化岩层用C15混凝土板封闭其上下游，并用土回填夯实基坑，使地基岩体承受一定的围压，不仅可提高其破损强度，还可减缓进一步风化。这也是本工程中处理坝基强风化岩层另一个措施。具体做法见图1及图2。图1 C15混凝土板封闭法示意图Fig.1 Sketch of concrete occluded measure 3.3计算工况图2 C15混凝土板封闭法横断面图Fig.2 Transverse section of concrete occluded measure 本文所要研究和讨论的重点对象是坝基，所以对坝不多做研究，只将基面应力作为荷载计算分析坝基应力应变情况，对比DP模型作出判断。在大坝实际运行时，正常蓄水位工况下，左重力墩处出现了一条宽度约为0.2mm的小裂缝，可以看成是该拱坝开裂的临界状况，所以本文将正常蓄水位工况下地基变位和塑性区大小作为比较基准，变形与塑性区若继续加大，则裂缝会加宽或条数增加。只要地基加固后变位和塑性区不继续加大，进一步开裂即可避免。本论文对处理前、实施灌浆后、用C15混凝土板封闭以及两种措施结合这几种情况进行了计算，通过对比处理前后坝体及坝基位移、应力的差异，评价所采用的处理措施的有效性。4 计算结果分析表1给出了在正常水位下处理前、实施灌浆后、用C15混凝土板封闭及灌浆和混凝土板封闭相结合的计算结果。表1 坝基计算结果表Tab.1 Result of foundation 工况处理前实施灌浆用C15混凝土封闭两种措施结合铅直位移（mm）2.231.87（84）1.92（86）1.25（56）顺河向位移（mm）2.762.53（92）2.62（95）2.13（77）第一主应力（Mp）0.2560.251（98）0.254（99）0.217（85）第三主应力（Mp）0.0690.062（90）0.066（95）0.052（75）注：括号内的数据是较处理前的百分比。5 处理措施的安全储备评定方法 现在流行的超载系数法指的是在坝的上游成倍地增加水荷载，算出其坝下塑性区范围的大小。当坝基塑性区很大时，即判为破坏，对应的水荷载倍数即为超载倍数6。此法在应用于新建工程整体稳定分析时范围很广，但对于已成工程除险加固处理设计时，存在以下问题： 只增加水荷载不增加温度荷载以及自重会导致坝下应力场形态与实际情况严重不相似，以至于可能导致误判加固部位。 事实上，对中小型拱坝而言，温度荷载超载的可能性有可能大于（至少是不小于）水荷载的超载。 为此，我们在本文中没有使用传统的水荷载超载法，而是采用以下两种方法： 5.1基面荷载倍比放大法 即将原坝地基可能出现的最大基面荷载作为基准，先求出其最大塑性区及应变值，再按比例放大所有荷载（相当于同比例放大水荷载、温度荷载以及自重荷载），推求在经过加固处理以后产生的塑性区和变位等情况与未加固前相比，以判断加固部位的正确性和加固措施的有效性。具体值见表2。表2 荷载增大后的地基应变值 Tab.2 Strain of foundation with load increasing工况 倍数1.52.034.5 5.0正常水位0.01690.03790.07020.311 0.457校核水位0.04580.09130.2170.512 注：表中计算结果数据x10-3才为最后结果。图3给出了正常水位与校核水位工况下基面荷载增加倍数与坝基塑性应变值关系图。图3基面荷载增加倍数与坝基塑性应变值关系图Fig.3 Increased multiple of foundation load and plastic stain relation从图中可以看出，基面荷载为校核洪水位工况应力的3.94倍时，坝基出现的塑性破坏区的最大应变值相当于控制点值；基面荷载为正常水位工况应力的4.85倍时，坝基出现的塑性破坏区其最大应变值相当于控制点值；坝基出现的变形与加固前的变形相当。以上结果说明经过上述措施处理后，坝基的局部变形减小，安全储备相当大。5.2强降法6 由于实际情况中荷载的增加倍数不可能那么大，出现的几率也不大。而本工程具体情况是坝基处于强风化岩层下，在坝的使用寿命期内，其强度下降发生的几率较大，所以同时用强降法对处理措施作安全储备评定。其方法是：将坝基的强度参数按比例地下降6。具体值见表3。表3强度下降后的地基应变值 Tab.3 Strain of foundation with intensity decreasing工况 倍数 0.90.80.7 0.6 0.5 0.4 正常水位0.0050.0830.175 0.253 0.326 0.431校核水位0.0420.1940.251 0.356 0.468 注：表中计算结果数据x10-3才为最后结果。图4给出了在采用前述加固措施后，正常水位与校核水位工况下强度下降倍数与坝基塑性应变值关系图。图4强度下降倍数与坝基塑性应变值关系图Fig.4 Descended multiple of foundation intensity and plastic stain relation 从图中可以看出，在同等强度参数下降倍数时，在校核水位工况的基面荷载作用下，强度下降倍数Kc0.552时，坝基出现的塑性破坏区其最大应变值相当于控制点值；在正常水位工况的基面荷载作用下，地基强度下降倍数Kc0.418时，坝基出现的塑性破坏区其最大应变值相当于控制点值；坝基出现的变形与加固前的变形相当。说明由强降法计算的安全储备很大，同样充分地说明了处理措施的正确合理性。6对比分析前面已经给出了地基在经过处理措施前后的计算结果以及安全储备分析。现在对以下两种情况作进一步的对比分析。有外封混凝土处理同时考虑坝基强参数下降情况与无外封混凝土情况作对比前种情况即指在经过混凝土封闭处理措施后，考虑坝基强度下降而混凝土参数不变的情况。后种情况即指没有经过任何处理措施的原始状态。从前面的计算结果可以看出，即使坝基强度参数下降，但是由于有了封闭混凝土的作用，使得地基稳定性得到很大的增强，所以地基塑性区比原始状态地基塑性区小很多。说明封闭混凝土起到了较好的作用。适当加厚外封闭混凝土板厚度与混凝土板厚为1.0m时作对比本文中我们处理地基的封闭混凝土板厚为1.0m，现在讨论混凝土板厚由1.0m加宽到1.5m时的情况。表4给出了两种情况计算结果。表4板厚为1.0m和板厚为1.5m结果对比Tab.4 Result contrast to 1 meter thick and 1.5 meter thick铅直位移（mm）顺河向位移（mm）第一主应力（MPa）第三主应力（MPa）应变值（x10-3）板厚1.0m1.922.620.2540.0660.292板厚1.5m1.902.590.2530.0650.288从表中可以看出，板厚为1.5m其计算结果值比板厚为1.0m时的值只略有减小。说明板厚继续增加，并没有取得显著的效果，而且前面的计算结果也已说明混凝土板为1.0m厚能达到工程整治要求，所以无需再加厚。基面荷载倍比放大法和强降法的对比分析两种计算方法均用于对处理措施作安全储备评定的。事实上，基面荷载倍比放大法较适用于基础灌浆后地基承载力增加的计算分析，若只用基面荷载倍比放大法，会过分强调灌浆的作用；而强降法较适用于经加固处理后的基础由于综合荷载的作用、时间的影响基础承载力下降的计算分析，若只用强降法则会过分强调混凝土封闭板的作用。只有将两种分析方法一起使用，才不会顾此失彼，才能更好地对两种处理措施做出正确的评价。7结论本文的主要内容是对坝基下残留强风化岩层的处理措施进行研究，得出措施的可行性结论。现就上述结果做一小结。通过变位、应力以及应变的对比分析可以知道，两种处理措施都是可靠可行的。1、灌浆法是将浆液灌入岩体空隙内，从内部改变了岩体的性质，使得岩体的弹模、泊松比以及内摩擦角和凝聚力都增大，使得整个坝基的整体性得到增强，但是其要求的施工工序十分严格，不确定因素（如钻孔大小、位置、深度、灌浆压力等等）较多。2、用C15混凝土封闭改变了坝基材料的外部条件即被封闭材料的受力状态，从单向受力变为多向受力，在一定程度上提高了岩体的强度极限；且还有防止地基进一步风化之效果。但却不能从根本上改变地基的性质。 从表