深厚覆盖层上高面板堆石坝新型结构应力变形性状影响因素研究

1、潘家军潘家军水利部岩土力学与工程重点实验室水利部岩土力学与工程重点实验室长江水利委员会长江科学院长江水利委员会长江科学院2015. 7. 20汇汇 报报 提提 纲纲一、研究背景与意义一、研究背景与意义二、计算模型及计算参数二、计算模型及计算参数三、盖板长度对大坝应力变形性状的影响三、盖板长度对大坝应力变形性状的影响四、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响四、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响五、结论五、结论1、研究背景与意义、研究背景与意义攀枝花攀枝花宜宾宜宾乐山乐山二滩电站二滩电站金沙江金沙江金金沙沙江江岷岷江江大大渡渡河河长江长江雅雅砻砻江江YibingPanzhihuaLeshang成成都

2、都 昆昆明明宜宜宾宾大大理理乐乐山山攀枝攀枝花花丽丽江江澜澜沧沧江江金金沙沙江江雅雅砻砻江江大大渡渡河河岷岷 江江白鹤滩糯扎渡乌东德金沙江干流：乌东德、塔城、其宗金沙江干流：乌东德、塔城、其宗雅砻江干流：两河口、牙根雅砻江干流：两河口、牙根大渡河干流：双江口、长河坝、瀑布沟大渡河干流：双江口、长河坝、瀑布沟澜沧江干流：糯扎渡、如美、古水澜沧江干流：糯扎渡、如美、古水怒江中下游：松塔、鹿马登怒江中下游：松塔、鹿马登坝高坝高136m覆盖层厚覆盖层厚90m狮子狮子坪坪瀑布瀑布沟沟坝高坝高186m覆盖层厚覆盖层厚75m糯扎糯扎渡渡坝高坝高261.5m覆盖层全开挖覆盖层全开挖双江双江口口坝高坝高314m

3、覆盖层厚覆盖层厚6080m全部挖除全部挖除1、研究背景与意义、研究背景与意义九甸九甸峡峡坝高坝高136m覆盖层厚覆盖层厚56m察汗乌苏察汗乌苏坝高坝高107.5m覆盖层厚覆盖层厚47m1、研究背景与意义、研究背景与意义q 随着我国西部水电开发进程的深入，不可避免地会遇随着我国西部水电开发进程的深入，不可避免地会遇到深厚覆盖层上的建坝问题，面临覆盖层开挖与保留到深厚覆盖层上的建坝问题，面临覆盖层开挖与保留问题问题 大开挖方案：直接大开挖方案：直接将心墙坝的防渗心将心墙坝的防渗心墙或面板坝的趾板墙或面板坝的趾板建造在基岩上建造在基岩上 开挖回填工程量大 工期长 施工期间的排水困难 弃碴占地多且污染

4、环境1、研究背景与意义、研究背景与意义 保留方案：直接将保留方案：直接将心墙坝的防渗心墙心墙坝的防渗心墙或面板坝的趾板建或面板坝的趾板建造在覆盖层上造在覆盖层上廊道尺寸较小，一般仅允许在廊道里面进行帷幕灌浆，不能在廊道里面施工防渗墙，必须先施工完防渗墙再填筑坝体。无法调整防渗墙的施工顺序，制约工期覆盖层超百米，坝高超150m，坝基变形量大、防渗墙应力高，对防渗结构要求高，难以接受，尚无工程经验1、研究背景与意义、研究背景与意义深厚覆盖层上直接建设高坝对策深厚覆盖层上直接建设高坝对策q 心墙坝心墙坝：直接在覆盖层上建：直接在覆盖层上建“混凝土盖板混凝土盖板”，混凝土盖板中设置，混凝土盖板中设置大

5、型廊道，可以在大型廊道中施工修建防渗墙，由覆盖层中的防大型廊道，可以在大型廊道中施工修建防渗墙，由覆盖层中的防渗墙、混凝土盖板及以上的坝体形成完整的防渗体系。渗墙、混凝土盖板及以上的坝体形成完整的防渗体系。1、研究背景与意义、研究背景与意义深厚覆盖层上直接建设高坝对策深厚覆盖层上直接建设高坝对策q 面板坝面板坝：在覆盖层上浇筑一层混凝土盖板：在覆盖层上浇筑一层混凝土盖板1、研究背景与意义、研究背景与意义2 2、计算模型及计算参数、计算模型及计算参数q 计算模型计算模型依托我国西南地区金沙江拟建的某高土石坝工程，最大坝高218m河床覆盖层厚77m100m，主要为砂砾卵石和漂石，自上而下依次为、河

6、床覆盖层内设两道混凝土防渗墙，防渗墙厚1.6m，深入基岩1m坝体和覆盖层的本构模型采用邓肯E-B模型剖分单元数为2170个，节点数为2457个计算中面板、盖板、防渗墙采用线弹性模型，面板与垫层、防渗墙与覆盖层、盖板与坝体及覆盖层之间设置无厚度Goodman单元模拟接触面特性计算仿真模拟坝体施工、蓄水全过程2 2、计算模型及计算参数、计算模型及计算参数q 计算参数计算参数材材 料料干密度干密度(t/m3)()()C(kPa)RfknKurKbm主堆石料主堆石料2.2247.8600.8916000.2932005750.38次堆石料次堆石料2.2246.75.700.8914500.273000

7、5300.30过渡层料过渡层料2.1042.73.800.799000.3218004500.24垫层料垫层料2.1538.7000.749860.3618003800.32覆盖层覆盖层2.1848.77.200.859000.4718004580.23覆盖层覆盖层1.6432.60380.883700.237501100.27覆盖层覆盖层2.2352.09.500.8613000.2726007750.13接触面接触面/11/150.7415000.66/2 2、计算模型及计算参数、计算模型及计算参数q 计算方案计算方案方案方案方案方案编号编号方案方案盖板长度盖板长度盖板分缝盖板分缝覆盖层覆

8、盖层加固区模量加固区模量基本方案基本方案1 1基本方案基本方案盖板长盖板长0.5倍坝底宽倍坝底宽无分缝无分缝无加固无加固,模量不模量不变变盖板长度盖板长度比较方案比较方案1-11-1比较方案比较方案无盖板无盖板1-21-2盖板长盖板长0.25底宽底宽1-31-3盖板长盖板长0.75底宽底宽盖板分缝盖板分缝比较方案比较方案2-12-1比较方案比较方案盖板长盖板长0.5倍坝底宽倍坝底宽盖板盖板2等份分缝等份分缝2-22-2盖板盖板3等份分缝等份分缝覆盖层加覆盖层加固比较方固比较方案案3-13-1基本方案基本方案盖板长盖板长0.5倍坝底宽倍坝底宽无分缝无分缝模量提高模量提高1倍倍3-23-2比较方案

9、比较方案模量提高模量提高2倍倍3 3、盖板长度对大坝应力变形性状的影响、盖板长度对大坝应力变形性状的影响方案方案号号方案内容方案内容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)竖向竖向位移位移(cm)大主应力大主应力(MPa)小主应小主应力力(MPa)水平位移水平位移(cm)竖向位竖向位移移(cm)大主应力大主应力(MPa)小主应力小主应力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游1盖板盖板L=0.5D78.773.53675.621.429.21823936.061.481-1盖板盖板L=0.0D76.972.83745.591.423.92023966.001.481-

10、2盖板盖板L=0.25D80.073.73735.591.4301923946.001.481-3盖板盖板L=0.75D78.475.73645.61.4129.41754006.061.48盖板长度对坝体应力、变形的影响盖板长度对坝体应力、变形的影响 无论是竣工期还是蓄水期，坝基盖板长度对坝体竖向位移和主应力大小影响均很小 坝体水平位移随盖板长度的增大而减小，当盖板长度从0增大到3/4顺河向坝底宽度时，水平位移最大值从202cm减小至175cm，表明盖板对控制坝体变形有一定作用3 3、盖板长度对大坝应力变形性状的影响、盖板长度对大坝应力变形性状的影响盖板长度对面板应力、变形的影响盖板长度对面

11、板应力、变形的影响 蓄水期面板位移和应力随盖板长度的增大而减小，但总体上坝基盖板长度对面板位移和应力大小影响均较小方案号方案号方案内容方案内容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)顺坡向压应力顺坡向压应力(MPa)顺坡向拉应力顺坡向拉应力(MPa)1盖板盖板L=0.5D129.7810.532.841-1盖板盖板L=0.0D134.5014.362.901-2盖板盖板L=0.25D134.4211.702.471-3盖板盖板L=0.75D124.7810.392.553 3、盖板长度对大坝应力变形性状的影响、盖板长度对大坝应力变形性状的影响 盖板的长度对竣工期防渗墙的变形影响很小，但在蓄水期，防

12、渗墙向下游的水平位移随盖板长度的增加而减小，当盖板长度从无到逐步增大到3/4坝底宽度时，防渗墙的弯曲挠度从1.91%减小到1.62%，防渗墙竖向压缩变形随盖板宽度的增加而略有增大 在坝基面增设混凝土盖板对防渗墙应力变形沿高程分布规律无影响 防渗墙大主应力以覆盖层中间软弱夹层为分界，下段大主应力随盖板宽度的增大而略有增大，上段变化值则相对较小4 4、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响 坝基覆盖层灌浆加固使其模量提高后，坝体变形随加固区模量的增大而减小、主应力随加固区模量的增大变化较小。 加固区模量增大时，坝体向上游水平位移减小50.7%63.7%，向下游水平位

13、移则增大5.06.9%，坝体沉降减小10.9%12.5%；蓄水期坝体向上游水平位移减小27.4%51.1%，向下游水平位移减小20.95%27.5%，坝体沉降减小12.2%13.7%方案方案号号方案内容方案内容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)竖向竖向位移位移(cm)大主应力大主应力(MPa)小主应小主应力力(MPa)水平位移水平位移(cm)竖向位竖向位移移(cm)大主应力大主应力(MPa)小主应小主应力力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游3不加固不加固78.773.53775.621.429.21823936.061.483-1模量提高模量提高1倍倍38

14、.877.23366.191.4821.21443456.871.663-2模量提高模量提高2倍倍28.678.63306.391.5114.31323396.751.72覆盖层加固对大坝应力、变形的影响覆盖层加固对大坝应力、变形的影响4 4、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响 面板位移随覆盖层加固区模量的增大而减小，当模量提高1倍和2倍时，法向位移分别减小20.4%和27.1% 盖板下覆盖层经灌浆加固后，面板应力随覆盖层加固区模量的增大而减小，当模量提高1倍和2倍时，顺坡向压应力分别减小41.1%和51.4%，顺坡向拉应力分别减小17.3%和34.9%覆盖

15、层加固对大坝应力、变形的影响覆盖层加固对大坝应力、变形的影响方案号方案号方案内容方案内容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)顺坡向压应力顺坡向压应力(MPa)顺坡向拉应力顺坡向拉应力(MPa)3不加固不加固129.7810.532.843-1模量提高模量提高1倍倍103.286.192.353-2模量提高模量提高2倍倍94.575.111.854 4、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响 面板位移随覆盖层加固区模量的增大而减小，当模量提高1倍和2倍时，法向位移分别减小20.4%和27.1% 盖板下覆盖层经灌浆加固后，面板应力随覆盖层加固区模量的增大而减小，当模

16、量提高1倍和2倍时，顺坡向压应力分别减小41.1%和51.4%，顺坡向拉应力分别减小17.3%和34.9%覆盖层加固对大坝应力、变形的影响覆盖层加固对大坝应力、变形的影响方案号方案号方案内容方案内容蓄水期蓄水期法向位移法向位移(cm)顺坡向压应力顺坡向压应力(MPa)顺坡向拉应力顺坡向拉应力(MPa)3不加固不加固129.7810.532.843-1模量提高模量提高1倍倍103.286.192.353-2模量提高模量提高2倍倍94.575.111.854 4、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响、覆盖层加固对大坝应力变形性状的影响 防渗墙变形随覆盖层模量的提高而减小。竣工期防渗墙向上游水平位移减

17、小32.9%47.9%，向下游水平位移则增大5.9%，防渗墙竖向位移减小21.9%35.9%，墙体弯曲挠度从1.65%减小至0.94%；蓄水期防渗墙水平位移减小29.0%37.6%，竖向位移减小58.6%69.5%。 防渗墙主应力随覆盖层模量的提高而减小。竣工期防渗墙大主应力减小21.5%36.9%，小主应力减小6.8%7.5%；蓄水期防渗墙主应力随覆盖层模量提高而减小的比例与竣工期基本相同。可见，覆盖层模量提高能有较为有效的约束防渗墙墙体变形，改善墙体应力状态覆盖层加固对防渗墙应力、变形的影响覆盖层加固对防渗墙应力、变形的影响方案方案号号方案内容方案内容竣工期竣工期蓄水期蓄水期水平位移水平位移(cm)竖向竖向位移位移(cm)大主应大主应力力(MPa)小主应小主应力力(MPa)水平位移水平位移(cm)竖向位竖向位移移(cm)大主应力大主应力(MPa)小主应力小主应力(MPa)向上向上游游向下向下游游向上向上游游向下向下游游3不加固不加固36.51.76.48.971.570140.829.223.633.943-1模量提高模量提高1倍倍24.51.857.041.47099.912.118.363.903-2模量提高模量提高2倍倍191.84.15.661.45087.98.915.093.755、结论与建议、结论与建议 坝基增设混凝土