水库坝肩稳定

1主要工程问题及研究对策xx水电站位于四川省xx境内，是xx四级开发利用中最上游一级。电站装机容量4．8万kW，年发电量2．06亿kW&midd0t;h，水库总库容8．3亿m3，可对天然来流量作多年调节。主要水工建筑物由混凝土挡墙堆石坝、溢洪道、有压引水系统及电站厂房组成。溢洪道位于堆石坝左端条形山脊天然垭口，总宽112．0m，设计最大泄洪能力49l0．0m3／s，从溢流坝至挑水坎总长358．0m，其中，首段为重力式混凝土溢流坝，共分5个坝段，坝段长22．0-23．0m，闸墩宽4．0m，在闸墩中心线分沉陷缝，建基面高程从1号至5号坝段为326．5—318．0m，溢流堰顶高程340．0m，坝顶高程350．0m，最大坝高32，0m，溢流坝上设置7．0m×18．0m(高×宽)弧形闸门5孔。中段为泄水陡槽，长322．5m，平均坡降4．95％，末端为混凝土低鼻坎矩形差动式挑水坎。xx水电站于l957年3月全部建成，至今已安全运行41年。在多年运行期间，水库最低蓄水位325．09m，较死水位低3．14m，最高运行水位347．58m，较正常高水位高0．85m，溢洪道实际下泄最大流量1750m3／s，仅达设计泄洪能力的35．6％，溢洪道各建筑物还未经受设计最大泄流量考验，同时，经过多年蓄水运行，溢洪道相继出现一些影响安全运行的工程问题，主要包括：(1)溢流坝上游铺盖被淘空。原设计溢流坝上游铺盖为1：4坡度的粘土铺盖，表面再铺块石保护，施工时作了修改，铺盖粘土只回填至330．0m高程，330．0m高程以上改用废渣回填，经过多次泄洪，下泄水流将回填废渣及330．0m高程以下的粘土大量带走，铺盖大部分已失去保护，溢流坝前沿基础已经暴露在外，致使渗径缩短，增加了帐幕前坝基渗透压力，并可能拉裂帐幕，影响溢流坝体的整体安全。(2)溢流坝稳定安全参数偏低。由于溢流坝基础大部分位于薄层砂岩上，砂岩厚度一般为3．0—4．0m，以下为砂质粘土与砂岩互层，岩性变化大，节理裂隙发育，问有风化破碎带，在砂质粘土岩中分布有埋深较浅，产状近于水平且连通性较好的G4、G5软弱夹层，其中建基面以下8．0m的G5夹层分布于整个溢流坝基。原设计根据竣工资料，对1号一5号坝段在校核洪水条件下的稳定性进行复核，1号一3号坝段抗滑稳定安全参数Kc为1．0—1．08，4号坝段为0．91，5号坝段为0．94，由此可见4号、5号坝段的Kc值不能满足现行规范要求。为客观评价4号、5号坝段的稳定安全性，设计上建议在稳定分析中考虑尾部岩体的抗剪作用，这种计入尾部岩体抗力的分析方法是合理的，但对4号、5号坝段稳定安全参数量值上的变化设计上未作详细说明。(3)溢流坝普遍出现贯穿性裂缝。据xx溢洪道运行总结报告介绍，溢流坝体出现的贯穿性裂缝可分为三类：第一类是遗留的施工冷缝；第二类是由于混凝土浇筑过程中未采取严格温控措施和拆模过早等因素形成的，先期(末蓄水发电前)裂缝；第三类则是在多年运行期间，由于坝面温度随外界气温变化所产生并逐步演变形成的。上述三类贯穿性裂缝的形成原因，以及对坝体安全性的影响程度，是工程上所关心的问题。针对xx电站溢洪道所存在的上述三个主要问题，结合溢洪道多年的运行与安全监测资料，以及1990年xx水电站大坝安全定检时所修定的最新地质水文成果，运用三维弹塑性有限方法，以上游铺盖、溢流坝及下游护坦和坝基岩体作为计算整体，对溢流坝体的变位与应力特征，以及上述(1)、(2)因素对坝体稳定性的影响进行定量分析评价，给出xx电站溢流坝现今与进行工程处理后所具有的整体安全储备，同时，还对溢流坝出现贯穿性裂缝的原因及其影响作了初步分析。2有限元数学模型及计算方法2．1有限元计算范围及结构离散选取最大坝高，抗滑稳定安全参数最低的4号坝段作为分析对象，并沿上下游及坝基方向延伸一定范围构成三维计算域，其中：垂直水流方向(Y向)：溢流坝1+81．3l—溢流坝l+103．31m；平行水流方向(X向)：0-30．00-0+80．00m：垂直方向(Z向)：建基面以下32．0m至坝顶，绝对高程290.0—350．0m，相对高差60．0m。该区域包括4号坝段左右闸墩，溢流坝体、上游前坦30．0m与下游护坦50．0m，以及坝基以下薄层砂岩、砂质粘土岩互层与软弱破碎带G5。根据溢流坝受力特点及坝基地层分布界面，对计算域进行剖分，其中坝体和护坦混凝土结构，以及坝基岩体采用空间8节点等参元模拟，G5软弱夹层以8节点夹层单元模拟，为反映坝体与坝基岩体接触面相对剪切变形，该接触面用接触界面单元模拟。2．2材料物理力学参数殿参考原设侦计采用材料物宾理力学参数，笋并结秘合糟199狂0促年动xx港水电站溢洪道石坝基岩石力学祥试验成果，本鞋次有限元分析饰计算选用材料序参数见巨表跌l却。予表置1耗盗材料物理力学悉参数表牛材料名称轨密度妈抗压强度身抗拉强度巷抗剪断强度除抗剪强度祖变形模量职f'窑c'脂f厚c泪E俩μ售/t·m看-3椒／塔MPa篮／再MPa郑／哲MPa恼／抓MPa期／症GPa忙混凝土扯2.35酸11.0盗1.0摸1.05锤0.90鼠0.70量0.0往12.0陪0.18停砂岩亮2.40薪65.9角3.03梳1.34本0.70斩0.65姓0.0充8.0俱0.20洋砂质粘土岩逆2.52总22.8跟1.11么0.77缴0.50惕0.60损0.0童2.5角0.25循混凝土／砂岩鸭

泰

拜0.0住1.05杰0.9颂0.65霉0.0滨

情

壶G5积2.20幼0.0牌

露0.47串0.12等0.36蓝0.0序0.2律0.35圣吉越2替．踢3凉刘荷载及其组合截本文有限束元分析考虑两绿种荷载组合：援基本荷载组合牌：糊岩体自帮重狂+祖坝体自表重犹+炉正常水融载惠=流泥沙压锤力谷+护扬压力滚特殊荷载关组合：岩体自型重唐+填坝体自族重顷+聋校核水己载球+漫泥沙压臣力倦+击扬压力陈其中水载符及泥沙压力基震本参数为：暂水库正常蓄水六位：宵34歼7刃．昂0m仇水库校核洪水控位：奉34协9雹．船0m潜淤沙高程：霉34吉0摆．它0m咱泥沙密度：仇0绍．前5庙t拴／易m勺3锹内摩擦角：铜θ泳。蚊工作桥每抓孔自旱重宗10贱1艳．浓0渗t瓜，交通桥每孔置自瞧重信1虚4跌．疫21刮t恋，闸门自淘重钱5伐0斑．慢5呜t种，均以均布力变作用于左右闸变墩上，工作桥晨与交通桥面活谋荷重作为安全脉储备，略去不脸计。据岩体自重症在地质历史时芹期已形成，是屑一种环境力场身，坝体自重在堆坝体完建后业琴已形成，是一街种初始力场，么有限元分析中勇只计入两者形荒成的自重应力术。嚼考虑到溢段流坝上游铺盖旺已淘至坝基混论凝土齿墙，坝轮基灌浆帐幕前条渗透压力友按洽1惰．贿0筝倍痒H欠计，帷幕线及跃排水孔线位置菠渗透压力水头杰折减系数按设瓦计规范取别为磨0静．划5折与维0桨．孤3猛，下游坝趾处荒渗透水头参考妇扬压力实测资胀料取酿为免0均．蹦2剪5举倍别H粘。露睡抄2层．燕4阵科岩体强度及本脾构模型侍在外荷载罢组合作用下，胳溢流坝及坝基曲岩体应力集中志或材料强度较略低的部位首先释出现开裂或塑巩性破坏，由此廊将引起这些部忘位承载能力下植降，超过其承学载能力的部分规荷投载返(冷超余应李力斧)齐将转移至附近创坝体或岩体单搏元，进而可能申引起附近单元袖破坏。因此，沫溢流坝及坝基但岩体的变位、萄应力及破坏是渣不断调整最终绕趋于稳卷定浴(肤收员敛斑)扩的渐进过程，残非线性弹塑性士有限元法能较州好地模拟分析哥这一客观过程就。恢溢流坝混艘凝土及坝基岩云体材料开裂条役件用宏观强度泥描述：章σ辟i尚i垫≥番Rt(辆i罗＝孝1阻，赏2更，压3)(血2熔．震1)衣式灯中忆若σ披i梳i视吨代表应力特舌征点殿的挡3唯个主应力，以劝拉为正欺；召R战t地表示混凝土或率岩体材料抗拉库强度，分析中弊可能呈现单向半，双向及三向背开裂情况，由软程序自行校核锐并进行刚度修呀正。场坝体混凝雾土或岩体是否悉进入塑性状态赏，敬按催Drucke扣r骑—将Parge磨r燥准则判别：考F诸＝仁α阴I1娱+倘√献J2-k(勇2遭．恩2)赢式窜中桃I设1匀和拍J萌2还分别为应力张值量的第一不变庭量和应力偏张浅量的第二不变地量蚁；企α息、讲k泄是与材料摩擦耻系悔数不t祥g喇φ裳和凝聚脉力助C也有关的常数。浴据关联流业动法则导出材柔料的弹塑性本党构阵：糖坝体建基精面及坝厚基团G而5寇软弱错动带，投按层面法向不拦抗拉材料分析窝，其剪切滑移小按盗moh融r巴—音Coulom弓b厌条件复核。喂器幅2真．伟5扯竟坝基抗滑稳定帅安全系数计算情方法与采用整体体强度储备安全诱系数表征坝基扯的抗滑稳定性陡，基本方法是保假定基本或特赖殊组合荷载不释变，通过不断疤下浮坝基与岩步体接触面蒸，烟G馅5殿软弱夹层及尾池部抗力漏体刃(牢砂验岩盲)昏抗剪强度指标盆，分析强度参尼数下浮倍数与闪潜存滑移通道色中破坏面积之条间的演变关系舞，寻求坝基滑恶移面整体移滑竖时，相应去的短K甲c稳值即为整体抗欠滑稳定安全系糊数。度3绪电坝基抗滑稳定接安全度评价轻针对溢流喇坝上游铺盖被愤淘空条件，首恋先研究正常蓄唤水与校核洪水横两种工况，坝恨体沿建基面锅与制G缩5瓶软弱破碎带两狠种滑动面的抗练滑稳定伶性马(月文昨中鞋G恩5缴滑动面包含坝腥基下近于水平室分布推的恋G涌5碌破碎带及坝趾斯尾部砂岩抗剪酿断抹段眯)鬼，其成果见搏表怒2僵中方斜案限1袋-烧方既案栽8抗，在此基础上饮，分析坝体前抽坦深槽回双填处理后，以称及坝基扬压力贝两种分布形式棵相应的坝体抗快滑稳定性，其蚁成果见傲表妻2埋方病案蜂9颈—宅方抖案姥l弃0则。侮表旁2节惠坝基抗滑稳定拥分析方案及成践果表跟方案斑上游水位肌坝基扬压力解前坦深槽穷尾部抗剪势抗滑安全系数投滑移通道呈破裂面积比／车％祝1呜347.0消分布恩①校存在克不计入身1值．切10拳坝基面丸79.2躺G5罩86.2识2茂347.0锹分布缎①允存在悟不计入位1.20舞坝基面邀92.4现G5吹94.8赠3似347.0票分布靠①歼存在丰计入腔1鼠．阅10罪坝基面泪77.3杠G5油78.6野4墓347.0重分布后①集存在敬计入床1.20废坝基面惧81.4嚷G5背86.7窗5爪349.5位分布秆①绞存在提不计入拔1.00赶坝基面歉82.7虏G5继94.4该6龟349.5欣分布杯①县存在亏不计入于1邪．耳10遥坝基面鸟84.8挠G5抢98.6欢7适349.5礼分布博①阶存在午计入合1把．塌00选坝基面勤64.0尽G5涉67.5金8势349.5络分布计①愧存在识计入持1太．订10数坝基面伐82.3项G5济93.1冻9狂349.5嚼分布造①莲不存在兽计入以1岂．啊10术坝基面蠢68.6抚G5使83.3漠10俗349.5吼分布荣②辜不存在蚁计入倦1原．闯10帽坝基面史62.4垮G5凤75.5践元表佛2猴中沿坝基面往或独G构5绑软弱破碎带滑形移通道的破裂斤面积比是指滑浇移通道中产生砖破坏的面积与泪总面积之比，谅该参数可以定旨量评价坝体抗晌滑稳定安全系摩数的可靠程否度肺(落保证彼率糕)往。分析榨表奖2绘可以看出：朽矮①左响在不计滑移通葡道尾部岩体抗榆剪作用及正常火蓄水位条件下亩，坝体抗滑安绝全系首数制1步．斧2痛时，古沿促G胶5耕滑移通道的破你裂面积比窝达业9仗4惊．蹲8客％，已接近整摧体滑移极也限袋(增破裂面积式比事l0盘0因％耻)灾。因此，在正悬常蓄水位及不秒计尾部抗剪作闯用条件下，坝味体的最大抗滑涉稳定安全系数萄为妄1赢．妙2贸0挨，考虑一定安库全储役备，若以沿滑大移通道破裂面胁积会比咸9工0藏％控改制建(速下艳同扇)有，坝基实际具饼有抗滑稳定安淘全系栏数费1渣．嗓10-傍1宵．斥1龙5傻。耽由方椅案心5真和方拾案避6大可看出，在校尚核洪水下，若篇不计入尾部岩雷体抗剪作用，蜡抗滑安全系数劝分别有为舌1诸．恳00勇筒和国1静．异1殃0席时，坝体攀沿院G敞5昏滑移通道的破肆裂面积比均汉已源怒超迹过日9物0串％，表明坝体泛实际具有安全赴系数小月于动1冷．愤0鸽。浙锯②抚到方煮案管3脊和方扑案宿4窝表明，计入滑丘移通道尾部岩性体抗剪作用，仰正常蓄水时抗条滑安全系晒数耐1房．劫2欧0揉时，享沿师G嘱5疾滑移通道的破打裂面积比国仅录8脸6弟．帐7极％，表明坝体敬的整体抗滑安哪全系数已达优到汽1仗．成2丑0卡。方馋案尾7倍和方谦案在8同表明，计入滑捷移通道尾部抗威剪作用，校核修洪水当抗治安新全系裕数胆1常．问1微0塌时，坝体漆沿颠G斩5油滑移通道的破絮裂面积比超寇过漆9掘0柴％，而安全系餐数束为令1徐．煮0秒时，破裂面积妨比仅锻达膜6总7容．男5帅％，因此，校鲜核洪水时计入蹈尾部抗剪作用显的坝基抗滑安欢全系数旬为朗1醒．缓0驰5门左右。申滥②姿晋考虑坝体前坦北深槽回填处理杰，方谎案北9移给出了不计水茅平防渗处理效爽果疾(忽坝基扬压力较浓回填前不蛇变颗)挤，坝基抗滑安司全系数窗为风1袍．荷1践0引时，收沿织G静5华滑移通道的破随裂面积比较方嫩案和8辅下降了选近东1姐0敏％校(段即安全度保证仙率提抢高皇l饱0萌％术)耀，方广案牲1陪0剖表明计入水平瑞防渗效品果迷(芽坝在扬压力减堂小多)脉，笋沿宁G卡5舟滑移通道的破盈裂面积比较方我案览9炉又进一步降低沫，即安全度进梢一步提高。腿综合方乞案扇9欠、方糕案欣1草0脱来看，对坝体永前坦深槽采用条回填并作粘土漏水平铺盖处理傅，校核洪水时孔计入尾部抗剪塔作用的坝基抗蚂滑安全系数可乎达恼1乒．迷1坛0冬。塘洒④句稼从方阿案非l罢至方以案绪1禽0范中可看出，正援常蓄水位与校芦核洪水两种工童况，以及是否缝计入尾部抗剪题作用多种组合青条件下，富沿盏G侮5源滑移通道的破恒裂值面积比均大于国坝体建基面，起表明埋深较浅泡产状近于水平描的芹G内5士软弱破碎带是摆坝基抗滑稳定掠的关键。易4怪安坝体裂缝形成腿原因浅析辈前面已提响及年xx纱水库溢流坝存巾在的贯穿性裂掉缝可以分为三叫类，第一类是但坝体施工过程牺中遗留的冷缝穴，第二类是由茂于混凝土浇筑息过程未采取严赞格温控措施等时因素形成的先屯期裂缝；第三贤类是坝面温度扛随外界气温变落化演变形成的惰裂缝。对于第尘一、二类裂缝支可采用灌环氧玉胶等工程措施秤一次性处理，件而第三类裂缝秤在水库长期运佩行过程中，可郑能重复出现，奸尤应引起重视晨。对第三类裂导缝产生的条件本，分别用三维怕有限元法和重纹力坝设计规范扣建议方法进行美计算分析。培忠徒4胸．挽1伏怜坝体运行期温柴度应力三维有渣限元计算结果角权xx巾电站溢流坝已际运行多年，坝物体内部混凝土偶稳定温度接近召建坝区多年平挑均气温，而上样下游坝面随外摩界气温呈年际由变化，坝面与著坝体内部的温曲差将引起坝体冶变形，这种坝拌体变形由于受劝到坝基岩体的本约束，在坝体辽内将形成一定刃的温度应力。周参考坝区气温节、水温和地温煌资料，拟定以菊下参数计算夏宅季和冬季两种鹰情况：巴塘放(1)酿构坝体内部稳定迷温选度顿18裙℃路，下游坝面气般温统37闭℃萝，上游水温拔在资34狮0灯．臂0设—苹347.0缝m探高程内脉取传25白℃否，数33诸0救．守0-34银0怕．此0脏m快高程内稠取沿20鸽℃扁，地温倦取屈l0误℃那。核斥疑(12)对站坝体内部混凝周土稳定温缓度曾18永℃还，下游坝面气谎温铲-2炉℃甘，上游水温携在纽34生0魂．靠0-34赛7餐．助0源m恼取娇2姐℃斥，离33胜0替．嘴0-34榜0未．哄0忆m诚高程乱取歇6险℃翠。份经计算在溢流肾坝甘段蹈(统3凳—逼5雀剖缴面刑)稠堰顶及下游坝伟面出现主拉应马力最大，其方蛙向近于平行坝颠轴线，量值示达追0买．刮8-献1唇．余2MP途a强。氧项厨4睁．悲2绢浮按重力坝设计庸规范分析芹伶菠(1)环芝外界温度年变悟化引起的应力锁。画最大应力盏一般出现在坝酒表面，值按下撕式估算：臭若假定坝讯面混凝土允许絮抗译拉予(猫裂辅)奖强寿度租[猪σ诞t誓]魔＝结1挠．完0MP销a敢，由上式计算俭，坝面允许的址温度变幅字为测15况℃遗，换言之，若治坝面温度高菊于弄3搞3宁．删7散℃鸭或低洁于繁3若．赛7河℃猫，坝面混凝土增则可能开裂或暴引起已裂混凝均土裂缝扩展，踢加深裂缝深度剪。陵综合上述深两种方法分析恼结果可以看出冈，当坝面与坝匙体内部混凝土款温差达炎到赴15慢℃栽以上时，坝体屈混凝土将会出组现开裂或引起泉裂缝进一步扩齿展，裂缝最可躺能出现的部位食在溢流坝中间画坝源段窄(乏3决—俱5糠剖煮面俭)对的坝顶或下游舞坝面，由于坝论面纵标向丈(塔垂直水戒流书)博温度应力一般来大于横向，裂岗缝的方向多与丰最大主应力方法向垂直，即坝速面一般呈现横片向裂缝，这与虎xx尺电站溢流坝情饮况较为吻合。炎5祥涝结论及建议佣普柏(1)兵舍本文分析表明剃坝体变位与应播力分布对称于助坝段中间