恰甫堆石坝稳定性分析

恰甫堆石坝稳定性分析

1坝体施工研究的意义这座经典的黄土墙水库存在。最大水库高108m，水库长度182m，库最高洪水1.2.5，下游综合水库1.2.33，心墙下游1.0.3。水库的标准断面如图1所示。坝体心墙料为风积黄土,黏粒含量低,抗冲蚀能力低。坝壳-心墙系统在施工期、运行期的应力变形规律,坝壳对心墙的不均匀变形和拱效应,心墙发生水力劈裂的可能性等问题都是设计、施工关注的关键问题。大坝于2005年6月填筑到顶,并于2005年12月中旬达到较高蓄水位989.40m。该坝坝体内埋设了大量观测仪器,取得了丰富的观测资料。这些观测资料以及施工过程中的现场碾压试验和各科研单位的室内试验为坝体的反馈分析提供了较好的基础。利用上述资料,本文对坝体的填筑和蓄水过程进行变形和渗流耦合的仿真反馈分析,并预测坝体在经历非常的骤升、骤降等极限运用情况时的应力应变及孔隙压力发展过程。2计算方法2.1初始饱和度对土骨架应力应变的影响采用基于Biot(比奥)固结理论的有效应力法进行计算,心墙按照拟饱和土的Biot固结理论计算,把孔隙水和孔隙气一起作为含气泡的可压缩流体,含气水的压缩系数按下式考虑式中:ns为孔隙率;Sr为饱和度;Pw为孔隙水压力;Pa为大气压。考虑到饱和度随孔隙压力增高而逐步提高,采用按照Hilf公式计算土体饱和度式中:(Sr)o为填筑时的初始饱和度;ch为亨利溶水系数,常温下可以近似取0.02;Pw为孔隙压力。土骨架的应力应变关系采用沈珠江建议的双屈服面弹塑性模型。模型采用正交流动法则,两个屈服面分别为体积屈服面和剪切屈服面式中:p=(σ1+σ2+σ3)/3,q=[(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2]12/2√p=(σ1+σ2+σ3)/3,q=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]12/2。对应的塑性体应变和塑性剪应变增量按照下式算出式中:A1和A2分别为硬化参数;η=q/p;r和s为屈服面参数。模型有9个计算参数c、ϕ(或ϕ1和Δϕ)、K、Kur、n、Rf和cd、nd、Rd,可由一组不同围压下的三轴试验得出,其中cd、nd、Rd可通过三轴试验的体应变曲线推算,其他参数与Duncan-Chang模型参数一致。考虑到坝体施工质量控制较好,心墙黄土和堆石填筑干密度较高,长期变形的影响相对较不明显,计算中未考虑堆石料和心墙黄土的浸水变形,也不计及堆石体流变。根据筑坝材料试验、现场碾压试验,并根据监测资料进行反馈,得到的计算参数如表1所示。2.2坝体变形渗流模拟新疆水利水电科学研究院和南瑞集团公司曾对恰甫其海心墙堆石坝开展全面监测。该项监测以河床最大0+175m断面为主监测断面,为比较方便,计算分析也采用0+175m断面,该断面的网格划分及材料分类如图2所示,共划分618个四边形等参单元,包括641个结点。参考实际的施工和蓄水过程,计算过程模拟了实际施工、蓄水运行的全部过程(从2003年10月开始施工,2005年6月填至坝顶;同年6月25日开始蓄水,一直到监测资料结束,即2006年1月),共计36个计算级,分为3个阶段。(1)第一阶段(1～5级),从2003年10月至2004年5月,模拟了围堰挡水的干填筑期,期间库水位保持为920.70m,坝体填高至922.20m。其中2003年底到2004年初约3个月时间的冬季停工期,单设一个计算级,坝体填筑高程和库水位均不发生变化。(2)第二阶段(6～22级),从2004年5月至2005年6月,模拟坝体边填筑边蓄水的过程,期末,坝体填筑到顶(1002.00m高程),水库蓄水至945.70m。其中2004年底到2005年初约4个月时间的冬季停工期单设一个计算级,坝体填筑高程和库水位均不发生变化。(3)第三阶段(23～36级),从2005年6月至2006年1月为蓄水期,模拟水库蓄水、水位上升的过程,该段时期内库水位自945.70m上升至986.63m,6个月内水位上升超过40m。(4)第三阶段后,假定库水位按照原先的速度继续上升,直到达到正常蓄水位995.00m,这个阶段的模拟用37～39级的计算来完成。我国现行碾压式土石坝设计规范尚未对心墙堆石坝的运用条件(特别是水位变幅和变速)进行特别限制,但水位骤升骤降可能对心墙堆石坝的安全造成较大影响。因此,为预估水位骤降、骤升条件下坝体的变形、渗流情况,在第四阶段计算后,增加了两个时间段,各3级,分别为库水位骤升和骤降,以考察非常运用情况下坝体的变形渗流情况。每段分析前后各安排一段长2年的时间用以消散超静孔压,以得到比较稳定的计算初始状态。为了体现极限情况,如快速蓄水、汛期放水等,本文模拟了7d内库水位在死水位964.00m～正常蓄水位995.00m共31m的区间内发生骤升或骤降的情况。坝体填筑分期情况及填筑过程与库水位上升的关系分别如图3和图4所示。3计算与分析结果及其分析3.1坝体填筑的设计结果计算的反馈分析主要针对坝体填筑期进行,即前述第一和第二阶段。图5所示为坝体填筑完成时的沉降分布,由图可见,最大沉降发生在坝高约1/3～1/2范围内,心墙沉降量大于坝壳沉降量,与实测一致。最大沉降发生位置比一般土石坝中最大沉降发生位置略低,可能与坝体上下游坝坡较缓有一定关系。图6为填筑过程中某时刻和填筑完成后心墙轴线上的沉降分布与实测沉降分布的比较,由图可见,坝体中不同高度处的计算沉降和实测沉降数值符合较好,沿深度的变化规律也较接近。坝体实测最大沉降为422mm,计算最大沉降为450mm,两者发生高程基本一致。坝体沉降率小于0.5%,说明该坝施工质量较好。考虑到计算中采用了平面应变假定,忽略了可能存在的三维效应,计算参数的反演正体现了二维计算条件与实际三维条件的差异。图7和图8所示分别为坝体填筑完成时大小主应力的分布情况,坝壳中有效大主应力最大值为2.09MPa,有效小主应力最大值为1.10MPa;心墙中有效大主应力最大值为1.32MPa,有效小主应力最大值为0.79MPa,受心墙中孔隙水压力影响,心墙上游侧有效应力低于下游侧。由于库水作用,上游坝壳有效应力小于下游侧,而总应力高于下游侧。根据断面应力分布可见,由于心墙沉降大于坝壳,坝壳对心墙存在一定的拱效应,该效应一方面加大了坝壳所受竖直应力,另一方面则减小了心墙的竖向应力。由于心墙下游侧地形凸起,下游侧拱效应较上游侧更为明显,说明心墙上下游侧地形的差异对心墙的应力状态会有较大的影响。由图7、图8还可见,尽管心墙两侧存在一定的拱效应,但是心墙中的有效应力仍然保持较高水平,发生水平、竖直裂缝或水力劈裂的可能性很小。图9所示为坝体填筑完成时的应力水平。由图可见,坝体中应力水平分布比较均匀,这说明坝体设计合理,不易发生剪切破坏,整体稳定性比较容易保证。应力水平最高值为0.5,发生在库水位线下的心墙上游侧,原因在于心墙透水性较低,受到库水推力作用时向下游发生弯曲变形,因而接近心墙的上游坝壳由于围压减小而应力水平增高。图10所示为坝体填筑完成时的孔隙水压力分布情况,为方便比较,其中的孔压值通过除以水的重度(uw/γw)换算成为水头的单位。图11所示为填筑完成时坝体内部计算孔压分布与实测孔压分布的比较。由图11可见,计算和实测孔压分布的规律比较接近,即孔隙水压力在心墙中迅速下降,心墙两侧的孔隙水压力差基本与坝体上下游水位差相当,这说明坝体防渗良好,心墙能够有效的削减水头,较好的防止渗漏,并保证下游坝体的安全。图11中计算值略高于实测值,可能由于填筑时心墙尚未完全饱和,导致渗透性较低,出现滞后效应,同时孔压系数较小。3.2首次蓄水位图12、图13分别为已有监测结果末期(2006年1月)坝体的沉降和孔压分布。图14、图15所示则为假定保持原水位上升速度,首次蓄水至正常蓄水位时坝体的沉降和孔压分布。由图14、15可见,继续蓄水直到正常蓄水位时,坝体的沉降较竣工时没有大的变化,与实测结果接近。同时,水位不断上升的过程中,心墙内孔隙压力没有明显积累,从上游侧到下游侧,孔隙压力沿着心墙迅速降低,该分布符合一般规律。3.3坝体应力分析在模拟蓄水至正常蓄水位995.00m后,采用反馈得到的参数预测了经历非常运用条件时坝体的安全性。图16为经过近2年的孔隙压力稳定后得到的孔隙压力分布,由图15和图16对照可见,两者的孔压分布非常接近,这说明在按照实际蓄水速度进行蓄水时,库水位上升造成的超静孔隙水压力消散较快,心墙中已明显形成稳定渗流。图17、图18分别为水位在7d内骤降、骤升31m刚刚完成时坝体的计算孔隙压力分布,由于水位升降速度过快,心墙内出现了比较明显的孔压变化的滞后现象。但是,由于心墙中孔压没有大的累积和增长,孔压值比总应力小很多,同时,水力梯度较稳定渗流期增大不多,因此,心墙发生水力劈裂和渗透破坏的可能性不大。图19、图20分别表示水位骤降和骤升发生后坝体的剪应力水平分布。水位骤降后,应力水平达0.5以上的区域范围有所扩大,但仍局限于心墙下部及其上游侧。水位骤升后,应力水平较刚填筑完成时变化较多,主要体现在心墙上部及其下游侧应力水平下降,而心墙中下部及其上游侧,特别是心墙中部紧贴心墙的坝壳部分应力水平大幅上升,上游坝面附近应力水平也有较大上升。出现此现象的原因在于短期内水位上升时,心墙来不及透水而在水荷载作用下向下游弯曲,从而下游侧由于受到挤压而围压升高,剪应力水平下降;而上游侧则由于侧向释放而围压降低,从而导致剪应力水平上升。在上述水位骤升、骤降过程中,尽管坝体剪应力水平有所升高,但是高剪应力水平的区域仍比较有限,坝体发生剪切破坏的可能性不高。4坝体变形预测(1)计算分析得到的变形、孔压及应力分布符合土石坝的一般规律。计算分析较好地反映了竣工时坝体的沉降变形及渗压分布,计算沉降变形最大值和各高程沉降值与实测值符合较好。较竣工时,测量截止日的计算坝体沉降增量不大,与实测情况吻合较好。按照预测,继续蓄水至正常蓄水位后,坝体沉降变形仍变化不大,心墙能够继续承担绝大部分水头,没有发生渗透变形和渗漏。(2)坝体最大沉降与坝高的比值小于0.5%,变形发展基本收敛。坝体内部剪应力水平不高,分布较均匀。心墙内没有出