【doc】深软基筑坝设计——以云南麻栗坝水库为例

【doc】深软基筑坝——以云南麻栗坝水库为例 深软基筑坝设计——以云南麻栗坝水库为 例 第l2卷1期 2004年3月 应用基础与工程科学 JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERING Vo1.12,No.1 March2004 文章编号:1005-0930(2004)-01-0080-06中图分类号:TV223文献标识码:A 深软基筑坝设计 以云南麻栗坝水库为例 张天明 (云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明650021) 摘要:深厚软基建坝的关键技术问题是解决坝体,坝基变形,通过采取工程处理 措施使其控制在不危害大坝安全的范围内是设计处理的主要目的.麻栗坝水库 第三系含砾砂土埋藏超过500m,覆盖层全部处理既没有必要亦不可能,设计部 门根据工程特点提出利用坝体分三期加载来减小和消散变形,试图通过物理模 型比为200的离心模拟试验来验证#设计#的合理性,试验结果表明设计考虑 的工程措施可以起到减小变形的作用. 关键词:变形;深厚软基;离心模型;麻栗坝水库 深厚软基上筑坝,变形协调是工程设计中的难点和热点技术问题,建坝的结果将导致 沉降量大,持续时间较长.浙江杜湖坝高17.5m,建在16m深淤泥质粘土层软基上;溪口 水库坝高23m,软基深9m;两座水库建成后,由于差异沉降,都曾不同程度出现裂缝等病 险.麻栗坝水库坝基为第三系含砾砂土夹粘土,岩体埋藏深度超过500m,属在深厚 软土上 拟建的大型水利工程.由于软土覆盖深,要全范围内处理是不经济的,也没有必要,因此结 合大坝结构形式,使其应力变形尽量在施工期间消散,为此,设计部门试图采用坝体分区 施工预压的办法来解决坝基及坝体过大的变形问题,通过分区加坝,合理安排施工工期, 软基经过一定的时间外部荷载作用,较快的排水固结,使坝体和坝基间的应力重新调整并 形成一个新的平衡状态.为验证设计构思的合理性,根据工程的特点,采用设计方案—— 物理模型检验——工程实施——局部调整的模式来完善工程设计方案,而不是用传统的 生产性实验来复核设计方案. 1设计构思 该工程拦河坝为分区土坝,筑坝为粘土及含砾砂土,其坝轴线较长,达1083m,尽 管坝高仅有36.5m,但各项异性的深厚软弱坝基处理却是建坝不能回避的难点技术问题. 坝基物理力学指标见表1. 对于软基加固处理…通常采用的处理有振冲置换,基础托换,强夯预压,塑料排 水板,袋装砂井等多种措施.麻栗坝水库坝基的特点也可以应用上述措施中的一种或两中 收稿日期:2003-07-09:修订日期:2004-03.15 作者简介:张天明(1964一),男,教授级高工 张天明:深软基筑坝设计——以云南麻栗坝水库为例81 来解决,但由于处理范围大,采用任何工程措施都应认真考虑投资因素.在经济技 术比较 的基础上,充分结合坝体施工安排,利用坝坡较缓,与坝基接触面积大,填筑工程量高的特 性,分三期加坝预压,力图据此来解决变形问题;分期加坝的工程量与坝体渡汛的要求一 起综合平衡,以期满足渡汛和消散变形的作用. 表1坝基土主要物理力学指标 Table1Indexofmainphysicalmechanicsofdambasesoil 分区填筑坝方案中溢洪道左岸坝段设计为粘土均质坝,该坝段地处平缓阶地,坝最高 仅15.5m,且靠近左岸粘土料场,运距近,施工简单方便,便于坝体与溢洪道建筑物的连 接,同时由于粘土料比含砾砂土料筑坝造价低,比含砾砂土料更易与右岸的分区坝段连 接,其物理力学指标亦满足筑均质坝的坝料要求,所以采用粘土均质坝段;溢洪道右岸坝 段设计为分区坝,该坝段为最大坝高段,若完全采用粘土料,储量不够,因此考虑造价较低 的粘土料和含砾砂土填筑的分区坝体填筑料. 沉降计算采用分层总和法,计算深度应满足下式: <0.2tr, 式中:为附加应力;,为基础自重应力. 若一次性填筑加坝至坝顶,坝体的最终最大沉降量1.37m,基础的最终最大沉降量 1.64m;坝体lOOm范围内产生的最大沉降差为0.88m,坝基0.96m.从计算结果看总的沉 降量较大,容易引发坝身及与坝体连接的其它建筑物产生裂缝破坏. 沉降量最大发生在坝体的最大坝高区域,为使该区域的沉降量在筑坝过程中尽量消 散,采取将坝体分三期施工的措施来减缓不均匀沉降,尽量把较大的沉降量消除在 施工 期.麻栗坝水库总填筑量150X10m,结合导流渡汛的要求,确定第一期坝体的施工高程 为976.OOm,填筑量占总量的40%;第二年开始第二期施工,高程为990.OOm,填筑量占总 量的31.5%;第三年,第三期施工至坝顶.采取分期施工,基础和坝体通过预压,坝体施工 完成后,工程运行期间坝体沉降量仅为18cm.这样通过合理划分施工时段及控制加坝施 82应用基础与工程科学V01.12 工速度,使坝体,坝基的较大沉降量在施工过程中完成,增加了大坝的安全可靠性. 一 次完成加坝至坝顶沉降曲线见图1.分区加坝后的沉降曲线见图2. 100 醛980 .喧960 I ;— ,--——'.'., 棚200 磐400E 000 坝基总沉降线——————一 图1一次加坝沉降曲线 Fig.1Subsidecurvesofadddambyonetime 自o+2000+400 0r_————————==== 棚l 磐50L 里程/m o+600o+700o+800o+860o+9281+000l+o50l+200 坝体运行期沉降线 图2分区加坝沉降曲线 2Subsidecurvesofadddamofseparateregions 显然,分三次加坝,每一次都留出半年左右时间预压后,可以使变形量大部分消散,固 结度达到9o%以上.从结果看,预压量,预压周期都起着关键作用. 2离心模型试验 2.1模型基本原理 模型试验采用中国水科院自行研究的450g—T大型土工离心机.模型试验是通过高 速旋转的离心机,使由原型材料制作的模型受到离心力作用,当离心加速度达到重力加速 度的n倍时,模型受到的离心力是其重力的n倍.这时模型中各点就可达到与其原型相应 点相同的应力状态,并呈现出与原型相似的变形状况和破坏过程.土工离心模拟的相似性 可通过土体变形的基本控制方程,能量方程等多种途径进行论证,半无限地基自重应力模 拟问题最能直观说明其相似性. 若半无限地基中研究点的深度为,地基土的容重为y,则其自重应力为: (or:)=y=pgH. 式中P为土的密度;g为重力加速度. 在重力加速度1g情况下,模型地基相应点的自重应力(or:)=yHa=PgHm.将模型 置于高速旋转的离心机中,并使其加速度达到a=ng,则这时模型中相应点的自重应力 为: (or:)=yH=pngH No.1张天明:深软基筑坝设计一以云南麻栗坝水库为例83 式中凡H=H,则(or)=pgH,即达到原型应力状态. 2.2试验模型 通过试验模拟坝体施工期控制坝体分期填筑过程,进一步了解坝体和深覆盖层坝基 的沉降变形情况,验证设计处理措施的合理性;试验所用的筑坝材料全部从现场选取,其 物理力学指标见表2. 表2麻栗坝筑坝料物理力学指标表 Table2IndextableofphysicalmechanicsOilthematerialofearth?rockdamforMaliba 坝基模拟至,v5层,深度为70m,最大坝高与设计坝高一致,筑坝材料全部从麻栗坝水 库工程现场取样,模型率为N=200,相应重力加速度为200g. 在模拟坝基的基础上作好西高涵,混凝土防渗墙,然后模拟坝体填筑至978m,984m, 988m,999.5m高程,重力加速度分50g,lOOg,150g,200g逐次施加,通过位移传感器测量 水平及垂直位移变化情况. 2.3试验结果 将制备好的互层状坝基模型箱固定在离心机上,启动离心机均匀加速,为了使互层状 坝基的沉降过程比较均匀,在加速到50g,lOOg,150g时均保持一段稳速过程待位移传感 器指示的沉降值保持不变时再继续升速.离心加速度升至200g时也保持一段稳速过程待 位移传感器指示的沉降值保持不变时,开始自然降速停机.试验后读坝基标点初始值. 模拟不同填筑高程位移变化情况列入表3. 表3坝体坝基位移变化统计表 Table3StatisticaltableofdisplacementchangeOildambodyanddambase 第一组试验结果表明,坝体施工期分期填筑,适当控制上坝速率有利于减小施工填筑 过程中坝体,坝基的不均匀沉降和保持坝体稳定.试验后整个模型完整,坝体无明显的破 坏痕迹,由此说明,在正常的荷载条件下,坝体是安全的. 模型坝基标点反映出第一组试验的坝体最大断面处坝基沉降最大值为12mm左右, 对应于原型约为2.4m,与计算值相比较偏大,这与模型坝基无法完全真实地模拟原型坝 基在长期地质年代中所形成的地层的结构性有关.试验中坝体,坝基均未反映出明显的不 均匀沉降,未影响到坝体的稳定. 应用基础与工程科学V01.12 模型西高涵洞各洞段之间的相对沉降一般小于0.5mm,对应于原型西高涵洞各洞段 之间的相对沉降一般小于10cm.考虑到实际情况中,西高涵管已建成20多年,其沉降过 程已基本完成,因此,实际施工中各管段的相对沉降差值将小于模型试验值.另外,从试验 后西高涵洞模型的整体情况上看,涵洞各洞段间基本连接完整. 模型西低隧洞各洞段之间的相对沉降一般小于0.3mm,对应于原型各洞段之间的相 对沉降一般小于6cnm.模型坝轴线附近各洞段之间的相对横向位移差值一般小于 0.05mm,对应于原型各洞段之间的相对横向位移一般小于1cm. 3结束语 麻栗坝水库地质条件复杂,其超过500m埋深的第三系含砾砂土夹粘土层上坝体 的 变形是设计过程中需要切实解决的难点技术问题.设计部门根据拟定的坝型,坝体结构, 施工渡汛及工期安排,采用分三期预压的办法来处理基础变形量大,可能带来裂缝破坏等 问题,力图消除设计隐患,以达到安全可靠的目的.借助于离心模型试验模拟实际的加坝 过程,还原了在三维状态下坝体,坝基的实际受力状况,为进一步完善设计提供了较好的 依据. 通过模型试验分析,得出以下几点结论: (1)在不具备生产性试验的情况下,建立离心模型,较好地解决了有限元分析计算等 数学模型边界条件概化带来的不准确性,能直观地反映坝体及坝基的应力及位移变化 情况; (2)离心模型模拟范围大,可以根据试验对象的具体要求调整试验比尺,施加的重力 加速度从1g到200g不等;模型制作越准确,比尺越小,试验结果精度越高,成果越可靠; (3)由于麻栗坝水库基础形成年代久远,现场取样后模拟出的基础与实际情况仍会 存在一定差异,因此,试验结果可能略为偏大; (4)在试验的基础上再进行变形敏感性分析,对于更好的优化设计方案具有积极 意义. 参考文献 [1]林宗元.岩土工程治理手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1993 LinZongyuan.harnesshandbookofrockeal~$enoneering[M].Shenyang:LiaoningScienc eandTechnologyPress, 1993 [2]杜延龄.土工离心模型试验基本原理及若干基本模拟技术研究[J].水 利,1993,(8):19-28 I)uYanling.Basicprincipleofcentrifugalmodelingtrialofeanllstructureandmanybasicsimulatedtechnologystudy [J].JournalofWaterConservancy,1993,(8):19-28 No.1张天明:深软基筑坝设计——以云南麻栗坝水库为例 DesignonDeepandSoftClay SubstratumofEarth.rockDam TakingExampleofMalibaReservoir ZHANGTianmin (InstituteofHydroelectricInvestigationandDesignofYunnan,Kunming650021,China) Abstract Thekeytechnologyondeepandsoftclaysubstratumissolvingthedeformation ofdambodyanddambase.ThethirdseriesofMalibaReservoircontainsandwhich has the pastesoilinthemiddleisburiedintheearthofmorethan500m.Onthebasisof engineeringcharacteristics,theinstituteofdesignhasputforwardtoreduceand dissipatedeformationwithaddloadinthethreeseparatephasesondambody.Using centrifugalmodelofphysicalmodelproportion200,theytrytotestandverifythatthe planofdesignisreasonable.Finally,basedontheresuhsfromtheexperiment,itis presentedthattheengineeringmeasurecanrducethedeformationofdambodand dambase. Keywords:deformation;deepandsoftclaysubstratum;centrifugalmodel;Maliba Reservoir