九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究.pdf

水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第 3期 九甸峡混凝土面板堆石坝河床 防渗结构研究 吕 生 玺 1 ．河海大学 水利水电工程学院，江苏 南京2 1 0 0 9 8 ；2 ．甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 摘要 九句峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝坝址河谷狭 窄，岸坡陡峻 ，河床分布深厚覆盖层。根 据地形地质条件，采用了大坝直接修建在覆盖层上的方案，其河床防渗的结构形式是整个大坝防渗系 统的关键。设计考虑了单防渗墙柔性连接、双防渗墙柔性连接、双防渗墙刚性连接等3个方案，采用 三维非线性有限元方法 ，对各个方案坝体和面板的位移反应、应力反应，以及周边缝和面板接缝的位 移反应等进行 了计算分析。研究了不同方案的特点和规律 ，确定了合理的设计方案，经实施验证 ，效 果良好。 关键词 九甸峡混凝土面板堆石坝；趾板 ；防渗墙；柔性连接 ；刚性连接 ；应力应变 中图分类号T V 6 4 1 ． 4 3 2 4 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 0 0 8 6 0 2 0 1 0 0 3 一 O O 6 4 0 4 S t u d y o n i mp e r v i o u s s t r u c t u r e o f r i v e r b e d f o r c o n c r e t e f a c e d r o c k - 伽 d a m o f J i u d i a n x i a Wa ter C o n t r o l P r o j e c t L 0 S h e n g x i ’ 1 ． C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ； 2 ． T h e Wa t e r R e s o u r c e a n d H y d r o p o w e r D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G a n s u ，L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ， G a n s u ， C h i n a A b s t r a c t T h e c o n c r e t e fac e d r o c k f i U d a m o f J i u d i a n x i a Wa t e r C o n t r o l P r o j e c t i s l o c a t e d a t a n a r r o w v a l l e y w i t h s t e e p s l o p e s o n b o t h the b a n k s a n d d e e p o v e r b u r d e n u p o n t h e ri v e r b e d ．I n a c c o r d anc e wit h t h e g e o l o g i c a l and t o p o g r a p h i c c o n d i t i o n s the r e i n，a s c h e me o f b u i l d i n g t h e d a m d i r e c t l y O l l t h e o v e r b u r d e n i s a d o p t e d ，and t h e n t h e p a t t e r n o f the i mp e r v i o u s s t r u c t u r e f o r the ri v e r b e d b e c o me s t h e k e y l i n k o f the w h o l e an t i s e e p a g e s y s t e m o f t h e d a m．T h e r e f o r e ，t h r e e s c h e me s ，i ． e ．s i n g l e c u t o ff w a l l wi t h fl e x i b l e j o i n t ， d o u b l e c u t o ff w a l l w i t I l fl e x i b l e j o i n t a n d ri gid c u t o ff w al l a r e c o n s i d e r e d d u ri n g t h e d e s i gn c o n c e rne d ； for w h i c h t h e d i s p l a c e me n t r e s p o n s e a n d s t r e s s r e s p o n s e o f b o t I I t h e d a m b o d y a n d t h e f a c e s l a b a s w e l l as t h e d i s p l a c e me n t r e s pon s e s a t t h e pe r i p h e r al j o i n t a n d t h e j o i n t o f t h e d a m s l ab are c a l c u l a t e d and a n al y z e d wit h 3 D n o n l i n e ar fi n i t e e l e m e n t m e t h o d f o r al l t h e s c h e me s ．T h e c h a r a c t e ris t i c s a n d】 a ws o f e a c h s c h e me are s t u d i e d．and t h e n a r e a s o n abl e d e s i g n s c h e me i S c o n s e q u e n tl y d e c i d e d ． A t l a s t ，a b e t t e r i mp e r v i o u s e ff e c t i s d e mo n s tr a t e d t h r o u g h t h e p r a c t i c al v e ri fi c a t i o n ． K e y w o r d s J i u d i a n x i a C o n c r e t e F a c e d R o c k - fi l l D am ； t o e s l ab ； c u t o ff w al l ； fl e x i b l e j o i n t ； r i gid j o i n t ； s t r e s s a n d s t r a i n 1 概述 九甸峡水利枢纽工程是 以城 乡生活供水及工业 供水、生态环境用水为主，兼有农业灌溉、发电、 防洪 、养殖等综合功能 的大型水利枢纽工程 ，工程 区位于甘肃省卓尼 、临潭县交界处的洮河 中游九甸 峡峡谷进口，距兰州市约 1 9 3 k m。水库正常蓄水位 2 2 0 2 ． 0 0 m，校核洪水位为 2 2 0 5 ． 1 1 m ，总库容为 9 ． 4 3 亿 in ，属完全年调节水库，水电站总装机容量 为3 0 0 M W，多年平均发电量 9 ． 9 7亿 k W h ，工程 规模为大 2 型。 枢纽坝址区河道顺直 ，岸 坡 陡峭，两岸卸荷裂 隙发育，河床分布深厚覆盖层，设计地震烈度高。 枢纽工程包括混凝土 面板堆石坝 、左岸 溢洪洞、右 岸泄洪洞 、右岸引水发 电系统及发 电厂房等主要建 筑物 。 九甸峡混凝土面板堆石坝坝顶高程 2 2 0 6 ． 5 0 IT I ， 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 - 2 8 作者简介吕生玺 1 9 7 O 一 ，男，高级工程师，博士研究生。 Wa t e rRe s o u rc e s a n dHy d r o p o we tEn g in e e r i n g Vo 1． 41 No ． 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 河床趾板建基高程 2 0 7 3 ． 5 0 n l ，最大坝高 1 3 3 m，坝 顶长度 2 3 2 m，坝顶宽度 1 1 m。坝顶上游设 L型 防浪 墙，墙高3 ． 5 m。大坝上游坡比为 1 1 ． 4 ，下游综合坡 比为 1 1 ． 5 ，下游坝坡设置宽度为 8 ． 0 m的道路 。面 板坝坝基位于覆盖层之上，河床平趾板直接置于覆 盖层之上 ，为 目前 国内同类 型坝高之最。 2 河床防渗结构设计 九甸峡坝址区河床分布深槽，覆盖层最大厚度为 5 4～ 5 6 m，大致可分 3层 ，上部 I组 层 岩为崩坡 积块石碎石 土 ，疏松 ，成 分为灰岩 ，大小 混杂 ，厚 度为河水 面 以下约 61 7 m，不 宜作 为 大坝基 础 ， 设计清除 ；中层 Ⅱ组岩 为冲积块石砂砾卵 石 ，厚 度 51 3 m，组成物 以块石碎石为主 ，卵砾石次之 ，砂 含量较少；下层Ⅲ组岩为冲积砂砾卵石，厚度 l 2～ 3 7 m，组成物 主要 为卵石 和砾石 ，成分 为砂岩 、灰 岩、石英岩等，磨圆度较好，多呈浑圆和次圆状，局 部有 2 3 m的孤块石分布 ，砂 以中粗砂为主，分布 很不均匀 ，局部地方呈透镜体状富集 ，坝体范围内一 般厚度几十厘米，连续性差。钻孔揭示河床无成层的 砂层、淤泥层、壤土层分布 ，基本不存在砂土振动液 化问题。 九甸峡坝址区为狭窄河谷地形 ，两岸岸坡极不 对称 ，坝基 为深 厚覆 盖层 ，为 了减少 开挖 工程 量 ， 降低施工难度，针对坝址区地质条件和面板堆石坝 防渗要求，坝轴线上游挖除 I 组覆盖层和 Ⅱ组冲积 层，以下部分作为大坝的坝基保留；坝轴线下游覆 盖层上部 6 m挖除，以下部分保留。河床平趾板直 接建于覆盖层上。 对于河 床深 槽段 的深 覆 盖 层渗控，设计 比选后拟采用混 凝土防渗墙垂直防渗的处理方 案。对于 这样 的设 计 方案 ，防 渗墙 与上部 坝体 防渗体 面板 的连接是整个 防渗体系的关键 ， 也是 大坝一地基 防渗 系 统 的最 薄弱环节 ，必 须 给予足 够 的重 视 ；同时 ，地 基 覆 盖 层 、防渗 墙与上部坝体的相互作用，以 及各部分 在 自重 和外荷 作用 下 能否满足变形协调的要求，应 力是否超限，也是影响大坝安 全 的重要 因素。 平趾板 上 游河 床 覆 盖层 截 水利水电技术第 4 1卷2 0 1 0年第 3期 吕生玺∥九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 渗方式是保证 面板坝 防渗系统完成 的关键 ，对 工程 投资、施工工期、工程可靠性等影响重大，针对本 工程的特点 ，拟定了3个设计方案进行技术经济 比 较 。 2 ． 1 单防渗墙柔性连接方案 将河床段平趾板基础直接置 于河床深覆盖层上 ， 建基高程为 2 0 7 3 ． 5 0 m，趾板厚度 0 ． 8 m，宽度 6 m。 趾板上游坝基采用混凝土防渗墙截渗，厚度 1 ． 2 m， 采用机械造 孔 ，混凝土强度 为 C 2 5，配 钢筋笼 ，趾 板与防渗墙之间采用一块 连接板连接 ，连接板长度 4 ． 0 m，厚度 0 ． 8 m。连接板与趾板 和防渗墙之间设 置止水。同时，为协调连接板、趾板之间的变形，在 其底部设有 0 ． 3 m厚的砂浆垫层 ，并铺设有 1 ． 0 m厚 垫层料。混凝土防渗墙与连接板和趾板的细部设计见 图 1 。 2 ． 2 双防渗墙柔性连接方案 为了提高防渗墙的可靠性 ，保证坝体基础的安全 ， 坝基防渗设 置双道 防渗墙 ，双道 防渗墙净距 3 ． 0 m， 其厚度为 0 ． 8 m，两道防渗墙之问设有连接板 ，连接 板长3 ． 0 m 。其余连接板及趾板布置同单道防渗墙。 双防渗墙方案细部设计见图2 。 防渗墙 与趾板 相 隔一 定距 离 ，各 自分别施 工 ， 在沉降基本稳定后 ，再 用连接板联接起来 。连接 板 的施工在坝体填筑和防渗墙施工结束后进行，这样 一 方面可 以避免施工期 产生 的不均匀沉 陷 ，另一方 面可以为坝体和防渗墙的同步施工提供场地。连接 板、趾板段设置结构伸缩缝 ，以吸收可能的不均匀 变形。 图 1 单防渗墙柔性连接方案设计 单位m 图2 双防渗墙柔性连接方案设计 单位 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕生玺∥九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 2 。 3 双防渗墙刚性连接方案 防渗墙柔性连接方案平趾板直接置于河床覆盖层 上 ，平趾板变形较大 ，与防渗墙顶部的变形协调通过 连接板过渡，对止水材料的要求较高，同时局部分缝 密集 ，止水破坏隐患加大。刚性连接方案考虑河床平 趾板底部采用双道防渗墙组成的井字形基础 ，基础上 浇筑 3 ． 0 m厚的混凝土承台，平趾板置于混凝土承台 之上 ，以保证平趾板变形较小 ，布置平顺 。双道防渗 墙厚度 1 ． 0 m，其细部设计见图3 。 3 计算分析 为了进一步对以上三方案进行技术比较，将坝体 和坝基作为整体结构，计算在不同工况下防渗结构的 应力变形状态 ，深入研究上部坝体对深覆盖层变形的 影响规律，以及坝体一面板一趾板一连接板一防渗墙 一 覆盖层之间的相互作用性态，以确定合理可行的结 构形式和设计方案。 3 ． 1 计算方法 采用三维有 限元 法 ，分别 计算柔 性连 接方 案、 刚性连接方案和双防渗墙柔性连接方案。计算中， 沿坝轴线将整个坝体分成 2 5个横断面，各横断面的 位置与面板的垂直缝一致 。计算 中坝体填筑荷载的施 加步骤与施工设计的填筑步骤相一致 。对于柔性连接 方案，坝体的填筑荷载分 1 6步施加，面板一次浇筑 完成，水库蓄水的过程分成 5步逐级蓄至正常蓄水 位。对于刚性连接方案，坝体的填筑荷载分 1 4步施 加 ，面板一次浇筑完成 ，水库蓄水的过程分成 5步逐 级蓄至正常蓄水位。双墙柔性连接方案共剖分 4 O 4 4 个单元、5 1 6 5个节点。在计算分析过程中，面板之 间的纵缝采用分离缝的方法处理 ，面板与趾板 间的周 边缝采用软单元模拟。 3 ． 2 计算模型 坝体和地基等土石材料均采用邓肯一张双 曲线非 线性弹性 EB模型，基岩 、混凝土面板、混凝土防 渗墙和连接板等材料采用线弹性模型，计算分析中采 用逐次增量法来模拟材料的非线性特性。 对面板 与垫 层 、趾板 与地基 、连接 板 与地基 、 防渗墙 与地基 之 间 的接 触 面均 采用 薄层 单元 来模 拟 ，计算程序 中薄层单元的形式与常规的实体单元 相同 ，对于面板与垫层之间 的接触面 ，薄层单元取 垫层材料的力学特性，趾板与地基以及连接板与地 基之间的接触 面 ，薄层单 元取地基砂砾 石材料 的力 学特性 ，而对于地基 中混 凝土防渗墙 与周边砂砾石 层 的接触 面 ，考 虑 到 防渗墙 造 孔时 因采 用泥 浆 固 壁 ，在墙壁周 围会形成一层泥皮 ，薄层单元应取泥 皮的力学特性。在正常受力情况下，薄层单元在计 算过程中按普通实体单元参与计算，但接触面之间 的剪应力超出抗剪强度后 ，则采用降低模量 的方式 进行剪切破坏处理 ；当接触 面之间的法 向正应力为 零或为负值时 ，程序 中同样也要进行受拉破坏 的处 理 。 对于防渗墙与连接板、连接板与连接板、连接板 与趾板、趾板与面板之问的接缝，采用软单元的方式 对接缝中的柔性材料进行模拟。当接缝受压时，软单 元取混凝土材料的力学特性；当接缝受拉时，软单元 则取为柔性填料的力学特性。 3 ． 3 计算参数 坝体土石材料的参数取 自室内大型三轴试验的 成果，计算分析中各材料的参数具体取值如表 l 所 列 。 3 ． 4 计算结果 由于双防渗墙柔性连接方案相对单防渗墙柔性 连接方案只是增加 了一道保证措施 ，因此计算 分析 对比重点针对单防渗墙柔性连接和双防渗墙刚性连 接方案 。主要工况下防渗墙应力应变成果如表 2所 列 。 图3 双防渗墙刚性连接方案设计 单位m 3 ． 5 计算结论分析 由于九甸峡河谷深槽段较 窄， 岸坡对防渗墙 的约束作用明显 ，因 此 ，从竣工期 防渗墙的变形上看 ， 墙体向上游侧的变形并不大，但蓄 水以后，在水荷载的作用下， 墙体 向下游变形。 1 从大坝坝体变形 方面比较分析 ，刚性连接方案和柔 性连接方案相差不大。 2 对于刚 性连接方案 ，趾板下直接接} 昆 凝土 连接梁和双防渗墙 ，因此 ，趾板底 部变形较小，而面板受坝体和覆盖 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第3期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 九甸峡面板坝计算参数 y R ， 击 A 4 , 材料名称 K ／ k N． I n一 ／ 。 ／ 。 主堆石料 2 2 ． 0 1 4 o o 2 8 o 0 O ． 5 3 0 ． 9 l 9 l O o o 0 ． 0 0 5 0 ． 9 8 ． 5 次堆石料 2 1 ． 6 1 l 2 O 2 2 4 0 0 ． 5 3 0 ． 9 l 9 8 o o O ． 0 o 5 0 ． 9 8 ． 5 过渡料 2 2 ． 5 1 5 o 0 3 O o o O ． 5 5 0 ． 9 0 7 l 2 5 0 0 ． 【 x 】 5 4 ． 1 1 O ． 5 垫层料 2 2 ． 8 l 7 5 0 3 5 o o 0 ． 4 3 0 ． 7 6 8 1 2 o 0 0 ． 4 l 5 8 ． 1 1 4 ． 5 面板 2 4 ． O 3 o o O 0 o 3 0 0 0 o _ 2 0 0 o x 】 4 5 ． 0 _ 沉渣 l 6 ． O 8 0 o l 2 o o O ． 5 0 0 ． 8 7 l 4 o o O ． 3 O 3 6 ． 0 1 ． 7 覆盖层 2 0 ． 9 7 0 o l 4 o o O ． 3 l 0 ． 7 9 8 2 1 0 0 ． 2 8 4 6 ． 4 5 ． 8 防渗墙 2 4 ． 0 2 6 0 O o 0 2 6 0 O o o ‘ _ 1 7 3 O 0 o _ 4 5 ． 0 趾板 、连接板 2 4 ． 0 3 0 o O o o 3 o o o o 0 。 2 0 H 0 o o 0 4 5 ． 0 基岩 2 4 ． 0 2 0 o 0 0 0 2 o o O 0 o O ． 0 0 0 ． 0 o 1 7 5 O 0 o O ． 0 o 4 5 ． 0 O ． 0 表2 防渗墙三维计算成果汇 最大值 计算工况 竣工期 蓄水期 计算方案 柔性连接 刚性连接 柔性连接 刚性连接 上游墙 下游 墙 上游墙 下游墙 向上游 1 ． 0 0 ． 4 1 ． 1 _ _ _ 防渗墙 位 移／ cm 向下游 0 ． 2 1 1 ． 6 2 5 ． 7 1 3 ． 3 ／ MP a 1 ． 3 4 0 ． 9 6 1 ． 0 H0 1 5 ． O l 2 ． 1 1 4 ． 7 最 大张拉／ mm 5 ． 0 5 ． 2 垂直缝 最 大沉 [／ mm _ 最 大张拉／ mm 1 2 ． O l 8 ． O 周边缝 最 大沉 降／ mm 2 9 ． 5 3 6 ． O 最大剪切／ mm 8 ． 0 l 3 ． 2 层变形 的影响 ，变形相对较大 ，因此 ，两者之间的变 形差大于柔性 墙方 案。 3 从 整体 应力 变形分 布上 看，柔性墙和刚性墙方案均可满足坝体安全运行的要 求。相对而言，柔性墙方案适应地基变形较好，整体 方案较优。 4 从周边缝变形情况看 ，刚性连接方案 均比柔性连接要大，因此对止水材料的要求也高，柔 性连接好一些。 5 双墙柔性连接方案是对单墙柔性 连接方案作 了进一步的加强 ，但从施工方面考虑 ，两 道防渗墙的施工难度加大，因此设计不予推荐。 6 通过计算分析和工程类比，设计推荐采用单防渗墙柔 性 连接 方案 。 3 ． 6 实施及监测成果分析 为了掌握防渗墙的变形情况 ，施工中按照设计要 求在防渗墙中布置了 2套固定式测斜仪 ，监测防渗墙 的变形；并在钢筋网上布置了钢筋计，监测防渗墙的 面板坝已经蓄水 ， 大坝运行正常。 吕生玺∥九甸峡混凝土面板堆石坝河床防渗结构研究 应力分布。截至目前的监测成果显 示，在大坝的填筑过程中，随着填 筑高度的升高，防渗墙向上游变形 的趋势，但变形量比计算值要小， 主要由于防渗墙施工时间滞后 ；大 坝蓄水后 ，防渗墙向下游变形 ，特 别是墙中部变形值较大 ，与计算结 果趋势基本相同，防渗墙 向下游的 最大水平位移为 1 3 c m左右 ，监测 数值与计算值也 比较接近 ，说明设 计方案是可靠 的。 4 结语 九甸峡水利枢纽工程河床防渗 结构设计是保证面板堆石坝安全运 行的关键，设计中针对工程特点拟 定了单防渗墙柔性连接、双防渗墙 柔性连接、双防渗墙刚性连接等方 案 ，并采用三维非线性有限元进行 计算分析 ，研究了不同连接方式面 板一趾板一连接板一防渗墙等之间 变形 关 系，确 定 了合 理 的设计 方 案 ，为深厚覆盖层面板堆石坝的设 计和研究提供了经验。目前九甸峡 最 高水位 距正 常水位 不到 1 0 m， 参考文献 [ 1 ] 顾淦臣．深厚覆盖层面板堆石坝的混凝土防渗墙[ J ] ．青海水 力发 电，1 9 9 6 4 3 5 3 8 ． [ 2 ] 钱家欢 ，殷宗泽 ，等 ．土工 原理与计算 [ M] ．北京 中国水利 水 电出版社 ，1 9 9 6 ． [ 3 ] 李国营 ． 覆盖层上面板坝的应力变形特性与影响因素[ J ] ．水 利水运科学研究 ，1 9 9 7 4 3 4 8 - 3 5 6 ． [ 4 ] 顾淦 臣，迟世春 ，朱晟 ．深厚覆盖层地基上混凝土面板堆石坝 的三维非线性有限元分析 [ J ] ．华北水 利水 电学 报 ，1 9 9 2 3 1 9 ． [ 5 ] 朱百里 ，沈珠江 ．计算 土力学 [ M] ．上 海 上海科 技 出版社 ， 1 9 9 0 责任编辑聂建平 欢迎援稿 迦 阃 迦 告 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第3期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m