王建國(guó)
(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局,新疆 伊寧 830000)
某大壩安全監(jiān)測(cè)資料的反饋分析
王建國(guó)
(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局,新疆 伊寧 830000)
為了全面了解和監(jiān)控樞紐的建設(shè)和運(yùn)行情況,特別是攔河大壩的變形、滲流及應(yīng)力發(fā)展,樞紐中埋設(shè)了大量觀測(cè)儀器并進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)測(cè),并取得了豐富的觀測(cè)資料,這些資料為該壩的反饋分析提供了必要的基礎(chǔ)。根據(jù)大壩監(jiān)測(cè)資料整理及分析成果,對(duì)某心墻堆石壩進(jìn)行了有限元變形滲流反饋,并預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)壩體今后的變形和滲流安全。
滲流反饋;變形;滲流安全;安全監(jiān)測(cè)
某水利樞紐攔河壩壩型為粘土心墻堆石壩,壩頂高程 1 003 m,最大壩高 108 m,壩頂長(zhǎng)度 362 m,壩頂寬 12.0 m,上游壩坡 1∶2.5,下游綜合壩坡1∶2.33,心墻防滲體頂高程 1 001.0 m,寬 6.0 m,心墻上下游邊坡1∶0.3。
在心墻堆石壩的施工、蓄水過程中,壩體,特別是心墻內(nèi)的土骨架變形和滲壓之間存在比較復(fù)雜的耦合關(guān)系,基于 Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力計(jì)算分析方法是最接近實(shí)際情況的分析方法。
在計(jì)算分析中選用國(guó)內(nèi)比較通行的沈珠江雙屈服面彈塑性模型(簡(jiǎn)稱沈珠江模型),模擬土骨架的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,并采用增量迭代法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中未考慮筑壩材料的流變和濕化。
沈珠江雙屈服面模型采用如下彈塑性增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,按(1)-(2)式計(jì)算:
式中[]Dep為彈塑性模量矩陣,對(duì)于平面應(yīng)變問題Ge和 Be分別為彈性剪切模量和體積模量,按式(3)~(4)計(jì)算:
v 為泊松比,可以取 1/3。Eur按照式(4)計(jì)算
Pd為大氣壓力 1.01×105kPa。A1和 A2為 2 個(gè)塑性系數(shù),按式(5)-(12)計(jì)算:
式中:
該模 型 共有 9 個(gè) 計(jì) 算參 數(shù) c′,φ′,K,Kur,n,Rf和 cd,nd,Rd,可由一組不同圍壓下的三軸試驗(yàn)得出。模型采用以下雙屈服面:
式(11)和式(12)同時(shí)成立表示全加荷,同時(shí)不成立表示卸荷,其中之一成立表示部分加荷。如果A1=A2=0,彈塑性矩陣將退化為彈性矩陣。
分析中假定土體中的孔隙氣以氣泡形式封閉或溶解在孔隙水中,把水氣混合體當(dāng)作一種可壓縮的流體對(duì)待,認(rèn)為流動(dòng)服從 Darcy 定律,并取滲透系數(shù)為常量。含氣水的壓縮系數(shù)按式(13)-(14)考慮:
其中,ns為孔隙率;Sr為飽和度;c0為無氣水壓縮系數(shù),其值為 4.7×10-7kPa-1,Pw為孔隙水壓力。飽和度按 H ilf公式計(jì)算:
其中,(Sr)0為填筑時(shí)的初始飽和度;ch為亨利溶水系數(shù),常溫下可以近似取 0.02;Pa為大氣壓;Pw為孔隙壓力。
對(duì)攔河大壩的監(jiān)測(cè)以河床最大 0+175 m 斷面為主監(jiān)測(cè)斷面,并以左岸 0+123.5 m 斷面和右岸0+223 m 斷面為副監(jiān)測(cè)斷面,兩岸 0+060 m 和 0+270 m 斷面的監(jiān)測(cè)用于考察安排開挖較陡處的拱效應(yīng)。
參考實(shí)際的施工和蓄水過程,計(jì)算過程模擬了實(shí)際施工、蓄水運(yùn)行的全部過程(從 2003 年 10月開始施工,2005 年 6 月填至壩頂;同年 6 月 25日開始蓄水,一直到監(jiān)測(cè)資料結(jié)束時(shí),即 2006 年 1月),共計(jì) 36 個(gè)計(jì)算級(jí),分為 3 個(gè)階段。
第一階段(1-5 級(jí)):從 2003 年 10 月至 2004年 5 月,模擬了圍堰檔水的干填筑期,期間庫水位保持為 920.70 m,壩體填高至 922.2 m。其中包括一個(gè)計(jì)算級(jí),壩體填筑高程和庫水位均不發(fā)生變化,為 2003 年底到 2004 年初約 3 個(gè)月時(shí)間的冬季停工期。
第二階段(6-22 級(jí)):從 2004 年 5 月至 2005年 6月,模擬壩體一邊填筑一邊蓄水的過程,期末,壩體填筑到頂(1 002.0 m 高程),水庫蓄水至945.70 m。其中也包括一個(gè)計(jì)算級(jí)壩體填筑高程和庫水位均不發(fā)生變化,為 2004 年底到 2005 年初約4個(gè)月時(shí)間的冬季停工期。
第三階段(23-36 級(jí)):從 2005 年 6 月至 2006年1月為蓄水期,模擬水庫蓄水、水位上升的過程,該段時(shí)期內(nèi)庫水位自 945.70 m 上升至 986.63 m,6 月內(nèi)水位上升超過 40 m。
第三階段后,假定庫水位按照原先的速度繼續(xù)上升,直到達(dá)到正常蓄水位 995.0 m,這個(gè)階段的模擬用 37~39 級(jí)的計(jì)算來完成。
為預(yù)估水位驟降、驟升條件下壩體的變形滲流情況,在第四階段結(jié)算后,還增加了 2 段各 3 級(jí)針對(duì)虛擬情況的計(jì)算,以考察非常運(yùn)用情況下壩體的變形滲流情況。每段分析前后均安排一段長(zhǎng)2年的時(shí)間用以消散超靜孔壓,以得到比較穩(wěn)定的計(jì)算初始狀態(tài)。對(duì)于庫水位的驟升驟降,國(guó)內(nèi)尚無明確限制。但為了體現(xiàn)極限情況,模擬中假定7 d內(nèi)水位發(fā)生驟升驟降,范圍設(shè)定為死水位 964.0 m~正常蓄水位 995.0 m 共 31 m 的區(qū)間。
壩體填筑分期情況,及填筑過程與庫水位上升的關(guān)系,見圖 1。
圖1 填筑過程與庫水位上升關(guān)系
4.1 填筑期的反饋分析
計(jì)算的反饋分析主要針對(duì)壩體填筑期進(jìn)行,即上述第一和第二階段。壩體填筑完成時(shí)的沉降分布,最大沉降發(fā)生在壩高 1/3~1/2 范圍內(nèi),心墻沉降量大于壩殼沉降量,與實(shí)測(cè)一致。最大沉降發(fā)生的位置比一般土石壩中最大沉降發(fā)生的位置略低,原因在于堆石壩上下游壩坡均比較緩。壩體中不同高度處的計(jì)算沉降和實(shí)測(cè)沉降不僅在大小上符合較好,并且其沿深度的變化規(guī)律也非常接近。壩體實(shí)測(cè)最大沉降為 422 mm,計(jì)算最大沉降為450 mm,兩者發(fā)生高程基本一致。壩體沉降率小于0.5%,說明該壩施工質(zhì)量較好。沈珠江曾發(fā)現(xiàn),對(duì)于狹窄河谷中的土石壩,三維計(jì)算值約為二維的 75%~80%,考慮心墻堆石壩壩址河谷寬度不太窄,可以認(rèn)為上述計(jì)算和實(shí)測(cè)最大沉降之間的差異正體現(xiàn)了二維計(jì)算條件與實(shí)際三維條件的差異。
壩殼中有效大主應(yīng)力最大值為 2.09 MPa,有效小主應(yīng)力最大值為 1.10 MPa;心墻中有效大主應(yīng)力最大值為 1.32 MPa,有效小主應(yīng)力最大值為0.79 MPa。根據(jù)斷面應(yīng)力分布可見,由于心墻沉降大于壩殼,壩殼對(duì)心墻存在明顯的拱效應(yīng),這一方面加大了壩殼所受豎直應(yīng)力,另一方面則減小心墻的豎向應(yīng)力。拱效應(yīng)在較低高程處比較明顯,而較高高程處逐漸趨緩。同時(shí),由于心墻下游側(cè)地形凸起,下游側(cè)拱效應(yīng)較上游側(cè)更為明顯,說明心墻上下游側(cè)開挖地形的差異對(duì)心墻的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)有較大的影響。盡管心墻兩側(cè)存在一定的拱效應(yīng),但是心墻中的有效應(yīng)力仍然保持較高水平,因此,發(fā)生水平、豎直裂縫或水力劈裂的可能性很小。
壩體填筑完成時(shí),壩體中應(yīng)力水平分布比較均勻,這說明壩體設(shè)計(jì)合理,不會(huì)發(fā)生剪切破壞,整體穩(wěn)定性比較容易保證。應(yīng)力水平最高值為 0.5,發(fā)生在庫水位線下的心墻上游側(cè),原因在于心墻透水性較低,受到庫水推力作用時(shí)向下游發(fā)生彎曲變形,因而接近心墻的上游壩殼由于圍壓減小而應(yīng)力水平增高。
4.2 蓄水期的模擬分析
末期(2006 年 1 月)壩體的沉降和孔壓分布已有監(jiān)測(cè)結(jié)果。假定保持原水位上升速度,首次蓄水至正常蓄水位時(shí)壩體的沉降和孔壓分布。繼續(xù)蓄水,直至蓄到正常蓄水位時(shí),壩體的沉降較竣工時(shí)不會(huì)有大的變化,這與實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的。同時(shí),水位不斷上升的過程中,心墻內(nèi)孔隙壓力沒有明顯積累,從上游側(cè)到下游側(cè),孔隙壓力沿著心墻迅速降低,該分布符合一般規(guī)律。
4.3 水位驟降、驟升預(yù)測(cè)
在模擬蓄水至正常蓄水位 995.0 m 后,采用反饋得到的參數(shù)預(yù)測(cè)了經(jīng)歷極限運(yùn)用條件時(shí)壩體的安全性。
經(jīng)過近5年的孔隙壓力穩(wěn)定后得到的孔隙壓力分布,孔壓分布非常接近,這說明在按照實(shí)際蓄水速度進(jìn)行蓄水時(shí),庫水位上升造成的超靜孔隙水壓力消散較快,心墻中已明顯形成穩(wěn)定滲流。
水位在 7 d 內(nèi)驟降、驟升 31 m 剛剛完成時(shí)壩體的計(jì)算孔隙壓力分布。由于水位升降速度過快,心墻內(nèi)出現(xiàn)了比較明顯的孔壓變化的滯后現(xiàn)象。但是,由于心墻中孔壓沒有大的累積和增長(zhǎng),孔壓值比總應(yīng)力小很多,同時(shí),水力梯度較穩(wěn)定滲流期增大不多,因此,心墻發(fā)生水力劈裂和滲透破壞的可能性不大。
驟升驟降發(fā)生后,壩體變形沒有大的增長(zhǎng),應(yīng)力水平略有提高,水位驟降后,應(yīng)力水平達(dá) 0.5 以上的區(qū)域范圍有所擴(kuò)大,但仍局限于心墻下部及其上游側(cè)。水位驟升后,應(yīng)力水平較剛填筑完成時(shí)變化較多,主要體現(xiàn)在心墻上部及其下游側(cè)應(yīng)力水平下降,而心墻中下部及其上游側(cè),特別是心墻中部緊貼心墻的壩殼部分應(yīng)力水平大幅上升,上游壩面附近應(yīng)力水平也有較大上升。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于短期內(nèi)水位上升時(shí),心墻來不及透水而在水荷載作用下向下游彎曲,從而下游側(cè)由于受到擠壓而圍壓升高,剪應(yīng)力水平下降;而上游側(cè)則由于側(cè)向釋放而圍壓降低,從而導(dǎo)致剪應(yīng)力水平上升。
1)反演分析說明,大壩變形、孔壓及應(yīng)力分布符合土石壩的一般規(guī)律。
2)計(jì)算分析較好地反映了大壩的沉降變形及滲壓分布,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均符合很好。在反演分析基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)計(jì)算說明,蓄水至正常蓄水位后,壩體沉降變形較竣工期變化不大,同時(shí),心墻仍能繼續(xù)承擔(dān)絕大部分水頭。
3)無論竣工期還是蓄水期,壩體最大沉降均小于 0.5%;同時(shí),壩體內(nèi)部剪應(yīng)力不高,且分布均勻,說明壩體設(shè)計(jì)合理,施工質(zhì)量較好,變形已基本穩(wěn)定,長(zhǎng)期來講不會(huì)出現(xiàn)壩體變形或壩坡穩(wěn)定問題。
4)心墻內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅度的孔壓積累和增長(zhǎng)現(xiàn)象,孔壓整體水平較低,且消散比較迅速,不會(huì)對(duì)壩體安全造成影響。
5)壩殼對(duì)心墻存在一定拱效應(yīng),但不明顯。心墻靠近下游壩底處壩殼與心墻相互作用較大,但心墻內(nèi)絕大部分位置孔壓水平較低,因此心墻中大、小主應(yīng)力均能保持較高數(shù)值,壩體內(nèi)不具備出現(xiàn)水力劈裂的應(yīng)力條件。
6)在水位驟升、驟降條件下,心墻同樣不具備發(fā)生水力劈裂的應(yīng)力條件,心墻內(nèi)水力坡降不大,不具備發(fā)生滲透破壞的水力條件。壩體沒有明顯大幅變形出現(xiàn),雖然壩體部分區(qū)域剪應(yīng)力水平增長(zhǎng)較高,但區(qū)域較小,壩體的變形和穩(wěn)定安全性均能基本保證。
7)變形滲流耦合的計(jì)算分析說明,心墻堆石壩的設(shè)計(jì)合理,在竣工期、蓄水期及極限運(yùn)用條件下都能基本保證其安全性。
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1002-0624(2014)07-0059-03
2014-05-12