瓦都水库粘土心墙坝的设计_施工与施工期原型观测

Rf 0. 90 0. 84 0. 88 0. 90
邓肯-张( E- ) 模型参数
K
n
G
F
1 000. 0 0. 410
0wk.baidu.com 292
0. 14
1 000. 0 0. 512
0. 350
0. 16
450. 0
0. 240
0. 300
0. 20
200. 0
0. 250
0. 400
0. 20
D
Kr
nr
5. 0
图 1 大坝分区简图
应力状态良好。在正常蓄水期, 坝体大小主应力最大 值较竣工期有所增大, 二者应力分布规律基本一致, 没有出现拉应力。虽然心墙部位出现了大面积的低应
3 坝体应力应变有限元分析
力区, 但是心墙内压应力远大于相应部位的水压力, 因此, 应力“拱效应”和低应力也不会使心墙出现水力
3. 1 计算模型和参数
冲洪积含砾粘土心墙防渗料具非膨胀性、团粒 结构、压实干密度较低等物理性质, 具弱透水性、较 高抗渗性、中等压缩性和较高的抗剪强度等力学性 质; 其物理力学性均能满足心墙防渗体用料的技术 要求。玄武岩堆石料具强透水性、低压缩性和较高的 抗剪强度等力学性, 其物理力学性都能满足堆石用 料、特别是上游堆石坝壳的技术要求。天然砂卵石料 具半透水性且具有一定抗渗强度, 具低压缩性、高抗 剪强度性质, 其物理力学性质基本满足反滤过渡料 的技术要求。洪积扇碎石土料场分布不均匀, 细粒部 分具强烈分散性和强烈的冲蚀性, 其含量及性质严 重影响这种坝料的压实干密度和力学性质; 洪积扇 碎石土湿陷变形和浸水软化现象明显, 干湿抗剪强 度相差很大, 在非饱和条件下具低压缩性、较高抗剪 强度性质。为避免水的冲蚀、湿陷变形和浸水软化, 这种坝料宜用于下游干燥区, 同时应做好排水设施,
性和抗剪强度指标都达到或超过设计要求值, 说明
施工碾压参数设计的较为合理。
表 3 坝料施工碾压参数表
坝料名称
铺土厚度 / cm
碾压机械
碾压遍数 /遍
堆石料
100
16 t 平面 振动碾
8
反滤 过渡料 碎石土 坝壳料
心墙料
100
16 t 平面 振动碾
6
50
16 t 平面 振动碾
6
50
13. 5 t 凸块 振动碾
11
防止浸润线抬高, 危及坝体安全。
有限元计算采用邓肯-张双曲线非线性弹性模型,
根据上述各种坝料的物理力学性质, 对坝体进 模型数学表达式为工程界熟知并广泛使用, 在此不再
行如下分区: 含砾粘土作心墙防渗料, 玄武岩爆破堆 赘述。由试验确定的各种坝料的计算参数见表 1。
石料作上游坝壳和下游排水带, 洪积扇碎石土作坝 体下游区坝壳料, 反滤过渡料采用泥姑河全级配沙
表 4 坝料设计和施工填筑质量检测值表
坝料 名称
干密度 / g ·cm- 3
设 检测值 计 范围值 值 平均值
渗透系数 / cm·s- 1
设计值
检测值 ( 平均值)
堆石料
2. 14
2. 14～2. 27 2. 19
>
2. 6×10-
1
1. 05
抗 剪 强 度 指 标
设 计 值
检 测 值 ( 平 均 值 )
0. 01 17. 0
0. 031 21. 3
0. 037 18. 9
注: 表 4 中的 C UU和 UU值为三轴非饱和不固结、不排气剪试验指标。 表 5 0+ 070 断面各测点实测成果与其相 应各测点位置有限元法计算成果比较表
收稿日期: 2003-03-04
工程属三等工程, 主要建筑物为三级。
2 坝料性质与坝体分区
2. 1 坝料概况 冲洪积含砾粘土心墙防渗料位于泥姑河右岸坝
址区附近Ⅲ级平台, 地形平坦, 层位稳定, 储量约 35 万 m 3, 岩性以更新统冲洪积砾碎石土为主。堆石料 位于坝址区下游 1～1. 5 km 的泥姑河北支左岸, 由 二叠系峨眉山玄武岩组成, 岩石坚硬完整, 有用层厚 50 m , 储量 156. 28 万 m3; 反滤过渡料为泥姑河天然 砂卵石料, 料场位于坝址区下游泥姑河漫滩上, 由第 四系全新统冲积砂卵砾石层组成, 距坝址约 2 km , 有用储量约 12. 52 万 m 3; 碎石土坝壳料由第四系冲 洪积扇含土砾碎石组成, 砾碎石为棱角状-次棱角状 玄武岩, 距坝址约 2～3 km, 储量约 19. 35 万 m 3。 2. 2 坝料性质和坝体分区
0. 01 30. 0
0. 10 38. 0
0. 158 41. 7
0. 220 40. 0
0. 154 40. 9
0. 260 39. 2
0. 104 33. 5
0. 330 38. 6
心墙料
1. 50
1. 46～1. 64 1. 55
< 1. 0×10- 5
9. 30×10- 7
0. 01 20. 0
1 工程概况
瓦都水库工程位于凉山州布拖县拖觉区境内, 是一座以灌溉为主, 结合发电并兼人畜饮水的综合 利用工程, 为布拖县牛角湾引水工程规划中的第二 期开发项目, 系引水工程的龙头水库。
水库大坝为碾压式粘土心墙土石坝, 坝高 50. 5 m, 坝 顶高程 2 356. 5 m, 坝 顶宽 9 m, 最大坝 底宽 190. 04 m, 坝顶长 119 m, 防浪墙顶高程 2 357. 7 m。 坝体上游边坡 1∶1. 7～1∶1. 8, 下游边坡 1∶2. 3～ 1∶2. 5～1∶2. 0; 反滤过渡层宽度上游为 4 m, 下游 为 6 m ; 心墙顶宽 5 m , 底宽 29. 75 m, 边坡为 1∶ 0. 25。根据《水利水电枢纽工程等级划分及标准》, 该
竣工期坝体最大剖面应力应变等值线见图 2、
图 3 竣工 期坝体水平位移等值线图( 单位: cm )
图 4 竣工期坝体大主应力等值线图( 单位: M P a)
4 坝体施工碾压和施工填筑质量
图 2 竣工期坝体垂直沉降等值线图( 单位: cm) 12
大坝的各种坝料施工碾压参数见表 3。 施工填筑质量检测值见表 4。 由表 4 可知, 坝体堆石料、反滤过渡料、碎石土 坝壳料施工压实干密度都达到或超过设计指标, 含 砾粘土防渗料合格率> 95. 0% , 坝体各区坝料渗透
成果显示坝体坝料分区及坝体剖面设计较为合理。
现大变形。坝体应力应变最大值见表 2。
表 2 坝体计算成果表
剖面 编号 Ⅱ-Ⅱ
Ⅲ-Ⅲ
Ⅳ-Ⅳ
Ⅴ-Ⅴ
计算 工况
竣工期 正 常 蓄水期 竣工期 正 常 蓄水期 竣工期 正 常 蓄水期 竣工期 正 常 蓄水期
最大主 最小主 垂直沉 水平位移最 应力水 应力值 应力值 降最大 大值 / cm 平最大 / M Pa / M Pa 值 / cm 向上游 向下游 值 0. 801 0. 222 32. 84 3. 08 8. 47 0. 94 0. 865 0. 236 42. 35 3. 32 9. 51 0. 98 1. 382 0. 370 55. 08 4. 83 11. 13 0. 92 1. 451 0. 385 68. 94 4. 52 12. 53 0. 94 1. 274 0. 343 52. 03 3. 49 10. 41 0. 92 1. 284 0. 347 65. 19 2. 20 11. 72 0. 92 1. 091 0. 283 40. 66 2. 27 8. 22 0. 94 1. 137 0. 295 50. 26 1. 80 0. 96 0. 96
第 22 卷第 2 期 20 03 年6 月
四 川 水 力 发 电 Sichuan W ater Po wer
V o l. 22 , N o . 2 Jun. , 2 0 0 3
瓦都水库粘土心墙坝的设计、施工与施工期原型观测
孙 陶
( 四川省水利水电勘测设计研究院 水电科研所, 四川 成都 610072)
关键词: 瓦都水库; 粘土心墙土石坝; 分区设计; 坝料性质; 有限元; 原型观测; 施工控制
中图分类号: TV641. 2; T V4; TV698. 1
文献标识码: B
文章编号: 1001-2184( 2003) 02-0011-04
筑坝材料试验研究的深入, 极大地拓宽了土石 坝的用料范围和用料模式, 为土石坝更广泛地应用 提供了有利条件。如泥岩防渗料的研究和利用, 拓宽 了土石坝防渗材料的调查利用范围; 全级配反滤过 渡料的研究和利用, 简化了施工工序; 天然冲洪积扇 碎石土的研究和利用, 节省了材料的加工费用。例如 四川省的双溪、双河口、沉抗等水库心( 斜) 墙坝成功 地研究和利用砂泥岩作防渗料; 大桥水库混凝土面 板坝利用天然全级配冲洪积扇碎石土作垫层料; 瓦 都水库心墙坝利用天然冲洪积扇碎石土作下游坝壳 和天然全级配砂卵石作反滤过渡料; 晃桥水库心墙 坝利用天然全级配挤压破碎带石渣料作反滤过渡料 等。因此, 土石坝筑坝材料料场分布调查和工程性质 研究已成为土石坝优化设计的首要条件。笔者通过 瓦都水库粘土心墙土石坝的设计、施工、施工质量检 查和施工期原型观测的系列工作, 简述了土石坝设 计和建设的过程, 强调了查明筑坝料的物理力学性 质对于土石坝工程坝体设计、施工具有重要意义。
劈裂, 应力水平都小于 1, 没有出现塑性破坏单元。
表 1 有限元计算参 数表
坝料 分区 堆石料 反滤料 碎石土 防渗料
干密度 d / g·cm - 3
2. 14 2. 35 2. 00 1. 50
C / M Pa 0. 10 0. 05 0. 01 0. 015
/度
42. 0 40. 0 38. 0 20. 5
3. 2 坝体应力应变 由计算知, 竣工期坝体的大小主应力最大值都
卵石料。大坝分区见图 1。
发生在坝底部反滤过渡层与心墙的交界部位, 坝壳
和反滤层对心墙有明显的应力“拱效应”, 心墙部位 出现大面积的低应力区, 但未出现拉应力。因此, 这
种应力“拱效应”和低应力不会使心墙拉裂, 应力水
平都小于 1, 未出现塑性破坏单元, 所以竣工期坝体
8
行车 方向
平行于 坝轴线
平行于 坝轴线 平行于 坝轴线 平行于 坝轴线
备 注
充分洒水
用于下游 干区
压实后 刨毛
5 施工期原型观测
5. 1 位移观测 根据南京水利科学研究院土工研究所“瓦都水
库粘土心墙土石坝施工期原型观测资料分析”( 以下 简称“观测资料”) 得知: 大坝表面沉降量 最大值在 10 cm 以内, 占坝高的 0. 19% , 水平位移很小。坝体 内水平位移最大值在 6 mm 以内, 表明施工期坝体 内水平位移很小, 符合本工程的实际情况。2 330 m 高程以位于心墙下游边缘测点沉降量最大, 为 302 m m, 占坝高的 0. 6% ; 2 345 m 高程以位于心墙下游 边 缘 测 点 沉 降 量 最 大, 为 118 mm , 占 坝 高 的 0. 23% 。表 5 为 0+ 070 断面坝体内各测点的沉降 量。其中 SG1 和 SG5 为堆石区测点, SG2、SG3 和 SG6 为反滤过渡层测点, SG4 和 SG7 为心墙测点。
CCD / M P a C CU / M P a CUU / M P a CCD / M P a CCU / M P a CUU / M P a
CD / 度
CU / 度
UU / 度
CD / 度
CU / 度
UU / 度
0. 10
0. 05
0. 182
0. 203
42. 0
40. 0
41. 7
37. 6
2 000. 0 0. 410
2. 5
2 000. 0 0. 512
0. 8
900. 0 0. 240
0. 5
400. 0 0. 250
坝体在竣工期和正常蓄水期最大沉降均为坝体 3、4。竣工期坝体应力应变分布符合一般规律, 计算
高度的 1% 左右, 水平位移不大, 因蓄水引起的附加 沉降和附加水平位移都在正常范围内, 坝体没有出
摘 要: 查明筑坝料的物理力学性质并依据坝料性质进行坝体设计是土石坝设计的关键和保证其经济安全的根本所在。施工期的
质量检查和原型观测 是保证施工质量的必要手段, 并能为今后工程 运行管理提供可靠依据。通过瓦都 水库粘土心墙 土石坝的设
计、施工控制和原型观测, 可为今后类似的土石坝设计提供有益的借鉴。
反 上游
2. 35～2. 45 2. 41
1. 0×10- 3
2. 52×10- 3
滤
2. 35
～
料 下游
2. 35～2. 46 1. 0×10- 4 1. 56×10- 3
2. 42
碎石土 坝壳料
2. 00
2. 15～2. 33 2. 26
0. 05 40. 0
0. 01 36. 0
0. 05 38. 0