PDF《纵向增强体土石坝的设计原理与方法》

第46 卷第

2 期2018 年3月河海大学学报(自然科学版)Journal of Hohai University(Natural Sciences) Vol.

46 No.

2 Mar.

2018 DOI:10.

3876 / j. issn.

1000 1980. 2018. 02.

005 摇摇作者简介: 梁军(1962―),男,高级工程师,博士,主要从事水利技术管理工作. E鄄mail:liangoojun@ 163. com 引用本文: 梁军. 纵向增强体土石坝的设计原理与方法[J]. 河海大学学报( 自然科学版),2018,46(2):128鄄133. DOI:10.

3876 / j. issn. 1000鄄1980. 2018. 02. 005. 纵向增强体土石坝的设计原理与方法 梁摇 军 (四川省水利厅,四川 成都摇 610017) 摘要: 为提高土石坝的安全运行性能,提出在常规土石坝中设置混凝土纵向增强体,这一刚性结构 体在坝体内具有防渗、受力和抵抗变形三重作用. 采用经典力学方法定量分析了纵向增强体的防 渗作用、抗变形能力和承受外力的能力,得出增强体厚度与上下游水位、堆石坝体物料特性之间的 定量关系. 理论公式推导将增强体作为竖向固端梁,主要受上下游水体作用、堆石主动土压力和因 心墙和堆石差异沉降而产生的堆石对墙体两侧的拖曳力作用. 由扰曲微分方程得出增强体顶部变 位及转角和底部固定端应力计算公式,并以此进行设计复核,进而提出通过兼顾基础灌浆和满足增 强体应力要求的预埋灌浆钢管的施工方法. 关键词: 土石坝;

纵向增强体;

刚性结构;

防渗;

拉应力;

设计方法 中图分类号:TV641摇摇摇文献标志码:A摇摇摇文章编号:1000 1980(2018)02

0128 06 Design principle and method for the earth rockfill dam with longitudinal reinforcements LIANG Jun (Water Conservancy Office of Sichuan Province, Chengdu 610017, China) Abstract: To improve the operational safety of earth rockfill dam, a longitudinal reinforcement is proposed. This rigid structure has triple functions as the seepage controlling, stress resistance and deformation resistance. Based on the classical mechanics, its anti鄄seepage effect, anti鄄deformation ability and the capacity to withstand external force is quantitatively analyzed. In addition, the quantitative relationships between the reinforcement thickness and the downstream water level, as well as the material properties of the rockfill dam are derived. For the theoretical derivation, the reinforced body is regarded as a fixed鄄end beam, loaded by water pressures from upstream and downstream, the active earth pressure from rockfill and the vertical drag force due to the differential settlement between core walls and rockfill. The top displacement together with the rotation angle and the bottom stress of the fixed end are derived from the deformation differential equation and validated through designing reviews. Subsequently, the construction method of buried steel pipe, which is adopted to perform the base grouting and also to meet the strength requirements, is put forward. The proposed method plays an important guiding role in rehabilitating and reinforcing the dangerous earth rockfill dams, as well as the design and construction of new dams. Key words: earth rockfill dam;

longitudinal reinforcement;

rigid structure;

anti鄄seepage;

tensile stress;

design method 土石坝一直是应用最广泛的一种水工坝型. 统计表明,已建成的各类坝型中土石坝所占比例最高[1] , 这说明土石坝与其他坝型相比仍然具有强大不衰的生命力. 但是,与混凝土类坝(如重力坝、拱坝)等刚性 结构相比土石坝运行更具风险性,国际大坝委员会在

20 世纪

90 年代的调研表明,按溃坝计,土石坝数量最 多,占总数的 70% . 这方面,中国同样不例外,有资料显示,在失事的土石坝中,洪水漫顶占 50郾6% ,设计施 第2期梁摇 军摇 纵向增强体土石坝的设计原理与方法 工质量差占 38% ,运行管理不善占 5郾3% ,其他事故为 6郾1% [2] . 常规土石坝(如均质坝、土质心斜墙坝)经 过长期的运行,多数坝体会出现渗漏、裂缝、滑坡等不同程度病害,若不及时加固处理,可能造成溃坝、失效等 严重危害. 土石坝坝体渗漏会导致坝体下游浸润线抬高,使得白蚁易于筑穴繁殖,形成管涌通道,或者降低 了坝体的抗剪强度指标,从而对坝体稳定性带来不利影响. 尽管水利部《水库大坝安全鉴定办法》 规定每

6 ~

10 a必须开展一次安全鉴定,但实际操作存在较大困难,主要是数量众多,工作量太大,安全鉴定的经费 也十分缺乏. 另外,从病险土石坝水库除险加固情况看,土石坝的整治―维护―加固―良性运行具有周期 性. 一般每隔

15 ~

20 a 就需要治理一次,同样耗时费钱. 由于土石坝存在上述影响安全运行的病险情况以及安全鉴定、除险加固方面的实际困难,有必要加大研 究与开发新技术,有效减小土石坝周期性重复治理和可能出现的溃坝灾害,同时也对新建土石坝具有指导作 用. 从目前的工程实践看,刚性结构体与土石坝填筑体的组合关系一般分为外部和内部组合两大类,钢筋混 凝土面板堆石坝就是刚性结构体(面板) 与土石填筑体的一种外部组合形式,这种坝型现已相当普遍[3鄄5] . 为此,采用内部组合创新的方法,研究提出既保留土石坝工程的一些长处又吸收诸如重力坝混凝土刚性材料 的优点,刚柔相济,形成一种较新颖的水工坝型,以大幅度降低土石坝溃坝风险,从而进一步增强土石坝的安 全性能. 笔者提出一种在柔性土石坝中 插入冶刚性结构体的建坝思路,即在土石坝中置入由混凝土或钢筋 混凝土等刚性结构材料制成的所谓纵向增强体(简称纵向体或增强体),以期增强土石坝的防渗、受力和抵 抗变形能力,降低土石坝运行风险,延长土石坝安全运行周期. 1摇 纵向增强体土石坝的设计原理与方法 纵向增强体不同于塑性混凝土心墙或沥青混凝土心墙,因为后者只起防渗作用. SL 274―2001《碾压式 土石坝设计规范》[6] 虽然允许防渗体采用混凝土防渗心墙,但并没有从技术理论阐述这样做的科学性、合理 性,缺乏相关计算方法和依据,也没有认识到这种心墙除防渗作用以外,还能够作为坝体受力结构的一部分, 承受应力和抵抗变形,因而《碾压式土石坝设计规范》不完备. 1. 1摇 防渗作用 纵向增强体在土石坝中担任防渗作用已经突破了一般采用模量较低的土料及土石混合料防渗的界限. 图 1摇 增强体心墙正常渗流示意图 Fig. 1摇Seepage diagram of the earth鄄rock dam with vertical reinforced body 纵向增强体可以采用施工技术十分成熟的诸如地 下连续墙、圬卡石混凝土防渗墙、高压喷射防渗墙 等刚性体构成,在坝体中形成一道整体防渗心墙. 如图

1 所示为这类坝型正常运行期的渗流情形,上 游水位可近似认为与库水位持平,在纵向增强体 (此时亦可称防渗心墙)内的浸润线一般亦为二次 曲线,但考虑到心墙厚度 啄 较薄可以认为心墙内的 浸润线为一急剧下降的陡倾直线,在心墙下游面出 露并高出下游水位 h0 [7鄄8] : h0 = ke 2啄k (H2

1 - H2

2 ) (1) 其中 啄=ke 2vc2 H2 H2

1 - v2 c2 v2 ce H ? è ? ? ? ÷

2 2 摇摇vce = ice ke 摇摇vc2 = ic2 k2 式中:ke ― ― ―增强体心墙的渗透系数;

H1 ― ― ―上游水头;

k― ― ―坝壳体渗透系数;

H2 ― ― ―下游水头;

啄― ― ―增强 体心墙厚度;

vce ― ― ―心墙与下游坝壳界面上的允许逸出流速;

ice ― ― ―心墙体的允许水力坡降;

vc2 ― ― ―下游坝 壳至下游界面上的允许逸出流速;

ic2 ― ― ―下游坝壳的允许水力坡降;

k2 ― ― ―下游坝壳的渗透系数. h0 一经算出,可据此作为下游排水体的设计依据. 一般增强体心墙在坝内的防渗标号已能满足土石坝 防渗等级要求,其对应的渗透系数一般为 Ke = A伊10-8 ~ A伊10-10 cm/ s. 这种结构与常规土石坝一样,依然是 坝基、坝肩接合部的防渗最为关键,施工前应按设计预先在坝基、坝肩部位埋设后期注浆管,以便于实施连接 墙体和坝基帷幕灌浆及固结灌浆[8鄄16] .

9 2

1 河海大学学报(自然科学版)第46 卷1. 2摇 抗变形能力 在单宽截面上,增强体心墙可视作受上、下游堆石和水荷载作用的固端梁,这种坝型结构的变形在

2 个 方面倍受关注,一是上下游堆石相对于增强体心墙产生的向下沉降 S,二是增强体心墙顶部的扰度 y0 、转角 兹0 等. 1. 2. 1摇 增强体心墙上下两侧的堆石沉降 S S 由堆石体自重引起的沉降 S1 和上部新填堆石对下部堆石层的附加沉降 S2 组成,即S=S1 +S2 ,取纵轴 z 原点位于坝底,方向向上为正. 重点研究堆石体与增强体在坝体轴部附近相接触的变形情况,由于在坝体轴 部近似成立侧限条件,坝体填筑高度为 z 处的堆石自重沉降: S1 = 乙z0籽g Es (z - 孜)d孜(2) 其中 Es = Es0(z - 孜)n [17 -20] 摇摇填筑高度 z 以上的堆石层厚度为 驻h(驻h =H-z, H 为坝高),形成对已填堆石层的附加沉降 S2 : S2 = 乙z0籽g Es (H - z)d孜(3) 式中:籽― ― ―堆石体密度,可取各种料的平均值;

Es0 ― ― ―堆石料压缩模量初始值;

n― ― ―邓肯-张模型参数. 由式(2)、式(3)得S=S1 + S2 = 籽g Es0

1 2 - n z2 -n +

1 1 - n (H - z)z1 [ ] -n (4) 摇摇堆石坝最大沉降发生在坝高(1-n)H 处,其值为 Smax = 籽gH2 -n (2 - n)(1 - n)n Es0 (5) 图 2摇 纵向增强体受力简图 Fig. 2摇Force diagram of the vertical structure 1. 2. 2摇 增强体心墙顶端的挠度与转角计算 以坝轴线为 z 轴,单位长度纵向增强体心墙作为固 定端梁在其顶端 T 点的挠度和转角可由挠曲线近似微 分方程 d2 y dz2 = M Ec Ic 积分求得(y 为上下游方向的挠度值,M 为力矩,Ec 、Ic 分别为增强体心墙的弹性模量、惯性矩). 为此,可将增强体心墙的受力状况分为施工期和运行 期. 施工期心墙受上、下游堆石体主动土压力作用和心 墙顶部以上至坝顶(亦称通填区)的土重力作用;

运行期 除上面作用以外,还有上、下游水荷载作用,如图

2 所示.........