软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践.pdf

第1 5 卷第3 期中国水利水电科学研究院学报 v 。1 1 5N o 3 2 0 1 7 年6 月 J 叫r n a lo fC h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h J u n e ，2 0 1 7 文章编号：1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 7 ) 0 3 0 1 8 7 0 7 软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践 李晓平，梅伟，张宝琼，樊勇 ( 云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明6 5 0 0 2 1 ) 摘要：某土石坝坝轴线长达1 1 7 2 m ，在如此长的大坝地基范围内，分布有上第三系2 0 多个地层，地层与地层之 间的力学指标差异较大，地质条件十分复杂。如何解决坝体的不均匀沉降，是该拦河坝工程的关键技术问题。为 解决这一技术难题，本文采用理论计算和离心模型试验相结合的方法，论证了采用分期、分段预压的设计和施工 筑坝技术的可行性，水库建成3 年后坝体沉降观测僮3c m 事实，验证了该设计和施工方案的正确性。 关键词：基础处理；不均匀沉降；处理对策 中图分类号：T V 6 4 l 文献标识码：A d o i ：1 0 1 3 2 4 4 j c n k i j i w h r 2 0 1 7 0 3 0 0 4 不均匀沉降变形是土石坝被破坏的主要因素之一。麻栗坝水库拦河坝地质条件十分复杂，其土 坝坝轴线长达1 1 7 2m ，在其坝基范围内，分布有上第三系2 0 多个地层，且均属透水地基地层，按 N 1 、N 2 、N 3 、N ”、N 2 0 、N 2 1 排序，各地层之间即含砾砂土N 1 、N 3 、N 5 、N 2 1 与砂质黏土N 2 、 N 4 、N 6 、N 2 0 之间的力学指标差异较大，抗剪强度指标差别大，软硬地层在平面和空间上交错排 列，被俗称为“夹心饼干”。由于地形和淹没条件的限制，需要在此坝址建坝。因此解决坝基不均匀 沉降变形是该坝建设的关键技术之一。 目前国内外对建筑物级别为4 级的中低拦河坝，且地质条件单一的软基沉降变形，多以经典理论 计算，实施中预留沉降计算高度或者进行基础处理来减小沉降变形；对建筑物级别为3 级及以上的拦 河坝或者建筑物为4 级的中低拦河坝、地质条件复杂的软基沉降变形，多以经典理论计算和有限元分 析相结合，并采用离心模型试验加以验证，实施中预留沉降计算高度或者进行基础处理来减少沉降 变形。本拦河坝地基岩层分布相当复杂，难以用有限元分析进行模拟，也未有相类似工程的研究成 果借鉴。 通过研究该坝地基沉降变形，为减少不均匀沉降，本文开展了软基处理方案比较，采用理论分 析计算和离心模型试验相结合的方法，论证了所选方案的可行性。最后对选定方案进行了实施和工 程运行验证。 l工程问题 1 1 工程概况麻栗坝水库工程位于云南省德宏州陇川县境内城子镇以北5k m 的南宛河上游。水库 为大( 2 ) 型水利枢纽工程，以灌溉、防洪为主，结合发电等综合利用。水库总库容1 0 6 7 1 0 m ，拦 河坝为土质分区坝( 心墙坝) 和均质坝，最大坝高3 7 6m ，拦河坝为2 级建筑物，设计地震烈度为7 。 1 2 地质条件的复杂性麻栗坝水库坝基地层由第四系及上第三系组成。上第三系( N ) 为洪水湖相 沉积，含砾砂土夹黏土层，总厚度未见底界，属无限深透水软基土层。 坝基持力层为上第三系地层，由巨厚含砾砂土和黏土层构成，在平面和空间成互层状，以含砾 砂土为主，其中含砾砂土岩组1 0 层( N 1 、N 3 、N 5 、N ”) ，总厚度约9 1 0m ，占7 7 6 5 ，透水层， 成岩度差，承载力低( 尺 = 0 2 0 6M P a ) ，属中等压缩性；黏土岩组1 0 层( N 2 、N 4 、N 。、N “) ， 总厚度2 6 2m ，占2 2 3 5 1 ，薄层黏土层，为隔水层( R = 0 1 O 2 5M P a ) ，属高压缩性土，抗剪强 收稿日期：2 0 1 6 0 7 2 8 作者简介：李晓平( 1 9 5 8 一) ，云南昆明人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。E m a i l ：3 7 6 1 6 9 2 2 3 Q Q c 0 “ 一1 8 7 万方数据 软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践李晓平梅伟张宝琼 樊勇 度低( 西：1 1 5 0 1 5 7 0 ) 。主要持力层：N ”为砂质黏土；N ”为含砾砂土；N ”为黏土；N ”为含砾粗中砂 土；N “为黏土夹细砂土；N 1 3 为粗、中、粉、细砂土；N ”为砂质黏土夹中砂土；N “为中砂土夹薄层 砂质黏土；N 为粉砂质黏土；N 9 为含砾砂土，卵砾质土；N8 为粉砂质黏土；N7 为含砾砂壤土及卵砾 质土；N 6 为砂质黏土、黏土；N 5 为砂卵砾质土；N 4 为灰黑色黏土，强度偏低；N 3 为含砾中粗砂土； N2 为砂质黏土；N 为含砾中细砂土。除以上主层外，每一个主层还派生有众多力学指标不同的副 层，如横剖面中N 3 1 2 、3 1 4 、5 等。各地层纵剖面和横剖面布置详见图1 、图2 。鉴于篇幅所限，左岸坝段 连同地层N “、N ”、N ”、N ”和各副层均未示出。 表1拦河坝基础及坝体的物理力学指标 坝基 上第 三系 土层 1 7 4 1 3 拦河坝的结构布置拦河坝被溢洪道分隔，溢洪道左岸坝段为黏土均质坝，右岸坝体为心墙 坝，最大坝高3 7 6m ，坝顶长1 1 7 2m ，坝顶宽6m ，坝顶高程1 0 0 0 6 0m ，上游坝坡1 ：3 ，下游坝坡从 上至下分别为l ：2 、1 ：2 5 、1 ：3 ，心墙顶面与坝顶面齐平，上游坡比1 ：0 3 5 ，下游坡比l ：0 2 5 。上游 设一层反滤，下游设三层反滤，坝基采用混凝土防渗墙防渗。结构布置详见图2 。 1 4 存在的问题从坝基地质条件和拦河坝结构布置综合分析，该拦河坝地质条件十分复杂，坝轴 线长达1 1 7 2m ，在1 0 0 0 多m 的坝体范围内，分布有上第三系2 0 多个地层，含砾砂土地层与砂质黏土 地层之间的力学指标和渗透系数差异较大，软硬地层在平面和空间上交错排列，显然，在该地基上 填筑土石坝需要解决坝基的不均匀沉降变形问题。 2 软基上筑坝方案论证 为了安全筑坝，解决该坝地基不均匀沉降的问题，提出坝基大挖除、振冲置换碎石桩、坝体一 次性填筑和坝体分期填筑等4 种方案，并对所选方案开展技术经济比较，通过理论计算和离心模型 试验论证确定出设计和施工方案。 2 1 挖除方案将N 2 、N 4 、N 6 、N ”砂质黏土层挖除，回填含砾砂土，使坝体沉降均匀，但由于 砂质黏土分布不均匀，使开挖施工即有不确定性，在具体开挖实施过程中，含砾砂土极易垮塌，且 上第三系中，含有承压水，势必给施工排水、基坑护壁加固带来较大困难，另一方面，由于上第三 系层间软硬夹杂，不同的岩层分布于不同的空间，空间分布相当复杂，在现场施工中不易分清需挖 除的土层，因此，挖除方案不可行。 2 2 软基振冲加固方案 振冲碎石桩可有效穿透障碍物，桩体连续性好，由高强度的微风化碎石作 为填料与软基组成复合地基，经适当固结后抗剪强度满足上部结构的抗滑稳定需要，承载力将能明 显改善和提高，将有效地减少不均匀沉降变形，但由于坝轴线较长，处理面积较大，工程造价较 高，被否定。 2 3 坝体分期填筑方案 由于坝基特殊的地质条件，坝体长度又较长，如按常规一次性筑坝至坝 顶，坝基将可能产生较大的不均匀沉降，导致坝体破坏，经技术经济比较，该坝基的基础处理方案 又不可行，为保证大坝安全，及大坝的建设施工、蓄水和运行管理提供重要的科学技术支撑，并从 节约工程投资考虑，经填筑方案比较分析后提出分期、分时段预压的设计和施工筑坝技术方案，即 一】8 8 一 l 耄呈! 譬川祭，、 N 舛 ，繁w祭。、 N 万方数据 软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践李晓平 梅伟张宝琼樊勇 稚 墟 l O l O 1 0 0 0 9 9 0 = 9 8 0 器9 7 0 9 6 0 9 5 0 9 4 0 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。该分三期筑 坝方案是否可行，计算坝基和坝体各纵向位置准确的沉降量就成为分析和解决拦河坝不均匀沉降问 题的关键所在。 由于坝基具有极其复杂的水文地质条件，按照经典理论计算的沉降值是否准确，土坝在运行中 是否会由于不均沉降而被破坏，在如此复杂的地质条件下要解决这样的技术难题，仅靠经典理论计 算存在一定的局限性，为此，在设计中引入土坝的离心模型进行验证，以达到理论和实践的完美结 合，保证拦河坝工程安全可靠。 按经典理论计算( 方法1 ) 和离心实体模型进行验证( 方法2 ) 土坝一次性填筑至坝顶的沉降量和分 期筑坝的沉降量研究方法分述如下： ( 1 ) 大坝沉降计算( 方法1 ) 。 坝体变形的基本假定：( a ) 坝体中任何一点由自重所引起的垂直压应力等于该点上面土柱的重 量。( b ) 大坝土料在压缩时不发生侧向变形”1 。 计算条件和方法：沉降计算采用分层总和法。1 分别对坝体和坝基。6 1 计算，附加应力按土石坝 设计规范计算。 压缩层最大计算深度，按附加应力与自重应力的比值达到0 2 时为控制标准。 将坝体和坝基沿纵向每3 0m 取一个横断面，计算该断面沉降值，分别在坝体和坝基纵断面将各 横断面计算的沉降值连接成为一条曲线。 计算公式：按照碾压式土石坝设计规范( s L 2 7 4 2 0 0 1 ) 中土坝沉降计算公式。8 4 。： s = 车昔矗。 式中：s 为总沉降量，c m ；几为计算层数；e 为增压前的初始孔隙比；e ：为增压后的初始孔隙比；h 为 计算的厚度，c m 。 计算参数：坝体和坝基的物理力学指标见表1 ，各坝料的e P 压缩曲线图见图3 ”。 计算结果：一次性填筑大坝最大沉降量发生在k o + 9 2 8m 断面，坝体的最大沉降量1 2 2m ，基 一1 8 9 万方数据 软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践李晓平梅伟张宝琼樊勇 础的最大沉降量1 6 9m 1 。大的沉降差发生在 里程k 0 + 7 0 0m k 1 + 0 0 0m 段，为坝体的最大坝 高坝段，如果一次性填筑大坝，坝体1 0 0m 范围 内产生的最大沉降差为0 6 8m 、坝基1 0 8m ，大 于1 的设计沉降率，故一次性填筑大坝方案不 可行。由计算成果绘制的沉降曲线见图4 。 分三期填筑施工过程中，最大沉降量发生 在k 0 + 9 2 8m 断面，施工期间坝体和坝基总沉降 量2 8 1 8c m 。到第三期坝体填筑完成，坝体和 坝基1 0 0m 内最大沉降差为3 6c m ，最大沉降差 发生在里程k 0 + 7 0 0m k 1 + 0 0 0m 段，为坝体的 最大坝高段，已小于坝高的l ，大坝沉降在设 计允许范围内，达到设计要求。由计算成果绘 制的沉降曲线见图5 、图6 。 1 ：5 0 基 嘲 逝 ；s 1 ：5 0 量 嘲 发 避 l ：5 0 吕 迫 嘲 链 蜉 图3 坝基e P 曲线图 图4 一次性加坝的坝体和坝基沉降曲线图 竺弋燃三襻。粼融 I o 4 蜀蕾蘸蚕髓值席丽习氧耍魏值蔗浑；搂摧耀辫里j 毳0 0 f m l左岸o 瑚o6 舢 讣7 0 0哪8 0 0 瓜8 6 0 脚9 2 81 十o “f ；磅扩”著弦l 十 净k 区= 掣 - ：鳕一 计算值I 坝体一区沉降线 ”8 图5 施r 期坝体沉降曲线图 图6 施工期坝基沉降曲线图 ( 2 ) 离心模型试验( 方法2 ) 试验中选取的典型断面与常规计算方法相同。 土工离心模型试验基本原理n “。土工离心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，模型受到的离心力是其重力的n 倍，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