深厚覆蓋層上的高閘壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學模型試驗研究

唐茂穎,段 斌,張 林,陳建葉,楊寶全

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川成都610041；3.四川大學水利水電學院,四川成都610065)

深厚覆蓋層上的高閘壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學模型試驗研究

唐茂穎1,2,段 斌2,張 林3,陳建葉3,楊寶全3

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川成都610041；3.四川大學水利水電學院,四川成都610065)

丹巴水電站是目前中國在深厚覆蓋層上即將開工建設(shè)的最高閘壩,攔河閘閘基礎(chǔ)覆蓋層最大厚度達127.66 m,且結(jié)構(gòu)及組成復雜,閘壩最大壩高38.5 m?；陂l基加固處理方案,進行地質(zhì)力學模型綜合法試驗,研究了丹巴高閘壩整體穩(wěn)定問題。研究得到了適用于丹巴閘壩基礎(chǔ)覆蓋層和置換層的變溫相似材料,揭示出丹巴閘壩變位分布特征、發(fā)展過程,以及閘壩基礎(chǔ)失穩(wěn)破壞特征和機理,評價了丹巴閘壩整體穩(wěn)定安全性。

深厚覆蓋層；閘壩整體穩(wěn)定；強度弱化效應；變溫相似材料；綜合法試驗；丹巴水電站

隨著我國西南水電開發(fā)的積極推進,受地形地質(zhì)條件限制，在深厚覆蓋層上修建高閘壩的趨勢越來越明顯,然而深厚覆蓋層的工程特性決定了在其上修建高閘壩將會帶來兩方面主要問題：一是閘基材料力學性質(zhì)弱化問題,在閘壩建成并長期蓄水后,閘基承受較高的水壓,深厚覆蓋層的強度與變形參數(shù)將產(chǎn)生一定程度的弱化,若不考慮閘壩基礎(chǔ)材料力學性質(zhì)的弱化,將難以合理確定力學參數(shù),導致工程措施無法滿足水庫長期運行的要求。二是閘壩整體穩(wěn)定問題,世界上因壩基失穩(wěn)而失事的大壩約占40%,其中壩基地質(zhì)缺陷或加固處理不當是引起壩基失穩(wěn)的主要因素[1]?？梢?深厚覆蓋層已成為影響閘壩整體穩(wěn)定的重要因素,深厚覆蓋層的存在給我國高閘壩工程建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此,如何適當考慮深厚覆蓋層閘基弱化效應,科學評價閘壩整體穩(wěn)定性,這對深厚覆蓋層上的高閘壩工程建設(shè)意義重大。

地質(zhì)力學模型破壞試驗方法是深厚覆蓋層上的閘壩整體穩(wěn)定分析的一種重要方法。地質(zhì)力學模型破壞試驗方法包括超載法、降強法和綜合法,而綜合法是超載法和降強法的結(jié)合,既考慮到工程上可能遇到的突發(fā)洪水,又考慮到工程長期運行中巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)在水的作用下逐步降低的可能,反映多種因素對工程穩(wěn)定安全性的影響。因此,采用綜合法進行大壩與地基穩(wěn)定研究,更符合實際情況,在大型水利水電工程中的運用越來越廣泛[2- 8]。為了實現(xiàn)降強過程,綜合法試驗的關(guān)鍵技術(shù)是研制出一種能降低閘基覆蓋層材料力學參數(shù)的模型材料。丹巴水電站閘壩基礎(chǔ)覆蓋層深厚且結(jié)構(gòu)復雜,非常有必要研制出適合其工程特性的變溫相似材料應用于地質(zhì)力學模型中,采用綜合法試驗進行閘壩整體穩(wěn)定研究,分析閘壩與閘基變形特征,探討閘壩與閘基破壞機理,合理評價工程安全性。

表1 閘址區(qū)河床覆蓋層物理力學參數(shù)

1 丹巴水電站樞紐布置與覆蓋層特性

1.1 樞紐工程布置

丹巴水電站位于四川省甘孜州丹巴縣境內(nèi),是大渡河干流27級開發(fā)方案中的第9個梯級。電站正常蓄水位1 997 m,設(shè)計裝機容量1 196.6 MW,電站多年平均發(fā)電量49.52億kW·h。電站采用混合式開發(fā),擋水建筑物采用最大壩高38.5 m的混凝土閘壩。閘址距丹巴縣城上游約20 km,廠址在丹巴縣城下游小金河口上游約400 m處,廠壩之間采用約16.7 km的引水系統(tǒng)連接。閘壩由泄洪閘、沖沙閘、左右岸擋水壩段、魚道和生態(tài)小機組系統(tǒng)組成。右岸重力壩段布置魚道和生態(tài)流量泄放小機組。丹巴水電站閘壩基礎(chǔ)加固處理方案可概括為挖除閘基覆蓋層中的第④和⑤層,回填砂礫石料并碾壓密實,閘基進行深10 m的固結(jié)灌漿。

1.2 覆蓋層特性

丹巴水電站閘址部位河床覆蓋層最大厚度達127.66 m,覆蓋層結(jié)構(gòu)和組成復雜且分布不均勻,覆蓋層包含崩坡積層(B層),漂(塊)卵(碎)石層(第①層),粉土、粉砂層(第②層),含漂(塊)卵礫石層(③-1層),漂(塊)石夾卵礫石層(③-2層),粉土、粉砂層(④-1和④-3層),漂(塊)卵(碎)礫石夾砂土層(④-2層),砂卵礫石層(第⑤層)。閘基覆蓋層結(jié)構(gòu)見圖1,各層物理力學參數(shù)見表1。

圖1 閘址部位覆蓋層結(jié)構(gòu)

2 相似材料研制與降強幅度確定

2.1 模型材料研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

地質(zhì)力學模型綜合法試驗是建立在Mohr-Coulomb強度準則和模型相似理論基礎(chǔ)上的,由于該強度準則適用于巖石地基和軟土地基(包括散粒體地基),因此綜合法試驗也適用于軟土地基。由于巖石地基和散粒體地基在材料上有很大區(qū)別,按照相似理論,巖石材料強度高、變形模量高,必須壓制成小塊體進行模型砌筑,而散粒體材料強度低、變形模量低,必須以散粒體狀態(tài)分層夯填制作模型,因此研制出低強度、低變形模量的模型散粒體相似材料是本試驗的重點和難點,同時研制出適合丹巴閘基深厚覆蓋層特點的變溫相似材料,實現(xiàn)閘基降強是地質(zhì)力學模型試驗的關(guān)鍵技術(shù)。只有原型材料與模型材料的物理力學指標滿足相似要求,地質(zhì)力學模型試驗才能真實地反映工程實際。因此,需要根據(jù)原型材料的物理力學參數(shù),按相似關(guān)系換算得到模型材料的物理力學參數(shù),并從力學相似的角度開展大量的材料試驗,從而研制出與原型材料相似的模型材料。

2.2 閘壩模型材料研制

原型混凝土材料容重γp=2.4 g/cm3,閘墩及底板變形模量E1p=25.5 GPa,壩體變形模量E2p=28 GPa,由相似關(guān)系可得模型材料容重γm=2.4 g/cm3,模型閘墩及底板變形模量E1m=255 MPa,模型壩體變形模量E2m=280 MPa。根據(jù)閘段及壩體材料試驗結(jié)果,丹巴閘壩混凝土模型材料以重晶石粉為主,采用少量石膏粉為膠結(jié)劑,水為稀釋劑,摻入適量添加劑,按照滿足物理力學相似要求的指標選定配合比,最后按概化體型澆制而成。

2.3 閘基覆蓋層模型材料研制

針對閘基置換灌漿層、置換層、③-2層、③-1層、②層、B-3層、B-1層等各類閘基材料,采用以重晶石粉為主,高標號機油為膠結(jié)劑,可熔性高分子材料為摻合料,根據(jù)覆蓋層材料不同,摻入一定量的添加劑等,按不同配合比制成散粒狀混合料,再烘烤干燥并存儲備用。在正式制備混合料前,按相似系數(shù)確定的各類材料力學指標要求,開展大量的模型材料試驗研究,按相應力學指標選擇好各類閘基覆蓋層材料配比,供配料使用。

2.4 閘基變溫相似材料研制與變溫相似曲線

變溫相似材料是在傳統(tǒng)模型材料中加入適量的高分子材料及相關(guān)添加劑進行改進的一種新型模型材料,其力學性能滿足綜合法試驗要求,并在模型中配置相應的升溫降強控制系統(tǒng),通過升溫的方法使高分子材料逐步熔化,使其抗剪強度參數(shù)逐步降低,整個升溫降強過程中材料的力學參數(shù)滿足相似要求。針對丹巴閘基低強度、低變模、散粒體的特點,變溫相似材料的配制以重晶石粉為主,配以高標號機油和一定熔點的石蠟小顆粒,摻入適量的可溶性高分子材料；同時加入一定量的添加劑,按照不同配合比制成散粒狀的混合料,通過烘焙、篩分等制作工藝,在密閉容器中養(yǎng)護7～10 d；然后,采用夯填方式制作成20 cm×20 cm×10 cm的試件進行材料的變溫過程剪切試驗,測得抗剪強度τ與溫度T之間的關(guān)系曲線,將其作為降強試驗階段中判定強度儲備系數(shù)的依據(jù)。在丹巴閘壩整體穩(wěn)定地質(zhì)模型綜合法試驗中,變溫相似材料分為置換層和置換灌漿層兩類進行研制。通過大量的變溫剪切試驗獲得的抗剪強度τm與溫度T的關(guān)系如圖2所示。

圖2 變溫相似材料 τm～T關(guān)系曲線

2.5 閘基變溫相似材料降強幅度確定

地質(zhì)力學模型綜合法試驗中,降強階段試驗考慮的是降低模型材料的抗剪強度τm,降強幅度需要通過閘基材料強度參數(shù)和變形特性弱化試驗確定。該弱化試驗采用實驗室水壓-應力耦合試驗的方法,定量揭示滲透水流作用下水壓力對閘基各層的弱化效應。弱化試驗成果表明,置換灌漿層抗剪強度τ表現(xiàn)出明顯的水壓弱化效應,以天然狀態(tài)最高,隨水壓的升高而逐步減小。在不同的水壓和圍壓條件下,置換灌漿層抗剪強度τ的弱化率見表2。

表2 置換灌漿層不同水壓下抗剪強度τs弱化率

由于置換灌漿層位于閘基表層,主要受壩體重力、庫水推力、滲透壓力、孔隙水壓力,以及自身重力等的作用。在1 MPa應力水平、0.4 MPa水壓力作用下,抗剪強度弱化率約為10%。置換灌漿層的變形特性及其參數(shù)同時具有水壓弱化效應與圍壓強化效應,埋深越大,滲透水壓越高,變形特性將弱化；另一方面,埋深越大圍壓越高,變形特性將強化,并且變形模量圍壓強化效應大于水壓弱化效應。置換灌漿層變形模量E50在0.4 MPa水壓下的弱化率為9.1%。根據(jù)弱化試驗成果,置換灌漿層在應力1 MPa、水壓0.4 MPa條件下,其強度弱化率在10%左右,綜合考慮置換灌漿層的變形模量弱化效應及水壓弱化效應,經(jīng)工程類比,丹巴水電站閘基置換灌漿層的抗剪強度弱化率取15%。因條件限制,未能進行置換層的強度參數(shù)和變形特性弱化效應試驗研究,參考置換灌漿層的弱化成果,在模型試驗中置換層的抗剪強度弱化率也取為15%。

3 閘壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學模型制作與測試

3.1 模型主要相似系數(shù)

根據(jù)相似條件要求,選取幾何相似系數(shù)CL=100,變形模量相似系數(shù)CE=100,容重相似系數(shù)Cγ=1,荷載相似系數(shù)CF=1003,摩擦系數(shù)相似系數(shù)Cf=1,凝聚力相似系數(shù)Cc=100,泊松比相似系數(shù)Cμ=1,應變相似系數(shù)Cξ=1。

3.2 模型模擬范圍

模型對閘壩壩體左1號壩段、閘1號～閘8號、右1號壩段、魚道、右2號～右4號壩段、防滲墻及底板,閘基置換灌漿層、置換層、B-3層、B-1層、②層、③-1層、③-2層,模型尺寸為1.68 m×2.36 m×1.075 m(順河向×橫河向×高度),相當于原型工程168 m×236 m×107.5 m范圍。

3.3 升溫降強控制系統(tǒng)

試驗中,將置換層和置換灌漿層這兩層地基按厚度各分成3層,在層面上全斷面均勻布置電阻絲,保證閘基置換灌漿層及置換層強度參數(shù)的均勻降低,同時將熱電偶埋設(shè)于電阻絲旁一定距離處,既能準確的測定內(nèi)部溫度升高的情況,又避免與電阻絲直接接觸而損壞。電阻絲和熱電偶均通過引出線與模型外的控制設(shè)備相連,通電后,電阻絲受熱升溫,熱量傳遞給變溫相似材料,使其中的粒狀高分子材料熔化,從而降低材料的抗剪斷強度參數(shù)。本試驗在置換灌漿層及置換層共布置了9支熱電偶分別監(jiān)測各區(qū)域的溫度值,并采用3臺調(diào)壓器來控制升溫降強的幅度。

3.4 加載系統(tǒng)

試驗采用正常工況下的荷載組合,即自重+上下游水壓力+水平向滲透壓力。模型試驗將荷載沿高程方向共分為4層,根據(jù)各層荷載大小及千斤頂出力分成42塊,將每個荷載分塊的形心作為加載作用點,采用油壓千斤頂加載。

3.5 量測系統(tǒng)

試驗在閘壩表面共布置80個雙向變位測點,共160支位移計；在閘壩表面和內(nèi)部共布置42個應變測點,97張應變片。

3.6 試驗程序

首先對模型進行預壓,然后采用正常荷載加載,在正常荷載基礎(chǔ)上進行降強階段試驗,即升溫降低壩基中置換層及置換灌漿層的抗剪強度。升溫降強過程采用逐級實現(xiàn)的辦法,將上述部位壩基材料的抗剪強度降低約15%。在保持降低后的強度參數(shù)條件下,再進行超載階段試驗,對上游水荷載及壩基滲水壓力分級進行超載,超載按0.20P0(P0為正常工況下的水荷載)的步長加載直至閘壩與閘基出現(xiàn)整體失穩(wěn)為止。

4 試驗成果及分析

4.1 試驗成果

試驗獲得了閘壩與閘基表面測點順河向變位δx、豎直向變位δy及其隨超載安全系數(shù)KP發(fā)展過程；閘壩應變測點應變με及其隨超載安全系數(shù)KP變化發(fā)展過程；閘壩與閘基的破壞過程、最終破壞形態(tài)及特征。以2號閘段為典型閘段,其順河向變位δx、應變με與超載安全系數(shù)KP的關(guān)系曲線見圖3、4。

圖3 2號閘段順河向變位 δx-KP關(guān)系曲線

圖4 2號閘段左側(cè)面0°、90°方位應變 με-KP關(guān)系曲線

4.2 閘壩與閘基變位特性分析

在正常工況下,閘壩變位值較小,各閘壩相對變位也較小,閘壩及閘基變位符合一般規(guī)律。在降強階段,由于受強度參數(shù)弱化影響,閘壩變位值略有增長,但增長幅度不大。在超載階段,閘壩變位隨超載系數(shù)的增加而逐漸增大,順河向變位總體向下游,豎直向變位值較順河向小；當KP≥1.6～2.0時,變位曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折和拐點,曲線斜率變小,變位增長幅度加大,出現(xiàn)大變形；當KP=3.3～3.6時,變位曲線不穩(wěn)定,閘壩與閘基出現(xiàn)整體失穩(wěn)趨勢。從整體來看,最大變位出現(xiàn)在河床中部覆蓋層較深的閘段,并向兩岸逐漸減小。

4.3 閘壩與閘基破壞過程及模式分析

模型破壞過程：①在正常工況下,閘壩及壩基工作正常；②在降強階段,變位略有增長,但增長幅度不大,閘壩與壩基仍處于正常工作狀態(tài)；③當KP=1.4時,位于河床中部覆蓋層較深的6號～8號閘底板上游側(cè)發(fā)生初裂；④當KP=1.6～2.0時,閘底板裂縫由河床中部向兩岸不斷擴展,其余閘壩相繼出現(xiàn)裂縫,閘壩間橫縫受相對錯動的影響多處發(fā)生開裂,閘壩沿壩基向下游剪切滑移,下游壩趾出現(xiàn)壓剪破壞；⑤當KP=3.3～3.6時,閘壩與閘基間裂縫、閘室與護坦間的裂縫開裂破壞嚴重,壩段間的裂縫貫通,變位與應變曲線不穩(wěn)定,閘壩沿閘基出現(xiàn)剪切滑移失穩(wěn)破壞。

閘壩破壞模式：閘壩上游側(cè)貫通性拉裂破壞,下游側(cè)貫通性剪切破壞,閘壩沿壩基面發(fā)生剪切滑移,閘壩間不均勻錯動導致橫縫開裂,將閘段分成滑移程度明顯不同的三個部分,閘壩整體向下游滑移失穩(wěn)破壞。

4.4 閘壩與閘基整體穩(wěn)定安全度評價

5 結(jié)論及建議

(1)研制出了能實現(xiàn)閘基降強的變溫相似材料及配套的升溫降強技術(shù)。針對丹巴閘基材料低強度、低變模、散粒體的特點,閘基變溫相似材料由重晶石粉、可溶性高分子材料、高標號機油、石蠟小顆粒及添加劑等材料配制而成,這種材料的抗剪斷強度具有隨溫度升高而降低的性能,通過在變溫相似材料中設(shè)置升溫降強控制系統(tǒng)實現(xiàn)抗剪強度τ(f,c)的降低,由變溫過程的剪切試驗,建立了置換灌漿層、置換層抗剪斷強度τ(f,c)與溫度T的關(guān)系曲線,并確定了變溫相似材料的降強幅度為10%～15%。為綜合法模型試驗奠定了基礎(chǔ)。變溫相似材料和升溫降強試驗技術(shù)首次成功應用于深厚覆蓋層的地質(zhì)力學模型試驗中。

(3)為進一步提高閘壩整體穩(wěn)定性,建議將閘基回填砂礫石層擴大至右1號儲門槽壩段,同時加大對6～8號閘段、右1號壩段進行固結(jié)灌漿的深度。

[1]高大釗. 巖土工程的回顧與前瞻[M]. 北京： 人民交通出版社, 2001．

[2]陳建葉, 張林, 陳媛, 等. 武都碾壓混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定破壞試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(10)： 2097- 2103．

[3]李朝國, 張林. 右江百色RCC重力壩閘基穩(wěn)定三維地質(zhì)力學模型試驗研究[J]. 紅水河, 1997, 16(2)： 1- 6．

[4]陳媛. 復雜巖基上重力壩壩基穩(wěn)定與加固處理研究[D]. 成都： 四川大學, 2008．

[5]段斌, 張林, 陳剛, 等. 高拱壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學模型綜合法試驗與數(shù)值分析[J]. 水力發(fā)電學報, 2013, 32(4)： 166- 170．

[6]董建華, 謝和平, 張林, 等. 大崗山雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(10)： 2027- 2033．

[7]段斌, 張林, 陳媛, 等. 復雜巖基上重力壩閘基穩(wěn)定模型試驗與有限元分析[J]. 四川大學學報, 2011, 43(5)： 77- 82．

[8]何顯松, 張永, 張林, 等. 重力壩閘基穩(wěn)定三維地質(zhì)力學模型試驗研究[J]. 四川大學學報, 2002, 34(2)：16- 20．

[9]張林, 徐進, 陳建葉, 等. 丹巴水電站可研階段河床深厚覆蓋層及高閘閘地基處理專題研究之深厚覆蓋層上閘基穩(wěn)定試驗研究[R]. 成都： 四川大學水利水電學院, 2014．

(責任編輯王 琪)

ExperimentalStudyonGlobalStabilityofHighGateDamFoundedonDeepOverburdenbyGeomechanicalModel

TANG Maoying1,2, DUAN Bin2, ZHANG Lin3, CHEN Jianye3, YANG Baoquan3
(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection Chengdu University of Technology;2. Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China;3. College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China)

Danba Hydropower Station will construct a highest gate dam on deep overburden in China. The overburden has a maximum thickness of 127.66 m and complex structure. The maximum dam height of gat dam is 38.5 m. Based on the reinforcement treatment scheme of gate dam foundation, the global stability of gate dam is studied by comprehensive method test of geological mechanics model. Based on the study, the temperature analogous materials of Danba dam foundation overburden and replacement layer are found, the characteristics and development process of the deformation distribution of gate dam and the failure characteristics of dam foundation are revealed. The global stability of the dam is evaluated．

deep overburden; global stability of gate dam; strength weakening effect; temperature analogous material; comprehensive method test; Danba Hydropower Station

2016- 05- 04

國家自然科學基金(51379139)；國家自然科學基金青年基金(51409179)；教育部博士點基金(20100181110077)

唐茂穎(1980—),男,四川仁壽人，高級工程師，博士研究生，從事水電工程建設(shè)管理和技術(shù)工作；段斌(通訊作者)．

TV148

：A

：0559- 9342(2017)06- 0105- 05