CN110532678A - 一种特高拱坝基坑回填方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种特高拱坝基坑回填方法。所述方法包括：对特高拱坝的坝面进行检查，对基坑回填区域进行分区分层，初步选取基坑回填材料、回填高程和回填时机，确定i个基坑回填方案；分析对比所述i个基坑回填方案的渗流折减效应、保温效应、静力荷载效应和动力荷载效应；依据对比结果确定最优高程和回填时机，选择最优基坑回填方案。本发明的有益效果在于：该基坑回填方法可补强基岩裂隙，增强大坝防渗能力；减小坝体接触面热交换系数，增加坝面保温效果，有利温控防裂；改善施工期大坝抗震稳定性及坝‑基整体工作性态。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种特高拱坝基坑回填方法。
背景技术
自90年代坝高240m的二滩高拱坝建成以来，中国特高拱坝建设取得了快速发展，小湾、锦屏I和溪洛渡等一批300m级特高拱坝陆续建成，其建设难度比二滩、拉西瓦、构皮滩等高拱坝又上新台阶，工程规模更大，施工、运行各阶段大坝应力条件更复杂早期。
特高拱坝在施工期受倒悬和约束影响，坝体应力分布动态调整。在大坝浇筑至一定高度时，坝踵承受较大压应力，坝趾和拱端一定范围拉应力增大，存在开裂风险。未经回填处理的坝前基坑开挖面岩体分布裂隙，当蓄水后，高水头库水进入裂隙，易产生水力劈裂破坏帷幕，不利于坝基长期防渗与稳定。坝前基坑回填已成为特高拱坝初期蓄水前的关键工序。
目前，国内外针对特高拱坝上游基坑回填土石体对大坝作用机理的研究尚鲜有报道，已有研究侧重于基坑回填对大坝应力变形的影响，未考虑回填体的防渗、保温作用，尚缺乏对回填土石混合体对大坝作用机理的系统分析。
针对于此，急需一种可补强基岩延长坝基渗流路径、减小坝体接触面热交换系数增加坝面保温效果、有利温控防裂改善施工期大坝抗震稳定性的基坑回填方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特高拱坝基坑回填方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明所采用的技术手段是：一种特高拱坝基坑回填方法，包括如下步骤：(1)对特高拱坝的坝面进行检查，对基坑回填区域进行分区分层，初步选取基坑回填材料、回填高程和回填时机，确定i个基坑回填方案；(2)分析对比所述i个基坑回填方案的渗流折减效应、保温效应、静力荷载效应和动力荷载效应；(3)依据对比结果确定最优高程和回填时机，选择最优基坑回填方案。
本发明优选实施例中，步骤(1)中对特高拱坝的坝面进行检查包括大坝保温板拆除和裂缝检查。
本发明优选实施例中，步骤(1)中初步对基坑回填区域分层为底部基岩保护区、坝面保护区、上游边坡防渗区和主体回填区。
本发明优选实施例中，所述底部基岩保护区、坝面保护区、上游边坡防渗区采用细粒材料回填，所述主体回填区采用粗粒材料回填。
本发明优选实施例中，步骤(1)中的各回填区域分层铺筑多次碾压，细料层碾压厚度小于0.6m，粗料层碾压厚度小于5m；步骤(1)中初步确定的回填高程低于接缝灌浆高程4～5个罐区高度。
本发明优选实施例中，步骤(2)中的渗流折减效应依据回填渗透压力强度系数α0确定，回填厚度h、回填体等效渗透系数k主要影响回填渗透压力强度系数α0，依据回填渗透压力强度系数α0计算渗流量和扬压力。
本发明优选实施例中，步骤(2)中的保温效应依据回填体等效放热系数β确定，等效隔热层厚度和回填体导热系数主要影响回填体等效放热系数β。
本发明优选实施例中，步骤(2)中的静力荷载效应和动力荷载效应依据静力荷载和动力荷载作用下分别产生的大坝应力分布、变形分布及静力荷载作用下的横缝状态、动力荷载作用下的抗震性能分析确定。
本发明优选实施例中，步骤(3)中，最优基坑回填方案还根据静力荷载和动力荷载组合分析确定。
本发明优选实施例中，步骤(3)中的所述最优基坑回填方案还参照施工组织评价、经济合理性评价和施工安全评价确定。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：
(1)本发明中的特高拱坝基坑回填方法可补强基岩裂隙，增强大坝防渗能力。特高拱坝基坑回填厚度大，达到60m量级，回填体对渗流路径的影响需要纳入考虑，回填体对渗透压力具有折减效应，回填体底部的渗透压力为：P11＝α0H1，其中H1为上下游水头差，α0为回填渗透压力强度系数，经过折减的渗压水头再作用于坝基渗流。以上两种因素综合作用于坝基渗流场，对坝基防渗产生有利影响。
(2)本发明中的特高拱坝基坑回填方法可减小坝体接触面热交换系数，增加坝面保温效果，有利温控防裂。特高拱坝底部坝体较厚，基础约束作用强，内外温差对下部坝体应力影响显著，而回填土石体的保温效应作用区域恰为上游坝面底部，可改善内外温差，对混凝土温控防裂具有积极意义。
(3)本发明中的特高拱坝基坑回填方法可改善施工期大坝抗震稳定性及坝-基整体工作性态。基坑回填将对坝体、基础的受力和变形产生影响，这些效应受回填高程和回填时机的影响很大。在施工期，可提高大坝的抗震性能，改善大坝整体工作性态，包括坝踵、坝趾的受力状态。
附图说明
图1是本发明一实施例中特高拱坝基坑回填方法的设计流程示意图。
图2是本发明一实施例中特高拱坝基坑回填分区设计示意图。
图3是本发明一实施例中回填体与大坝作用示意图。
图4是本发明一实施例中基坑回填渗透模型示意图。
图5是本发明一实施例中回填体-坝基总水头沿程变化曲线示意图。
图6是本发明一实施例中回填厚度h与回填渗透压力强度系数α0关系示意图。
图7是本发明一实施例中k/k2与回填渗透压力强度系数α0关系示意图。
图8是本发明一实施例中回填体等效隔热厚度hi与放热系数βi关系曲线示意图。
图9是本发明一实施例中不同回填高程与回填时间对拱坝应力变形影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供的实施例中的一种特高拱坝基坑回填方法，如附图1所示，包括如下步骤：(1)对特高拱坝的坝面进行检查，对基坑回填区域进行分区分层，初步选取基坑回填材料、回填高程和回填时机，确定i个基坑回填方案；(2)分析对比所述i个基坑回填方案的渗流折减效应、保温效应、静力荷载效应和动力荷载效应；(3)依据对比结果确定最优高程和回填时机，选择最优基坑回填方案。
具体地，步骤(1)中：
①材料选取：回填材料的选择以经济易采为原则，就近取材，综合利用，回填材料应结合现场实际就近选取，做到对现场石渣、砂石等废弃材料的综合利用。
②分区设计：注重防渗与保护，回填材料宜分区设计，大致可分为四个区，如附图2所示。其中A区为底部基岩保护区，需要采用细粒材料填充基岩裂隙，满足基岩的防渗与保护要求，厚度一般不小于5m；B区为坝面保护区，采用细粒材料回填，用于保护上游坝面，厚度一般不小于2m；C区为上游边坡防渗区，采用细粒材料回填，用于增强坝基防渗能力，厚度一般不小于2m；D区为主体回填区，可采用粗粒径土石材料回填，以节约成本和降低施工难度。上述细粒材料的粒径一般小于2mm。
③分层铺筑碾压。粉煤灰、细砂料等细粒材料回填时，应采用分层铺筑，多次碾压的施工方式，以提高回填体的密实度，增强防渗能力。
(④回填高程与时机。回填时机主要受大坝浇筑进度与初期蓄水时间节点的影响，回填高程一般应低于坝体接缝灌浆高程4～5个灌区的高度。
步骤(2)中：渗流折减效应依据回填渗透压力强度系数α0确定，回填厚度h、回填体等效渗透系数k主要影响回填渗透压力强度系数α0，依据回填渗透压力强度系数α0计算渗流量和扬压力。
具体地，可用回填渗透压力强度系数α0定量表示回填体对渗流的折减效果，进行如下假设：回填土石混合体的顺河向宽度足够，认为渗流路径全部经过回填土石混合体层，且增加量与回填土石料层厚度相等；回填土石混合体等效均质材料；仅考虑防渗帷幕对坝基防渗的影响；帷幕渗透压力强度系数α1回填前后保持不变。基于以上假设，建立基坑回填条件下渗流简化模型，如图3、4所示：
回填土石混合体底部、帷幕处渗透压力大小分别为：
P11＝α0H1\*MERGEFORMAT(1)
P21＝α0α1H1\*MERGEFORMAT(2)
式(1)，(2)中H1为上下游水位差，α0为回填土石混合体的渗透压力强度系数，α1为帷幕渗透压力强度系数。
实际工程中基底的渗流路径由于帷幕的存在，情况比较复杂，基于模型假设第1条，帷幕前后的渗流路径长度分别为L1、L2，即坝踵至帷幕和帷幕至坝趾处距离。依据帷幕处渗透压力强度系数α1，可得出帷幕前后区域的等效渗透系数k1、k2的关系：
则回填渗透压力强度系数α0为：
式中h为回填土石混合体层厚度，k为平均渗透系数。
将式(3)、(4)代入式(1)、(2)可得：
公式(4)中与回填土石混合体相关的h、k参数变化可知：回填渗透压力强度系数α0≤1，当回填体厚度越高、渗透系数越小，则回填渗透压力强度系数就越小。下面将结合假定算例，基于本简化模型，定量分析回填渗透系数的变化特征。
优选实施例中，某高拱坝上下游水头差为270m，基底宽度B为60m，分别考虑不同回填深度h、不同渗透系数、不同帷幕位置(L1＝0.1B、L1＝0.5B)的工况组合，计算基坑回填产生的渗透压力强度系数。
由公式(1)至(6)可计算出基坑回填引起的水头分布及回填渗透压力强度系数(也可称渗透折减系数)变化情况，如图5、6、7所示，从定量计算结果可知：回填厚度h、回填体等效渗透系数k是影响回填渗透压力强度系数α0的主要因素。在深层回填、回填材料防渗效果较好的情况下，回填渗透压力强度系数不应忽略；防渗帷幕位置对回填渗透压力强度系数的影响较小。
步骤(2)中：保温效应依据回填体等效放热系数β确定，等效隔热层厚度和回填体导热系数主要影响回填体等效放热系数β。
具体地，回填土石混合体作为坝体混凝土向空气或库水散热的媒介，对上游坝面的具有保温效应。回填土石混合体保温层作用下的总热阻计算公式为：
混凝土表面通过保温层向周围介质放热的等效放热系数为：
式(7)，(8)中，RS为总热阻，β为最外面保温层与空气间的表面放热系数，hi为第i个保温层的厚度，λi为第i个保温层的导热系数。针对回填体保温层对上游坝面的保温效应进行定量分析如下。
受蓄水过程影响，回填土石体的饱和度会发生变化，得到不同饱和度的土石混合体导热系数在0.25～2.5W/(m·K)，混凝土坝上游坝面保温一般采用50mm厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板，其导热系数为0.08W/(m·K)，计算可得上游面保温材料的等效热交换系数β0＝5.76kJ(m2·h·℃)。
取坝体接触面上一点至回填体外表面的最小距离为该点处的回填体等效隔热厚度，由式(7)、(8)得到回填体的等效隔热厚度、导热系数与等效放热系数的关系曲线，如图8所示。回填体作用下的等效放热系数随等效隔热层厚度的增大而减小，随回填土石体导热系数的增大而增大，保温作用显著。回填体等效隔热厚度为1m左右时，保温效果即与50mm厚聚苯乙烯保温板的保温效果相当。
步骤(2)中：静力荷载效应和动力荷载效应依据静力荷载和动力荷载作用下分别产生的大坝应力分布、变形分布及静力荷载作用下的横缝状态、动力荷载作用下的抗震性能分析确定。
具体地，动力分析理论综合考虑结构的自振特性、周期、阻尼等因素，与实际情况更接近。动力分析中设计反应谱采用式(9)确定。
β(T)＝βmax(Tg/T)0.6\*MERGEFORMAT(9)
式(9)中，β(T)表示动力放大系数，Tg表示特征周期，依据现行抗震设计规范[22]βmax取2.5，Tg取0.2s。材料强度采用Drucker－Prager屈服准则(D－P准则)，其表达式为：
式(10)中，I1为应力第一不变量，J2为应力第二不变量。材料参数取值为：
其中c为内聚力，为摩擦角。α、H取上值表示Druker-Prager准则与摩尔－库仑屈服准则(M-C准则)在平面应变条件下表达式一致。在π平面内表示D-P圆取外接与内接M-C六边形的中间值。按弹塑性断裂方法进行非线性迭代，计算给出塑性屈服、亚临界断裂、失稳扩展等状态、及点安全度与超载的坝上下游不平衡力等值线。
静力分析包括多种回填时机(6月底、8月底、10月底、12月底)、回填高度(0m,20m,40m,60m)和回填体密度(1.5g/cm3、2.0g/cm3)的组合条件共计19种工况。为避免冗余，以工况4为例(回填时机为6月底，回填高度为60m，回填土石混合体密度为1.5g/cm3)，表明基坑回填对大坝工作性态的静力影响效应。
如附图9所示内容可知，回填高度越高、回填时间越早，坝踵最大压应力降低越多。坝趾的最小压应力随回填高度的增加而增大，受回填时机影响不明显。坝体向下游侧的变形增加，且回填高程越高、回填时间越早，向下游侧变形越大。大坝左、右拱端向山里的变形增加，向河床的变形减小，且回填的高程越高，向山里变形越大。左、右拱端处最大顺河向、横河向位移主要出现在接缝灌浆高程附近。由于拱效应的增强，横缝有压紧趋势。且基坑回填高程越高、回填时间越早，相对压缝值越大，对后续横缝灌浆产生不利影响。坝面和拱端的最大拉应力均随回填高度增加而降低，回填时间越早，最大拉应力下降越多。
步骤(3)中：最优基坑回填方案还可根据静力荷载和动力荷载组合分析、施工组织评价、经济合理性评价和施工安全评价确定。
具体地，静动组合分析考虑拱坝与山体自重荷载、回填体荷载、不同烈度的地震荷载，进行组合后得到共计10种工况。
静动组合荷载下，大坝下游面顺河向位移分布及最大拉应力分布结果表明：上游回填能够减小拱坝最大顺河向位移与横河向位移。拱坝下游面最大顺河向位移从14.2mm减小为11.4mm，左岸最大横河向位移从8.79mm减小为7.12mm，右岸最大横河向位移从5.72mm，减小为5.39mm。拱坝左右岸位移分布更加均匀，降低了倒悬在地震荷载下的“放大作用”，能够提高施工期大坝的抗震能力。坝体部分区域应力超过3MPa，具有较高开裂风险，进行上游回填后该区域应力降低至2.2MPa，开裂风险降低，抗震能力提高。
步骤(3)中，对回填方案进行综合比选。确定最优回填时机与高程，受浇筑进度影响，不同回填时机与高程对大坝工作性态的影响具有明显差异。应从防渗、保温、对坝体应力变形的静动力影响等方面，综合比选多种回填方案，确定最优回填时机与高程方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种特高拱坝基坑回填方法，包括如下步骤：
(1)对特高拱坝的坝面进行检查，对基坑回填区域进行分区分层，初步选取基坑回填材料、回填高程和回填时机，确定i个基坑回填方案；
(2)分析对比所述i个基坑回填方案的渗流折减效应、保温效应、静力荷载效应和动力荷载效应；
(3)依据对比结果确定最优高程和回填时机，选择最优基坑回填方案。
2.根据权利要求1所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(1)中对特高拱坝的坝面进行检查包括大坝保温板拆除和裂缝检查。
3.根据权利要求1所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(1)中初步对基坑回填区域分层为底部基岩保护区、坝面保护区、上游边坡防渗区和主体回填区。
4.根据权利要求3所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，所述底部基岩保护区、坝面保护区、上游边坡防渗区采用细粒材料回填，所述主体回填区采用粗粒材料回填。
5.根据权利要求4所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(1)中的各回填区域分层铺筑多次碾压，细料层碾压厚度小于0.6m，粗料层碾压厚度小于5m；步骤(1)中初步确定的回填高程低于接缝灌浆高程4～5个罐区高度。
6.根据权利要求1所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(2)中的渗流折减效应依据回填渗透压力强度系数α0确定，回填厚度h、回填体等效渗透系数k主要影响回填渗透压力强度系数α0，依据回填渗透压力强度系数α0计算渗流量和扬压力。
7.根据权利要求6所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(2)中的保温效应依据回填体等效放热系数β确定，等效隔热层厚度和回填体导热系数主要影响回填体等效放热系数β。
8.根据权利要求7所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(2)中的静力荷载效应和动力荷载效应依据静力荷载和动力荷载作用下分别产生的大坝应力分布、变形分布及静力荷载作用下的横缝状态、动力荷载作用下的抗震性能分析确定。
9.根据权利要求1所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(3)中，最优基坑回填方案还根据静力荷载和动力荷载组合分析确定。
10.根据权利要求9所述的特高拱坝基坑回填方法，其特征在于，步骤(3)中的所述最优基坑回填方案还参照施工组织评价、经济合理性评价和施工安全评价确定。
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