CN116657560A - 高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法 - Google Patents

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金伟
王青龙
朱先文
姜媛媛
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    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02B7/02Fixed barrages
    • E02B7/04Dams across valleys
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Abstract

本发明提供了高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法,在坝顶高程到坝高的3/4~4/5高程坝体堆石区设置低压缩区,采用与该区域以外的非低压缩坝体堆石区不同的级配、铺料厚度、碾压遍数、控制孔隙率等填筑指标进行控制,以提高该区域堆石压缩模量,减少与同高程相邻过渡料压缩模量和变形差,以此降低大坝的变形梯度,提高坝体结构的整体性和抵抗变形的能力,减少坝顶裂缝风险并增强大坝的抗震性能,为大坝的安全运行提供了更为可靠的保证。

Description

高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法
技术领域
本发明涉及堆石坝的技术领域,具体涉及高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法。
背景技术
随着我国经济建设的不断发展,对水资源的需求日益剧增,因此高坝大库也在不停突破,近几年来我国的水利水电工程得到蓬勃发展,坝高从100m突破至200m,再到300m,后续会更高,其中以当地材料坝为主,从目前所建的超过200m的高坝中,超过一半为心墙堆石坝,因此心墙堆石坝成为当地材料坝的主要坝型之一。心墙堆石坝,无论是从工程造价、施工条件,还是适宜地质条件方面都有得天独厚的优点,因此心墙堆石坝在我国水利水电工程得到了广泛运的发展。
近年大量土心墙坝蓄水后常常在坝顶表现为纵向裂缝。分析裂缝成因主要有以下几个方面:大坝填筑强度过快导致坝体沉降值和不均匀沉降差较大、水库运行处于骤升骤降状态从而使坝体产生不均匀变形,在心墙与下游坝壳堆石间形成纵向裂缝、坝顶结构设计不合理,因此在行业中有“无坝不裂”的惯性思维。这些裂缝有一部分是危害性裂缝,导致坝体渗水,且减弱了大坝的抗震性能,影响大坝正常运行。
纵观国内外已建高土石坝来看,大部分工程未对坝高3/4~4/5及以上的坝壳堆石进行单独分区和填筑技术要求有特殊要求,常常采用与大坝底部一样的填筑标准进行控制。通过分析,导致土石坝在坝高3/4~4/5及以上裂缝的一个重要原因就是坝顶堆石料与同高程的过渡、反滤区均由于压缩模量相差太大导致坝顶区域各坝料差异变形;且随着坝体高程增加“鞭梢效应”明显,在大坝上游水压力的作用上,下游堆石区抵抗压缩的能力变弱,从而降低了大坝的抵抗地震的作用变形的能力。
发明内容
本发明的主要目的在于提供高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法,解决上述背景技术中的问题。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:包括在坝顶区域设置坝体堆石低压缩区,低压缩区结构分区高程设置在坝高的3/4~4/5高程以上。
优选的,施工步骤如下:
S1、按照规范及大坝填筑施工技术要求,完成低压缩区以下区域的非低压缩区大坝填筑,并进行检验;
S2、在大坝筑体上依次填筑坝壳和心墙区,坝壳包括堆石区、过渡区和反滤区,堆石区以上区域为大坝的低压缩区,过渡区、反滤区和心墙区按照规范和设计要求进行施工。
优选的,堆石料的级配要求低压缩区最大粒径为非压缩区的0.8倍;
低压缩区最大粒径不大于800mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~21%;
非低压缩区最大粒径不大于1000mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~15%。
优选的,堆石铺料厚度低压缩区为非低压缩区的0.8倍;
低压缩区最大厚度≤800mm,非低压缩区最大厚度≤1000mm。
优选的,低压缩区和非低压缩区的碾压设备及行车速度相同;
碾重≥28t,激振力≥590kN,碾压行车速度为2~3km/h。
优选的,堆石碾压遍数的低压缩区比非低压缩区多两遍碾压遍数;
低压缩区振碾10遍,非低压缩区振碾8遍。
优选的,堆石控制碾压孔隙率的低压缩区比非低压缩区低;
低压缩区孔隙率不大于19%,非低压缩区孔隙率不大于20%。
本发明提供了高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法,在坝顶高程到坝高的3/4~4/5高程坝体堆石区设置低压缩区,采用该区域以外的非低压缩坝体堆石区不同的级配、铺料厚度、碾压遍数、控制孔隙率等填筑指标进行控制,提高堆石压缩模量,减少与同高程相邻过渡料压缩模量和变形差,以此降低大坝的变形梯度,提高坝体结构的整体性和抵抗变形的能力,减少坝顶裂缝风险并增强大坝的抗震性能,为大坝的安全运行提供了更为可靠的保证。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1是本发明河床断面坝顶沉降分布图;
图2是本发明左岸断面的采用增模区计算的坝顶横向倾度值分布图;
图3是本发明河床断面的采用增模区计算的坝顶横向倾度值分布图;
图4是本发明右岸断面的采用增模区计算的坝顶横向倾度值分布图;
图5是本发明图为不设置增模堆石区方案心墙的拱效应系数等值线图。
图6是本发明图为设置增模堆石区方案心墙的拱效应系数等值线图。
图7是方案Ⅰ大坝不设置坝顶增模区方案坝体结构示意图;
图8是方案Ⅱ大坝设置坝顶增模区方案坝体结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1~6所示,高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区及施工方法,以西部某高心墙堆石坝,其最大坝高为295m、坝顶高程2875m、正常蓄水位为2865m为例,在高程2814m约坝高的4/5以上的堆石区设置为低压缩区,具体施工步骤如下:
步骤一、按照相关规范及大坝填筑施工技术要求,完成高程2814m及以下区域的大坝填筑并经检验满足设计要求,包括堆石区、过渡区、反滤区和心墙区的各种指标均要满足设计要求。
该区域堆石料级配连续良好,最大粒径不大于1000mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~15%,铺料厚度为100cm,碾压8遍,堆石料填筑孔隙率小于20%。高程2814m以下各分区的碾压参数详见表1:
表1:高程2814m以下各分区的碾压参数
按照以上填筑碾压参数进行现场填筑料实际检测后,2814m各层坝料的压缩模量平均值见下表2:
表2:坝体2814m以下非低压缩区压缩模量汇总表(饱和)(单位:MPa)
可以看到,在该高程区域内,坝体过渡料和堆石料压缩模量差别较大,坝体变形协调较差,如按照此标准填筑至坝顶,将加大坝顶裂缝风险;
步骤二、通过分析,导致土石坝在坝高3/4~4/5及以上裂缝的一个重要原因就是坝顶堆石料与同高程的过渡、反滤区均由于反应抗变形能力的压缩模量相差太大导致坝顶区域各坝料差异变形;故在坝顶堆石区高程2814m以上区域设置大坝堆石低压缩区,采用非低压缩区不同的级配、铺料厚度、碾压遍数、控制孔隙率等填筑指标进行控制。
堆石料级配连续良好,最大粒径不大于800mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~21%。铺料厚度为80cm;洒水量,应充分加水(加水体积比5%~10%);振动碾为碾重32t,激振力为590kN;碾压遍数为振碾10遍;碾压行车速度为2.5km/h±0.5km/h。堆石料压实后的渗透系数大于10-1~10-2cm/s;孔隙率小于19%。
经过现场检测验证,与高程2814m及以下区域相比,反应变形抗压缩能力的堆石压缩模量显著提高,与相邻过渡料压缩模量数值差减少,变形更加协调,各坝料压缩模量对比表为下表3。
表3:坝体2814m以上各坝料压缩模量汇总表(饱和)(单位:MPa)
坝料名称 Es(0.1~0.2)MPa Es(0~3.2)MPa
砾石土心墙 26 57.6
反滤料1 82 119
反滤料2 112 123
过渡料 147 175
低压缩区堆石料 125 158
压实堆石的振动碾行驶方向应平行于坝轴线。堆石靠近过渡层的区域,堆石应与过渡层平起填筑,并应对堆石与过渡层进行跨缝碾压。在过渡层不具备填筑条件前,特殊情况下,可在堆石区内设置临时断面,堆石区的填筑平台宽度大于50m。顺水流向临时断面填筑高差小于20m,临时边坡不陡于1:3,收坡采用台阶收坡法施工,台阶宽度大于1m。
坝体填筑石料应采取大面积铺筑,以减少接缝。当分块填筑时,应对块间接坡处的虚坡带采取专门的处理措施,如采取台阶式的接坡方式,每层台阶宽度大于1m,或采取将接坡处未压实的虚坡石料挖除的措施。做好填筑分区及施工缝处理,控制各种坝料均衡填筑,以免造成过多的坝体接缝,减少接缝、接坡、削坡等工序,不允许防渗体及均质坝体粘性土料出现横向接缝;且多种料接缝施工时采取跨缝碾压的方法,填筑高差进行了严格控制,基本做到了平均上升;避免了过大的高差造成相邻不同填筑时序坝料因沉降时段不一致,而形成裂缝。
冬季施工堆石料不宜加水,其碾压参数为铺土厚度、碾压机械、行车速度不变的情况下,碾压遍数增加2遍振碾。
实施例2
为论证坝顶堆石增模区的作用,采用如下两组大坝设计结构,即:方案Ⅰ:大坝不设置堆石增模区;方案Ⅱ:大坝坝顶2814m高程以上的堆石设置为增模填筑区,其余结构与原设计方法一致。两种不同的坝顶堆石分区方案,见图7~8所示。
对于大坝高程2814m约为坝高4/5以上堆石区设置低压缩区后,并对大坝进行三维粘弹塑性流固耦合有限元计算,得到竣工后和满蓄期坝体变形和应力场,并与未设置低压缩区的坝体模型的三维计算成果进行对比分析,主要表现为如下三方面的差异:
1、大坝变形方面
设置坝顶增模区后坝顶部位的计算沉降明显减小。坝顶在竣工期上下游沉降减小的极值发生在2845m高程附近,上游为8.7cm,下游沉降减小的极值为7.5cm;满蓄后由于水荷载作用,上游沉降减小的极值为10.9cm,下游沉降减小的极值为6.5cm,因此由于蓄水和湿化造成的上下游沉降差得以减小,改善了坝顶心墙和坝壳料之间的变形不协调问题。
坝顶裂缝的判断,采用变形倾度法。坝体的不均匀变形主要发生在初期蓄水的高水位阶段,坝顶上、下游倾度值的差异与堆石料的湿化变形有关。设土体的临界破坏倾度为γc,如果计算倾度γ>γc,则认为该处土层将要发生剪切破坏面。根据国内一些发生裂缝土石坝的监测结果,γc的取值不尽相同,与坝料组成、碾压密实度有关,取1%。
采用增模区后,两岸断面和河床断面的横向倾度均有明显的减小,主要是坝顶采用增模区后坝顶堆石区的沉降减小,坝顶上游区的沉降减小较大,下游沉降减小的值较小,总体坝顶部位上下游沉降差减小,坝壳料与心墙的变形不协调问题得到改善。横向倾度的最大值仍出现在河床断面坝顶的下游反滤区内,最大值为0.93%,不超过临界变形倾度1%。如图1所示。
由纵向变形倾度的分布规律可知,在河床坝段地势较为平坦处,坝顶沿坝轴线方向的沉降差较小,倾度值较小,在两岸地形变化较陡的区域变形倾度值较大,采用增模堆石区后坝轴线处的纵向倾度也有所减小,可能由于在坝壳料的影响下坝顶心墙的沉降一定程度上也有所减小。满蓄期最大纵向倾度出现在右岸0+614.5断面,最大值不到0.4%,远小于临界变形倾度,不会发生顺河向的裂缝。因此采用增模堆石区方案后,能较好的控制坝顶变形裂缝的发生,有利于大坝的运行安全。如图2~4所示。
2、坝体应力方面
加固后竣工期和满蓄期坝体主应力极值没有明显变化,不会发生剪切破坏。坝顶各单元小主应力都大于0,不会发生拉裂破坏。对大坝整体应力影响很小,不会影响大坝的安全运行。
心墙拱效应系数较加固前的最大值由0.98降低到加固后的0.94,不会危及坝体的水力劈裂安全。
在坝顶不设置增模堆石区时,竣工期坝顶拱效应系数最大为0.98,满蓄期最大为0.70。在坝顶采用增模堆石区后,坝顶堆石料的变形有明显的减小,改善了与心墙的不协调变形,竣工期坝顶拱效应系数在0.49~0.94之间,满蓄期再0.36~0.69,较原方案有所减小。图为不设置和设置增模堆石区方案心墙的拱效应系数分布对比图如图5~6所示。
3、大坝抗震方面
加固后大坝加速度反应分布规律与加固前基本接近,但三向加速度极值有所减小。其中坝体水平顺河向绝对加速度极值由加固前,587.3gal减小到564.5gal;竖直向的坝体地震加速度极值由加固前的497.1gal,减小到480.2gal;沿坝轴向加速度反应极值由加固前的609.6gal,减小到554.0gal。可见坝顶加固后,大坝加速度反应的“鞭梢效应”有所减弱。
坝顶加固后大坝震后三向永久变形分布规律与加固前基本接近,极值较加固前相比均有所减小。其中坝体水平顺河向永久变形极值由加固前,设计分区的40.1cm减小到36.4cm;竖直向的坝体地震永久变形极值由加固前,设计分区的61.7cm,减小到49.2cm;沿坝轴向永久变形也有所减小。采用增模堆石料参数后,可使大坝竖向震后永久变形减小14.1cm,与加固前相比减小了22.9%。
大坝震后应力分布与坝坡基本平行,无论是应力分布规律还是量值均与加固前相比堆石体应力接近。可见在坝顶区域采用增模区后对大坝底部应力的影响很小。
综上所述,在大坝高程2814m约为坝高4/5以上堆石区设置低压缩区后,坝体变形、坝体应力和坝体抗震三方面均有较好的改善,能较好的控制坝顶变形裂缝的发生,有利于大坝的运行安全。因此在坝高3/4~4/5及以上区域的堆石区采用低压缩区的的级配、铺料厚度、碾压遍数、控制孔隙率等填筑指标进行控制,便可提高坝体结构的整体性和抵抗变形的能力,减少了坝顶裂缝产生的可能性,从而增强大坝的抗震性能,为大坝的安全运行提供了更为可靠的保证。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区,其特征是:包括在坝顶区域设置坝体堆石低压缩区,低压缩区结构分区设置在坝顶高程到坝高的3/4~4/5高程坝体堆石区。
2.根据权利要求1所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其方式是:施工步骤如下:
S1、按照规范及大坝填筑施工技术要求,完成低压缩区以下区域的非低压缩区大坝填筑,并进行检验;
S2、在大坝填筑体上依次填筑坝壳和心墙区,坝壳包括堆石区、过渡区和反滤区,堆石区以上区域为大坝的低压缩区,过渡区、反滤区和心墙区按照规范和设计要求进行施工。
3.根据权利要求2所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其特征是:堆石料的级配要求低压缩区最大粒径为非压缩区的0.8倍;
低压缩区最大粒径不大于800mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~21%;
非低压缩区最大粒径不大于1000mm,D15≤30mm,小于5mm的颗粒含量为3%~15%。
4.根据权利要求2所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其特征是:堆石铺料厚度低压缩区为非低压缩区的0.8倍;
低压缩区最大厚度≤800mm,非低压缩区最大厚度≤1000mm。
5.根据权利要求2所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其特征是:低压缩区和非低压缩区的碾压设备及行车速度相同;
碾重≥28t,激振力≥590kN,碾压行车速度为2~3km/h。
6.根据权利要求2所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其特征是:堆石碾压遍数的低压缩区比非低压缩区多两遍碾压遍数;
低压缩区振碾10遍,非低压缩区振碾8遍。
7.根据权利要求2所述高心墙堆石坝设置坝顶低压缩区的施工方法,其特征是:堆石控制碾压孔隙率的低压缩区比非低压缩区低;
低压缩区孔隙率不大于19%,非低压缩区孔隙率不大于20%。
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