深厚覆盖层上的高闸坝整体稳定地质力学模型试验研究

唐茂颖,段 斌,张 林,陈建叶,杨宝全

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.国电大渡河流域水电开发有限公司,四川成都610041；3.四川大学水利水电学院,四川成都610065)

深厚覆盖层上的高闸坝整体稳定地质力学模型试验研究

唐茂颖1,2,段 斌2,张 林3,陈建叶3,杨宝全3

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.国电大渡河流域水电开发有限公司,四川成都610041；3.四川大学水利水电学院,四川成都610065)

丹巴水电站是目前中国在深厚覆盖层上即将开工建设的最高闸坝,拦河闸闸基础覆盖层最大厚度达127.66 m,且结构及组成复杂,闸坝最大坝高38.5 m。基于闸基加固处理方案,进行地质力学模型综合法试验,研究了丹巴高闸坝整体稳定问题。研究得到了适用于丹巴闸坝基础覆盖层和置换层的变温相似材料,揭示出丹巴闸坝变位分布特征、发展过程,以及闸坝基础失稳破坏特征和机理,评价了丹巴闸坝整体稳定安全性。

深厚覆盖层；闸坝整体稳定；强度弱化效应；变温相似材料；综合法试验；丹巴水电站

随着我国西南水电开发的积极推进,受地形地质条件限制，在深厚覆盖层上修建高闸坝的趋势越来越明显,然而深厚覆盖层的工程特性决定了在其上修建高闸坝将会带来两方面主要问题：一是闸基材料力学性质弱化问题,在闸坝建成并长期蓄水后,闸基承受较高的水压,深厚覆盖层的强度与变形参数将产生一定程度的弱化,若不考虑闸坝基础材料力学性质的弱化,将难以合理确定力学参数,导致工程措施无法满足水库长期运行的要求。二是闸坝整体稳定问题,世界上因坝基失稳而失事的大坝约占40%,其中坝基地质缺陷或加固处理不当是引起坝基失稳的主要因素[1]。可见,深厚覆盖层已成为影响闸坝整体稳定的重要因素,深厚覆盖层的存在给我国高闸坝工程建设带来了巨大的挑战。因此,如何适当考虑深厚覆盖层闸基弱化效应,科学评价闸坝整体稳定性,这对深厚覆盖层上的高闸坝工程建设意义重大。

地质力学模型破坏试验方法是深厚覆盖层上的闸坝整体稳定分析的一种重要方法。地质力学模型破坏试验方法包括超载法、降强法和综合法,而综合法是超载法和降强法的结合,既考虑到工程上可能遇到的突发洪水,又考虑到工程长期运行中岩体及软弱结构面力学参数在水的作用下逐步降低的可能,反映多种因素对工程稳定安全性的影响。因此,采用综合法进行大坝与地基稳定研究,更符合实际情况,在大型水利水电工程中的运用越来越广泛[2- 8]。为了实现降强过程,综合法试验的关键技术是研制出一种能降低闸基覆盖层材料力学参数的模型材料。丹巴水电站闸坝基础覆盖层深厚且结构复杂,非常有必要研制出适合其工程特性的变温相似材料应用于地质力学模型中,采用综合法试验进行闸坝整体稳定研究,分析闸坝与闸基变形特征,探讨闸坝与闸基破坏机理,合理评价工程安全性。

表1 闸址区河床覆盖层物理力学参数

1 丹巴水电站枢纽布置与覆盖层特性

1.1 枢纽工程布置

丹巴水电站位于四川省甘孜州丹巴县境内,是大渡河干流27级开发方案中的第9个梯级。电站正常蓄水位1 997 m,设计装机容量1 196.6 MW,电站多年平均发电量49.52亿kW·h。电站采用混合式开发,挡水建筑物采用最大坝高38.5 m的混凝土闸坝。闸址距丹巴县城上游约20 km,厂址在丹巴县城下游小金河口上游约400 m处,厂坝之间采用约16.7 km的引水系统连接。闸坝由泄洪闸、冲沙闸、左右岸挡水坝段、鱼道和生态小机组系统组成。右岸重力坝段布置鱼道和生态流量泄放小机组。丹巴水电站闸坝基础加固处理方案可概括为挖除闸基覆盖层中的第④和⑤层,回填砂砾石料并碾压密实,闸基进行深10 m的固结灌浆。

1.2 覆盖层特性

丹巴水电站闸址部位河床覆盖层最大厚度达127.66 m,覆盖层结构和组成复杂且分布不均匀,覆盖层包含崩坡积层(B层),漂(块)卵(碎)石层(第①层),粉土、粉砂层(第②层),含漂(块)卵砾石层(③-1层),漂(块)石夹卵砾石层(③-2层),粉土、粉砂层(④-1和④-3层),漂(块)卵(碎)砾石夹砂土层(④-2层),砂卵砾石层(第⑤层)。闸基覆盖层结构见图1,各层物理力学参数见表1。

图1 闸址部位覆盖层结构

2 相似材料研制与降强幅度确定

2.1 模型材料研制需要解决的关键技术

地质力学模型综合法试验是建立在Mohr-Coulomb强度准则和模型相似理论基础上的,由于该强度准则适用于岩石地基和软土地基(包括散粒体地基),因此综合法试验也适用于软土地基。由于岩石地基和散粒体地基在材料上有很大区别,按照相似理论,岩石材料强度高、变形模量高,必须压制成小块体进行模型砌筑,而散粒体材料强度低、变形模量低,必须以散粒体状态分层夯填制作模型,因此研制出低强度、低变形模量的模型散粒体相似材料是本试验的重点和难点,同时研制出适合丹巴闸基深厚覆盖层特点的变温相似材料,实现闸基降强是地质力学模型试验的关键技术。只有原型材料与模型材料的物理力学指标满足相似要求,地质力学模型试验才能真实地反映工程实际。因此,需要根据原型材料的物理力学参数,按相似关系换算得到模型材料的物理力学参数,并从力学相似的角度开展大量的材料试验,从而研制出与原型材料相似的模型材料。

2.2 闸坝模型材料研制

原型混凝土材料容重γp=2.4 g/cm3,闸墩及底板变形模量E1p=25.5 GPa,坝体变形模量E2p=28 GPa,由相似关系可得模型材料容重γm=2.4 g/cm3,模型闸墩及底板变形模量E1m=255 MPa,模型坝体变形模量E2m=280 MPa。根据闸段及坝体材料试验结果,丹巴闸坝混凝土模型材料以重晶石粉为主,采用少量石膏粉为胶结剂,水为稀释剂,掺入适量添加剂,按照满足物理力学相似要求的指标选定配合比,最后按概化体型浇制而成。

2.3 闸基覆盖层模型材料研制

针对闸基置换灌浆层、置换层、③-2层、③-1层、②层、B-3层、B-1层等各类闸基材料,采用以重晶石粉为主,高标号机油为胶结剂,可熔性高分子材料为掺合料,根据覆盖层材料不同,掺入一定量的添加剂等,按不同配合比制成散粒状混合料,再烘烤干燥并存储备用。在正式制备混合料前,按相似系数确定的各类材料力学指标要求,开展大量的模型材料试验研究,按相应力学指标选择好各类闸基覆盖层材料配比,供配料使用。

2.4 闸基变温相似材料研制与变温相似曲线

变温相似材料是在传统模型材料中加入适量的高分子材料及相关添加剂进行改进的一种新型模型材料,其力学性能满足综合法试验要求,并在模型中配置相应的升温降强控制系统,通过升温的方法使高分子材料逐步熔化,使其抗剪强度参数逐步降低,整个升温降强过程中材料的力学参数满足相似要求。针对丹巴闸基低强度、低变模、散粒体的特点,变温相似材料的配制以重晶石粉为主,配以高标号机油和一定熔点的石蜡小颗粒,掺入适量的可溶性高分子材料；同时加入一定量的添加剂,按照不同配合比制成散粒状的混合料,通过烘焙、筛分等制作工艺,在密闭容器中养护7～10 d；然后,采用夯填方式制作成20 cm×20 cm×10 cm的试件进行材料的变温过程剪切试验,测得抗剪强度τ与温度T之间的关系曲线,将其作为降强试验阶段中判定强度储备系数的依据。在丹巴闸坝整体稳定地质模型综合法试验中,变温相似材料分为置换层和置换灌浆层两类进行研制。通过大量的变温剪切试验获得的抗剪强度τm与温度T的关系如图2所示。

图2 变温相似材料 τm～T关系曲线

2.5 闸基变温相似材料降强幅度确定

地质力学模型综合法试验中,降强阶段试验考虑的是降低模型材料的抗剪强度τm,降强幅度需要通过闸基材料强度参数和变形特性弱化试验确定。该弱化试验采用实验室水压-应力耦合试验的方法,定量揭示渗透水流作用下水压力对闸基各层的弱化效应。弱化试验成果表明,置换灌浆层抗剪强度τ表现出明显的水压弱化效应,以天然状态最高,随水压的升高而逐步减小。在不同的水压和围压条件下,置换灌浆层抗剪强度τ的弱化率见表2。

表2 置换灌浆层不同水压下抗剪强度τs弱化率

由于置换灌浆层位于闸基表层,主要受坝体重力、库水推力、渗透压力、孔隙水压力,以及自身重力等的作用。在1 MPa应力水平、0.4 MPa水压力作用下,抗剪强度弱化率约为10%。置换灌浆层的变形特性及其参数同时具有水压弱化效应与围压强化效应,埋深越大,渗透水压越高,变形特性将弱化；另一方面,埋深越大围压越高,变形特性将强化,并且变形模量围压强化效应大于水压弱化效应。置换灌浆层变形模量E50在0.4 MPa水压下的弱化率为9.1%。根据弱化试验成果,置换灌浆层在应力1 MPa、水压0.4 MPa条件下,其强度弱化率在10%左右,综合考虑置换灌浆层的变形模量弱化效应及水压弱化效应,经工程类比,丹巴水电站闸基置换灌浆层的抗剪强度弱化率取15%。因条件限制,未能进行置换层的强度参数和变形特性弱化效应试验研究,参考置换灌浆层的弱化成果,在模型试验中置换层的抗剪强度弱化率也取为15%。

3 闸坝整体稳定地质力学模型制作与测试

3.1 模型主要相似系数

根据相似条件要求,选取几何相似系数CL=100,变形模量相似系数CE=100,容重相似系数Cγ=1,荷载相似系数CF=1003,摩擦系数相似系数Cf=1,凝聚力相似系数Cc=100,泊松比相似系数Cμ=1,应变相似系数Cξ=1。

3.2 模型模拟范围

模型对闸坝坝体左1号坝段、闸1号～闸8号、右1号坝段、鱼道、右2号～右4号坝段、防渗墙及底板,闸基置换灌浆层、置换层、B-3层、B-1层、②层、③-1层、③-2层,模型尺寸为1.68 m×2.36 m×1.075 m(顺河向×横河向×高度),相当于原型工程168 m×236 m×107.5 m范围。

3.3 升温降强控制系统

试验中,将置换层和置换灌浆层这两层地基按厚度各分成3层,在层面上全断面均匀布置电阻丝,保证闸基置换灌浆层及置换层强度参数的均匀降低,同时将热电偶埋设于电阻丝旁一定距离处,既能准确的测定内部温度升高的情况,又避免与电阻丝直接接触而损坏。电阻丝和热电偶均通过引出线与模型外的控制设备相连,通电后,电阻丝受热升温,热量传递给变温相似材料,使其中的粒状高分子材料熔化,从而降低材料的抗剪断强度参数。本试验在置换灌浆层及置换层共布置了9支热电偶分别监测各区域的温度值,并采用3台调压器来控制升温降强的幅度。

3.4 加载系统

试验采用正常工况下的荷载组合,即自重+上下游水压力+水平向渗透压力。模型试验将荷载沿高程方向共分为4层,根据各层荷载大小及千斤顶出力分成42块,将每个荷载分块的形心作为加载作用点,采用油压千斤顶加载。

3.5 量测系统

试验在闸坝表面共布置80个双向变位测点,共160支位移计；在闸坝表面和内部共布置42个应变测点,97张应变片。

3.6 试验程序

首先对模型进行预压,然后采用正常荷载加载,在正常荷载基础上进行降强阶段试验,即升温降低坝基中置换层及置换灌浆层的抗剪强度。升温降强过程采用逐级实现的办法,将上述部位坝基材料的抗剪强度降低约15%。在保持降低后的强度参数条件下,再进行超载阶段试验,对上游水荷载及坝基渗水压力分级进行超载,超载按0.20P0(P0为正常工况下的水荷载)的步长加载直至闸坝与闸基出现整体失稳为止。

4 试验成果及分析

4.1 试验成果

试验获得了闸坝与闸基表面测点顺河向变位δx、竖直向变位δy及其随超载安全系数KP发展过程；闸坝应变测点应变με及其随超载安全系数KP变化发展过程；闸坝与闸基的破坏过程、最终破坏形态及特征。以2号闸段为典型闸段,其顺河向变位δx、应变με与超载安全系数KP的关系曲线见图3、4。

图3 2号闸段顺河向变位 δx-KP关系曲线

图4 2号闸段左侧面0°、90°方位应变 με-KP关系曲线

4.2 闸坝与闸基变位特性分析

在正常工况下,闸坝变位值较小,各闸坝相对变位也较小,闸坝及闸基变位符合一般规律。在降强阶段,由于受强度参数弱化影响,闸坝变位值略有增长,但增长幅度不大。在超载阶段,闸坝变位随超载系数的增加而逐渐增大,顺河向变位总体向下游,竖直向变位值较顺河向小；当KP≥1.6～2.0时,变位曲线出现明显的转折和拐点,曲线斜率变小,变位增长幅度加大,出现大变形；当KP=3.3～3.6时,变位曲线不稳定,闸坝与闸基出现整体失稳趋势。从整体来看,最大变位出现在河床中部覆盖层较深的闸段,并向两岸逐渐减小。

4.3 闸坝与闸基破坏过程及模式分析

模型破坏过程：①在正常工况下,闸坝及坝基工作正常；②在降强阶段,变位略有增长,但增长幅度不大,闸坝与坝基仍处于正常工作状态；③当KP=1.4时,位于河床中部覆盖层较深的6号～8号闸底板上游侧发生初裂；④当KP=1.6～2.0时,闸底板裂缝由河床中部向两岸不断扩展,其余闸坝相继出现裂缝,闸坝间横缝受相对错动的影响多处发生开裂,闸坝沿坝基向下游剪切滑移,下游坝趾出现压剪破坏；⑤当KP=3.3～3.6时,闸坝与闸基间裂缝、闸室与护坦间的裂缝开裂破坏严重,坝段间的裂缝贯通,变位与应变曲线不稳定,闸坝沿闸基出现剪切滑移失稳破坏。

闸坝破坏模式：闸坝上游侧贯通性拉裂破坏,下游侧贯通性剪切破坏,闸坝沿坝基面发生剪切滑移,闸坝间不均匀错动导致横缝开裂,将闸段分成滑移程度明显不同的三个部分,闸坝整体向下游滑移失稳破坏。

4.4 闸坝与闸基整体稳定安全度评价

5 结论及建议

(1)研制出了能实现闸基降强的变温相似材料及配套的升温降强技术。针对丹巴闸基材料低强度、低变模、散粒体的特点,闸基变温相似材料由重晶石粉、可溶性高分子材料、高标号机油、石蜡小颗粒及添加剂等材料配制而成,这种材料的抗剪断强度具有随温度升高而降低的性能,通过在变温相似材料中设置升温降强控制系统实现抗剪强度τ(f,c)的降低,由变温过程的剪切试验,建立了置换灌浆层、置换层抗剪断强度τ(f,c)与温度T的关系曲线,并确定了变温相似材料的降强幅度为10%～15%。为综合法模型试验奠定了基础。变温相似材料和升温降强试验技术首次成功应用于深厚覆盖层的地质力学模型试验中。

(3)为进一步提高闸坝整体稳定性,建议将闸基回填砂砾石层扩大至右1号储门槽坝段,同时加大对6～8号闸段、右1号坝段进行固结灌浆的深度。

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(责任编辑王 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

国家自然科学基金(51379139)；国家自然科学基金青年基金(51409179)；教育部博士点基金(20100181110077)

唐茂颖(1980—),男,四川仁寿人，高级工程师，博士研究生，从事水电工程建设管理和技术工作；段斌(通讯作者)．

TV148

：A

：0559- 9342(2017)06- 0105- 05