某碾压混凝土重力坝层面抗滑稳定分析
2021-06-02吴伟
吴伟
(国家能源局大坝安全监察中心,浙江杭州,311122)
0 引言
碾压混凝土采用分层浇筑,水平向防渗性能相差较大,是防渗的薄弱环节。碾压混凝土坝坝体防渗一般采用常态混凝土防渗层、变态混凝土防渗层的防渗结构,其可靠性至关重要。施工中,碾压混凝土层面若存在骨料架空、层面胶结不良和透水率大等质量问题,运行中则可能出现坝体混凝土溶蚀、析钙、坝体渗透压力升高或混凝土腐蚀等危害,影响结构安全。某工程水库蓄水后,坝体层面渗透压力与气温相关性较好,冬季渗透压力明显增大,渗压系数达到0.8以上。笔者基于坝体渗压实测值,采用材料力学法,对坝体层面抗滑稳定进行复核计算,为评价大坝坝体抗滑稳定提供参考依据。
1 工程概况及坝体防渗结构设计
1.1 工程概况
某水电站大坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高31.5 m,最大坝基宽度28.675 m,坝顶长216 m,分为8个坝段。上游面直立,防渗层采用0.5 m厚的富胶凝材料变态混凝土,防渗标号W8,下游面464.20 m高程以上直立,464.20 m高程以下坝坡1∶0.75。坝体典型断面见图1。
图1 坝体典型断面图Fig.1 Typicalsection of dam
为增加大坝的抗滑稳定性,在大坝下游坝坡与1号、2号公路之间的深槽底部3.5 m回填混凝土,其上18.7 m回填碾压堆石。
1.2 防渗结构设计
上游面防渗层采用0.5 m厚的富胶凝材料变态混凝土,抗渗标号W8,按常态混凝土振捣施工。
大坝共分8个坝段,每个坝段横缝设两道铜片止水。第一道止水:离上游坝面0.5 cm处至坝基,与库盆面板接缝的表面止水连接封闭;第二道止水:离上游坝面1.0 m处至坝基,插入齿槽岩体并与库盆面板接缝的底部铜片止水连接封闭。坝体渗透水通过排水管排入基础廊道。
2 坝体层面渗压监测布置
坝体渗透压力监测设3个横断面,桩号分别为大坝0+050.00、0+097.00和0+150.00,每个断面分别在447.80 m、455.80 m高程的坝体内部二级配防渗层和三级配上游侧设3支渗压计。坝体渗压监测典型断面布置见图2。
图2 坝体渗压典型断面布置图Fig.2 Layout of dam seepage pressure monitoring on typical section
3 层面渗压分析
3.1 层面渗压规律及空间分布分析
水库蓄水前,坝体渗透压力很小;水库蓄水后,渗透压力与气温相关性较好,冬季渗透压力明显增大,表明碾压层面在冬季张开,夏季闭合。不同坝段的层面渗透压力差异较大,447.8 m高程坝体渗压最大水头为1.0~15.8 m;455.8 m高程坝体渗压最大水头为5.6~14.2 m。
图3 大坝坝体渗透压力过程线Fig.3 Process curve of seepage pressure in dam body
按DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》要求,坝体内部排水管处渗透压力强度系数α为0.2,大坝坝体排水管布置在距上游坝面3.5 m处,选择2018年12月20日低温高水位测次绘制量值分布图(见图4)。由图4可知:坝体渗压横向分布总体呈现从上游向下游递减趋势,经排水管折减后,坝体渗压水头明显降低。从碾压混凝土层面渗压系数来看,坝体排水管后渗压系数为0.05~0.86,其中455.8 m高程坝体渗压系数较大,为0.41~0.86,均超过规范要求,表明该混凝土层面防渗能力偏弱;447.8 m高程坝体渗压除6号坝段Pf-3-3超过规范要求外,其余坝段渗压水头较小,运行期后渗压水头总体稳定。
3.2 与上游水位相关性分析
为定性考察坝体层面渗压与上游水位的相关关系,选择2016年5月20~21日作为典型日,对坝体渗压计和库水位每小时观测1次,持续观测2 d,以对比分析坝体渗压与库水位的关系。坝体渗压与库水位的日变化过程线见图5,据此可知:2号坝段455.8 m高程渗压计Pf-1-7和Pf-1-8受库水位影响较明显,且有一定的滞后性;渗压计Pf-1-9(距上游面5.5 m)基本不受库水位波动影响。
3.3 现场检查
现场检查发现大坝下游面常年处于干燥状态,未发现明显坝体析钙现象,坝体排水孔大多数无水,部分呈滴水状态,坝体、坝基总渗漏量最大仅为1.24 L/s。
4 坝体抗滑稳定复核
考虑到坝后填筑至456.00 m高程,增加了大坝456.00 m高程以下层面的抗滑稳定性,且坝体447.8 m层面渗压基本在设计值以内,故选择坝体渗透压力较大的455.8 m高程进行抗滑稳定复核。
图4 大坝坝体渗压系数横向分布图Fig.4 Transverse distribution of seepage pressure coefficient in dam body
图5 坝体渗压与库水位日变化过程线Fig.5 Variation of dam seepage pressure and reservoir water level
4.1 计算基本资料
工程为一等大(1)型工程,大坝按1级建筑物设计,采用材料力学法,在考虑荷载基本组合的情况下,对大坝6号挡水坝段典型剖面沿455.8 m高程进行大坝静力条件计算分析。大坝坝体断面按常规重力坝设计,上游面直立,下游面464.20 m高程以上直立,464.20 m高程以下坝坡1∶0.75。
考虑主排水孔作用,坝体渗透压力、扬压力在主排水孔处折减,按DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》,坝体内部排水管处渗透压力强度系数α为0.2。按照现行业规范NB/T 35026-2014《混凝土重力坝设计规范》进行复核,计算简图见图6。
图6 计算简图Fig.6 Calculation diagram
4.2 水位条件
大坝坝体稳定计算取正常蓄水位471.50 m、校核洪水位472.11 m两种水位,混凝土容重取2.4 t/m3。取2018年12月20日低温高水位工况,通过渗压计实测水头计算扬压力。
4.3 计算参数
由于缺少坝体层面力学参数,坝体混凝土抗剪参数按坝基选取,f"=0.8,c"=600 kPa,参数取值偏保守。
根据NB/T 35026-2014《混凝土重力坝设计规范》,材料性能分项系数见表1,计算参数见表2。
表1 材料分项系数表Table 1 Material coefficients
表2 计算参数表Table 2 Calculation parameters
4.4 主要作用力
4.4.1 坝体自重
式中:γc为混凝土容重,取24 kN/m3;Ar为单宽剖面层面面积,m2。
以6号坝段为例:W=(W1+W2)γc=173.96×24=4175.04 kN/m。
4.4.2 扬压力
式中:γw为水的容重,取9.81 kN/m3;Au为455.8 m层面的扬压力分布图形面积。
正常蓄水位工况:U=浮托力+渗透压力=(0+99.6)×9.81=977.08 kN/m。
校核洪水位工况:由于缺少校核洪水位工况下的实测扬压水位,校核洪水位工况下的坝基扬压水位按正常蓄水位工况下的实测渗压系数推算,U=浮托力+渗透压力=(0+107.5)×9.81=1054.56 kN/m。
正常蓄水位+扬压力全水头工况:U=浮托力+渗透压力=(0+131.6)×9.81=1290.6 kN/m。
4.4.3 静水压力
上游静水压力:Ps=0.5γwH2=0.5×9.81×16.312=1303.48 kN/m;下游静水压力:Px=0 kN/m。
4.5 计算结果
基本组合承载能力极限状态设计表达式为:
计算结果见表3。由表3可知,坝体层面抗滑稳定满足要求。
表3 大坝抗滑稳定计算结果汇总表Table 3 Calculation results of anti-sliding stability of dam
5 结语
通过坝体抗滑稳定复核可知,虽然该工程坝体渗透压力较大,且已远超过设计值,但由于坝高较低,坝体所承受的荷载较小,坝体沿层面的抗滑稳定富裕度较高。一般来说,对于同等坝高、坝体渗压较高的类似工程,坝体沿层面是稳定的,但在长期运行中,需关注坝体渗压对混凝土防渗结构耐久性的影响,如坝体溶蚀、析钙、混凝土腐蚀等。