復(fù)雜壩基下膠凝砂礫石壩破壞特征的研究

劉金光

（江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

隨著我國(guó)基建工程的發(fā)展和實(shí)際工程需要,新建大壩項(xiàng)目越來(lái)越多。而膠凝砂礫石壩由于其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、取材方便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn),近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文依托實(shí)際工程案例,基于相似理論,設(shè)計(jì)復(fù)雜地基下膠凝砂礫石壩的模型試驗(yàn)。對(duì)復(fù)雜地基情況下凝砂礫石壩的穩(wěn)定性和安全度進(jìn)行分析,探討地基結(jié)構(gòu)面對(duì)壩體穩(wěn)定性的作用機(jī)理及壩體的變形情況。

2 模型試驗(yàn)

2.1 工程概況

某新建膠凝砂礫石壩設(shè)計(jì)壩高為60.3 m,上下游兩側(cè)坡度均為1∶0.6,壩頂寬度為6.2 m,正常蓄水高度約為56 m。斷面呈現(xiàn)類(lèi)梯形,為方便研究,將其簡(jiǎn)化為梯形。地質(zhì)構(gòu)造方面,共分為5 個(gè)等級(jí),分別為F11 斷層,F31 斷層,10f2、f114和f115 斷層,JC6-B、JC7-B、JC60-B、JC2-C 和JC21-C 層間錯(cuò)動(dòng)帶,以及節(jié)理裂隙。

2.2 相似材料配置和模型設(shè)計(jì)

根據(jù)相似理論,對(duì)模型試驗(yàn)的幾何尺寸、重度、位移、荷載以及其他的一些主要力學(xué)參數(shù)的相似比進(jìn)行了設(shè)定,綜合考慮后幾何相似比設(shè)為100,具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)主要物理量相似比

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和前人研究結(jié)果,模型的主要材料選用重晶石粉。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,壩體彈性模量在46 MPa 左右,能夠滿足相似關(guān)系。結(jié)構(gòu)面材料選用薄膜材料和軟質(zhì)材料。此外,模型的上游邊界設(shè)為0.3 m,下游邊界設(shè)為1.2 m,壩基深度設(shè)為0.9 m。水位方面,不考慮下游水位,上游水位為正常蓄水高度,取0.57 m。

2.3 模型加載和監(jiān)測(cè)方案

模型加載方式為組合加載,包括壩體自重、淤沙壓力和水壓力。水壓力和淤沙壓力通過(guò)上游側(cè)的油壓千斤頂實(shí)現(xiàn),壩體自重方面則依賴(lài)于相似材料容重。此次模型試驗(yàn)為超載法破壞試驗(yàn),預(yù)壓結(jié)束后,先加載至正常荷載,然后再以0.2 P0為步長(zhǎng)加載至模型失穩(wěn)。

圖1 展示了試驗(yàn)量測(cè)設(shè)備的布置情況。如圖所示,布置10 個(gè)三花應(yīng)變片于壩體下部,以監(jiān)測(cè)壩體的應(yīng)變分布情況。在壩體的下游一側(cè)和f114、f115 結(jié)構(gòu)面共布置4 個(gè)外部位變位監(jiān)測(cè)點(diǎn),以監(jiān)測(cè)壩體和壩基下游的變位情況。順著結(jié)構(gòu)面布置有6 個(gè)內(nèi)部位移計(jì)于F31、10f2、f114 和f115 位置處。

圖1 模型位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 壩基結(jié)構(gòu)面破壞過(guò)程

圖2 展示了壩基結(jié)構(gòu)相對(duì)變位隨荷載變化曲線,Kp表示超載系數(shù),Kp=1.0 時(shí),荷載為正常荷載。規(guī)定滑動(dòng)量沿著結(jié)構(gòu)面向上滑動(dòng)為正,向下滑動(dòng)為負(fù)。

圖2 壩基結(jié)構(gòu)滑動(dòng)量隨荷載變化曲線

如圖2（a）所示,在傾向下游結(jié)構(gòu)面中,滑動(dòng)量多為負(fù)數(shù),即沿著結(jié)構(gòu)面F31、10f2 向下滑動(dòng)。隨著荷載的增加,各監(jiān)測(cè)位置處滑動(dòng)量出現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢(shì)。對(duì)比之下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)#3 滑動(dòng)量最大,破壞時(shí)接近60 mm,而#2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和#3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值和變化趨勢(shì)基本較為接近,峰值滑動(dòng)量約為46 mm。

從圖2（b）中可以看出,在傾向上游結(jié)構(gòu)面中,滑動(dòng)量多為正,即沿著結(jié)構(gòu)面f114、f115 向上滑動(dòng)。但從數(shù)值而言,其變化趨勢(shì)與傾向下游結(jié)構(gòu)面基本類(lèi)似,此處不再贅述?；瑒?dòng)量數(shù)值方面,由大到小依次為#6、#4 和#5 監(jiān)測(cè)點(diǎn),峰值滑動(dòng)量分別為52 mm、48 mm 和47 mm。

總體而言,壩體模型破壞過(guò)程可分為6 個(gè)階段。第一階段為Kp=0～1.0 階段,在該階段測(cè)點(diǎn)數(shù)值較為穩(wěn)定,模型處于正常工作狀態(tài)。第二階段為Kp=1.0～1.6 階段,在該階段各測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律基本一致,模型正常工作且無(wú)裂隙產(chǎn)生,Kp=1.6為第一個(gè)拐點(diǎn)。第三階段為Kp=1.6～2.6 階段,在該階段,滑動(dòng)量明顯增大,在f114 和f115 結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)裂縫,Kp=2.0 和Kp=2.4 為曲線第二和第三拐點(diǎn)。第四階段為Kp=2.6～4.4 階段,在該階段測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì),結(jié)構(gòu)面F31產(chǎn)生裂縫。第五階段為Kp=4.4～6.0 階段,拐點(diǎn)多次在該階段出現(xiàn),且壩踵處裂縫進(jìn)一步發(fā)展,10f2 結(jié)構(gòu)面有破壞區(qū)出現(xiàn),且在Kp=6.0時(shí),裂縫貫通明顯,發(fā)生了滑動(dòng)破壞,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性喪失。第六階段為Kp=6.0～7.0階段,結(jié)構(gòu)面整體出現(xiàn)貫通,繼續(xù)發(fā)生破壞。

3.2 壩體應(yīng)變分析

圖3 展示了壩體測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由三花應(yīng)變片測(cè)得。從圖中可以看出,隨著荷載的增加,壩體豎向位移不斷增長(zhǎng),壩體豎向位移與荷載呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。壩體豎向位移變化可分為兩個(gè)階段,分別為Kp=0～2.0 階段和Kp=2.0～7.0 階段。在第一階段,壩體豎向位移波動(dòng)較大,且靠近基面的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)位移為負(fù)的情況,見(jiàn)圖3（a）；在第二階段,壩體豎向位移呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì),表現(xiàn)得較為穩(wěn)定。同時(shí),壩體中部的測(cè)點(diǎn)曲線分布較為集中,如#4、#7、#10、#19、#22 和#25,說(shuō)明結(jié)構(gòu)面對(duì)壩體中部的豎向位移影響較小。

圖3 壩體測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線

整體而言,壩體基本處于受壓狀態(tài),僅在試驗(yàn)初期在壩趾和壩踵位置出現(xiàn)短暫受拉現(xiàn)象。由于加載位置原因,壩體中部應(yīng)變相對(duì)于壩趾和壩踵處更大。

3.3 壩體下游側(cè)變位分析

圖4 展示了壩體下游側(cè)變位情況。圖4（a）為水平變位情況,圖4（b）為豎向變位情況。規(guī)定水平變位指向下游為負(fù),豎向變位指向壩基為負(fù)。

圖4 壩體下游側(cè)變位曲線

從圖4（a）中可以看出,隨著施加荷載的提高,壩體下游側(cè)水平變位逐漸增大。不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位間的差異較為明顯。水平變位數(shù)值由大到小排列依次為#3、#5、#7 和#1,即最大水平變位發(fā)生在壩趾附近。當(dāng)Kp=1.3 時(shí),曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),斜率增大,水平變位數(shù)值明顯上漲。第二個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在Kp=4.6附近,此時(shí)斜率減小,水平變位一直持續(xù)緩慢增加到最大值。與圖2 相比,圖4（a）拐點(diǎn)位置存在差異,第一個(gè)拐點(diǎn)更早,第二個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)位置則更晚。Kp=1.3 時(shí),施加的荷載借助壩體傳遞至壩基,壩體逐漸向下游變位,在Kp=2.0 時(shí)出現(xiàn)裂縫,故圖4（a）拐點(diǎn)更早出現(xiàn)。Kp=4.4 時(shí),由于結(jié)構(gòu)面裂縫的逐漸延伸發(fā)展,壩踵處開(kāi)始緩慢下沉以及壩趾隆起,導(dǎo)致在Kp=4.6時(shí)水平變位增長(zhǎng)速度降低,因此圖4（a）第二個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)機(jī)相較于圖2 更晚。整體而言,壩體水平變位受到壩基結(jié)構(gòu)面的破壞影響,令壩體持續(xù)受到傾覆力矩作用,因此呈現(xiàn)出壩體水平變位與壩體高程為負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且負(fù)相關(guān)性逐漸增大。

從圖4（b）中可以看出,隨著施加荷載的提高,除#2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位外壩體下游側(cè)豎向變位逐漸增大,#2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向變位基本保持穩(wěn)定。Kp=2.0 時(shí)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),豎向位移曲線斜率增大,增幅明顯。Kp=4.5 時(shí)再次出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)豎向位移曲線斜率減小,持續(xù)到加載末期。相較于水平變位曲線,豎向變位曲線變化趨勢(shì)較為接近,但河床附近的#2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變位較小且較為穩(wěn)定。這表明,結(jié)構(gòu)面的互相滑移錯(cuò)動(dòng)主要發(fā)生在f115 結(jié)構(gòu)面附近,相比之下,f114 結(jié)構(gòu)面的滑移錯(cuò)動(dòng)較小。

4 結(jié)論

本文以膠凝砂礫石壩為利,基于相似理論,設(shè)計(jì)了膠凝砂礫石壩模型加載試驗(yàn),分析了地基結(jié)構(gòu)面對(duì)壩體穩(wěn)定性的作用機(jī)理。結(jié)果表明隨著荷載的增加,各監(jiān)測(cè)位置處滑動(dòng)量出現(xiàn)先增后減再增的變化；壩體基本處于受壓狀態(tài),試驗(yàn)初期在壩趾和壩踵位置出現(xiàn)了短暫受拉現(xiàn)象；壩體水平變位受到壩基結(jié)構(gòu)面破壞的影響,令壩體持續(xù)受到傾覆力矩作用,呈現(xiàn)出壩體水平變位與壩體高程負(fù)相關(guān)關(guān)系；壩體在壩踵位置處有沉降,結(jié)構(gòu)面附近出現(xiàn)向上滑動(dòng)的擠壓破壞,但整體而言,壩體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞,膠凝砂礫石壩對(duì)壩基具有較強(qiáng)適應(yīng)性。大壩破壞原因十分復(fù)雜,研究結(jié)論還需結(jié)合工程項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證。