面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究.docxVIP

? ? 面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究 ? ? 易进栋，徐光明，朱大铮 （南京水利科学研究院，江苏 南京 210029） 面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究 易进栋，徐光明，朱大铮 （南京水利科学研究院，江苏 南京 210029） 西北口水库大坝是我国建设的第一座百米级钢筋混凝土面板堆石坝，其百年一遇洪水渡汛水位降落幅度21.63 m，水位骤降速度最大可达3.65 m/h。面板尚未浇筑前的堆石坝体需临时拦洪渡汛，坝体垫层既起面板垫层作用，还要保证堆石坝体安全渡汛，水位骤降对垫层将产生拖拽力作用，影响到垫层的稳定性。本文通过面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验，对不同渗透性垫层安全渡汛进行了试验研究，试验研究成果被西北口面板堆石坝工程施工期安全渡汛设计采纳，为面板坝工程建设特别是施工期安全渡汛提供了技术支撑。 土工离心模型试验；模型坝；垫层安全渡汛；水位骤降速度；垫层渗透性 1 研究背景 西北口水库工程位于湖北宜昌上游长江支流黄柏河东支中游，距葛洲坝三江船闸46 km，控制流域面积862 km2，回水变动区区域长约25 km，总库容2.1亿m3。西北口水库以农业灌溉为主，兼有发电、防洪等综合效益。按西北口水库大坝百年一遇洪水标准，相应最大洪峰流量3 520 m3/s，3 d入库洪水总量达2.61×108m3。由于库区属山区性河流，洪水猛涨陡落，按施工调洪演算表明：从百年一遇洪水渡汛最高水位295.43 m下降至273.8 m，水位降落幅度计21.63 m，水位下降平均速度1.2 m/h，水位骤降最大速度可达3.65 m/h。 大坝上、下游坝坡坡度均为1∶1.4，坝顶宽8 m，最大坝高95 m，坝顶长216 m，坝体堆石填筑方量1.62×106m3，面板混凝土方量1.27×104m3、防渗覆盖面积2.84×104m2。坝体填筑分三区，即坝体堆石区、过渡层及垫层区。面板堆石坝工程施工期间，尤其是面板尚未浇筑时的堆石坝体需临时拦洪渡汛，坝体垫层既要起永久的面板垫层作用，还要起施工期临时防渗渡汛作用。水位骤降对垫层将产生拖拽力作用，严重时可危及垫层安全，进而影响大坝工程施工。为此，本文进行了不同水位骤降速度下不同渗透性垫层的离心模型试验，研究水位骤降时垫层的稳定性及可能发生的渗流冲刷破坏。 渗透系数k值较大的砂石垫层料具有良好的抵抗渗流冲蚀能力［1-2］，水位骤降会对垫层产生拖拽力作用。对于渗透系数较小的垫层，滞留于孔隙中的水不能及时排出而形成较高的孔隙水压力，可能降低其抗冲蚀能力并可导致坍坡。但只要垫层渗流保护措施适当，在垫层料渗流系数为1.3×10-3～1.4×10-2cm/s的条件下，垫层可以承受较高渗透坡降而不被破坏。 2 离心模型试验设计 2.1相似基本原理根据离心机容许的模型径向尺寸Lm和原型尺寸Lp确定模型率n（n=Lp/Lm），根据模型率n确定模型试验加速度am。原型面板堆石坝的坝料重度γp=ρpg，模型坝的坝料重度γm=ρmam，保证模型坝点位应力σm与原型坝相应点位应力σp相似，即σm=σp。由于有σm=ρmamLm, σp=ρpgLp，则可得： 式中：am为试验加速度；g为重力加速度；ρm、ρp分别为模型坝料和原型坝料的密度。 本文离心模型试验的模型坝试验材料采用与原型坝相同质量密度的坝料，即：ρm=ρp。当am=nap=ng时，即有σm=σp成立。 模型几何尺寸为原型的1/n，作用在模型上的体积力增加n倍，这样在相同的原型坝与模型坝材料及边界应力条件下，模型坝与原型坝在各相应点位上的应力应变相同，模型坝反映原型坝应力变形性状。这为土工离心模型试验的基本原理。 2.2水位骤降试验相似比尺本文垫层渡汛离心模拟试验几何比尺Cl=n（模型率）及时间比尺Ct（水位骤降历时），从量纲分析［3-4］并根据相似准则有： 按相似准则 即得时间比尺 式中：V为蓄水容积；H为水深；A为排水孔面积；g为重力加速度；t为骤降历时。 根据时间比尺和水位骤降速度，就可计算出模型从渡汛最高水位下降至低水位所需的控制时间［5］。 2.3模型坝面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验，模拟了大坝渡汛断面的上游2/3部分坝体（见图1所示的80 m×45 m的上游部分坝体），模型坝设计断面见图2所示，试验模型率n取160，试验离心加速度160 g。模型坝堆石和垫层料采用原型坝白云质灰岩与炭质灰岩粗、细石料，经粉碎、过筛并按图3级配曲线掺和配制，模型坝堆石料抗剪强度φ=40°、c=25 kPa，垫层料抗剪强度φ=43.5°、c=0。 垫层渡汛离心模型试验比较了垫层料渗透系数对垫层安全性的影响，试验中建置了3组模型坝，分别采用3种渗透系数的垫层料，模型设计参数见表1。 图1 西北口面板堆石坝渡汛断面（单位：m） 图2 垫层渡汛离心模型试验坝断面（单位：cm）