复杂坝基下胶凝砂砾石坝破坏特征的研究

刘金光

（江西省水投建设集团有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

随着我国基建工程的发展和实际工程需要,新建大坝项目越来越多。而胶凝砂砾石坝由于其具有结构稳定、取材方便、经济环保等特点,近年来应用越来越广泛。本文依托实际工程案例,基于相似理论,设计复杂地基下胶凝砂砾石坝的模型试验。对复杂地基情况下凝砂砾石坝的稳定性和安全度进行分析,探讨地基结构面对坝体稳定性的作用机理及坝体的变形情况。

2 模型试验

2.1 工程概况

某新建胶凝砂砾石坝设计坝高为60.3 m,上下游两侧坡度均为1∶0.6,坝顶宽度为6.2 m,正常蓄水高度约为56 m。断面呈现类梯形,为方便研究,将其简化为梯形。地质构造方面,共分为5 个等级,分别为F11 断层,F31 断层,10f2、f114和f115 断层,JC6-B、JC7-B、JC60-B、JC2-C 和JC21-C 层间错动带,以及节理裂隙。

2.2 相似材料配置和模型设计

根据相似理论,对模型试验的几何尺寸、重度、位移、荷载以及其他的一些主要力学参数的相似比进行了设定,综合考虑后几何相似比设为100,具体结果见表1。

表1 模型试验主要物理量相似比

根据工程经验和前人研究结果,模型的主要材料选用重晶石粉。根据室内试验结果,坝体弹性模量在46 MPa 左右,能够满足相似关系。结构面材料选用薄膜材料和软质材料。此外,模型的上游边界设为0.3 m,下游边界设为1.2 m,坝基深度设为0.9 m。水位方面,不考虑下游水位,上游水位为正常蓄水高度,取0.57 m。

2.3 模型加载和监测方案

模型加载方式为组合加载,包括坝体自重、淤沙压力和水压力。水压力和淤沙压力通过上游侧的油压千斤顶实现,坝体自重方面则依赖于相似材料容重。此次模型试验为超载法破坏试验,预压结束后,先加载至正常荷载,然后再以0.2 P0为步长加载至模型失稳。

图1 展示了试验量测设备的布置情况。如图所示,布置10 个三花应变片于坝体下部,以监测坝体的应变分布情况。在坝体的下游一侧和f114、f115 结构面共布置4 个外部位变位监测点,以监测坝体和坝基下游的变位情况。顺着结构面布置有6 个内部位移计于F31、10f2、f114 和f115 位置处。

图1 模型位移监测点布置图

3 结果分析与讨论

3.1 坝基结构面破坏过程

图2 展示了坝基结构相对变位随荷载变化曲线,Kp表示超载系数,Kp=1.0 时,荷载为正常荷载。规定滑动量沿着结构面向上滑动为正,向下滑动为负。

图2 坝基结构滑动量随荷载变化曲线

如图2（a）所示,在倾向下游结构面中,滑动量多为负数,即沿着结构面F31、10f2 向下滑动。随着荷载的增加,各监测位置处滑动量出现先增后减再增的变化趋势。对比之下,监测点#3 滑动量最大,破坏时接近60 mm,而#2 监测点和#3 监测点数值和变化趋势基本较为接近,峰值滑动量约为46 mm。

从图2（b）中可以看出,在倾向上游结构面中,滑动量多为正,即沿着结构面f114、f115 向上滑动。但从数值而言,其变化趋势与倾向下游结构面基本类似,此处不再赘述。滑动量数值方面,由大到小依次为#6、#4 和#5 监测点,峰值滑动量分别为52 mm、48 mm 和47 mm。

总体而言,坝体模型破坏过程可分为6 个阶段。第一阶段为Kp=0～1.0 阶段,在该阶段测点数值较为稳定,模型处于正常工作状态。第二阶段为Kp=1.0～1.6 阶段,在该阶段各测点变化规律基本一致,模型正常工作且无裂隙产生,Kp=1.6为第一个拐点。第三阶段为Kp=1.6～2.6 阶段,在该阶段,滑动量明显增大,在f114 和f115 结构面出现裂缝,Kp=2.0 和Kp=2.4 为曲线第二和第三拐点。第四阶段为Kp=2.6～4.4 阶段,在该阶段测点数据呈现缓慢增加趋势,结构面F31产生裂缝。第五阶段为Kp=4.4～6.0 阶段,拐点多次在该阶段出现,且坝踵处裂缝进一步发展,10f2 结构面有破坏区出现,且在Kp=6.0时,裂缝贯通明显,发生了滑动破坏,结构稳定性丧失。第六阶段为Kp=6.0～7.0阶段,结构面整体出现贯通,继续发生破坏。

3.2 坝体应变分析

图3 展示了坝体测点竖向位移曲线,监测数据由三花应变片测得。从图中可以看出,随着荷载的增加,坝体竖向位移不断增长,坝体竖向位移与荷载呈现正相关关系。坝体竖向位移变化可分为两个阶段,分别为Kp=0～2.0 阶段和Kp=2.0～7.0 阶段。在第一阶段,坝体竖向位移波动较大,且靠近基面的测点出现位移为负的情况,见图3（a）；在第二阶段,坝体竖向位移呈现缓慢增加趋势,表现得较为稳定。同时,坝体中部的测点曲线分布较为集中,如#4、#7、#10、#19、#22 和#25,说明结构面对坝体中部的竖向位移影响较小。

图3 坝体测点竖向位移曲线

整体而言,坝体基本处于受压状态,仅在试验初期在坝趾和坝踵位置出现短暂受拉现象。由于加载位置原因,坝体中部应变相对于坝趾和坝踵处更大。

3.3 坝体下游侧变位分析

图4 展示了坝体下游侧变位情况。图4（a）为水平变位情况,图4（b）为竖向变位情况。规定水平变位指向下游为负,竖向变位指向坝基为负。

图4 坝体下游侧变位曲线

从图4（a）中可以看出,随着施加荷载的提高,坝体下游侧水平变位逐渐增大。不同监测点位间的差异较为明显。水平变位数值由大到小排列依次为#3、#5、#7 和#1,即最大水平变位发生在坝趾附近。当Kp=1.3 时,曲线出现拐点,斜率增大,水平变位数值明显上涨。第二个拐点出现在Kp=4.6附近,此时斜率减小,水平变位一直持续缓慢增加到最大值。与图2 相比,图4（a）拐点位置存在差异,第一个拐点更早,第二个拐点出现位置则更晚。Kp=1.3 时,施加的荷载借助坝体传递至坝基,坝体逐渐向下游变位,在Kp=2.0 时出现裂缝,故图4（a）拐点更早出现。Kp=4.4 时,由于结构面裂缝的逐渐延伸发展,坝踵处开始缓慢下沉以及坝趾隆起,导致在Kp=4.6时水平变位增长速度降低,因此图4（a）第二个拐点出现时机相较于图2 更晚。整体而言,坝体水平变位受到坝基结构面的破坏影响,令坝体持续受到倾覆力矩作用,因此呈现出坝体水平变位与坝体高程为负相关关系,并且负相关性逐渐增大。

从图4（b）中可以看出,随着施加荷载的提高,除#2 监测点位外坝体下游侧竖向变位逐渐增大,#2 监测点竖向变位基本保持稳定。Kp=2.0 时曲线出现拐点,竖向位移曲线斜率增大,增幅明显。Kp=4.5 时再次出现拐点,此时竖向位移曲线斜率减小,持续到加载末期。相较于水平变位曲线,竖向变位曲线变化趋势较为接近,但河床附近的#2 监测点变位较小且较为稳定。这表明,结构面的互相滑移错动主要发生在f115 结构面附近,相比之下,f114 结构面的滑移错动较小。

4 结论

本文以胶凝砂砾石坝为利,基于相似理论,设计了胶凝砂砾石坝模型加载试验,分析了地基结构面对坝体稳定性的作用机理。结果表明随着荷载的增加,各监测位置处滑动量出现先增后减再增的变化；坝体基本处于受压状态,试验初期在坝趾和坝踵位置出现了短暂受拉现象；坝体水平变位受到坝基结构面破坏的影响,令坝体持续受到倾覆力矩作用,呈现出坝体水平变位与坝体高程负相关关系；坝体在坝踵位置处有沉降,结构面附近出现向上滑动的挤压破坏,但整体而言,坝体结构并未发生破坏,胶凝砂砾石坝对坝基具有较强适应性。大坝破坏原因十分复杂,研究结论还需结合工程项目进一步验证。