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同学们好

本节课我们学习土石坝安全的三大问题

渗流、稳定、变形中的最后一个问题

变形问题

即土石坝的变形分析与变形控制

首先

土石坝变形分析的目的有

1、估算粘性土体渗流固结

及孔隙水压力消散的发展过程

2、计算坝体的沉降变形

水平向变形、后期变形等

用以确定预留的坝顶沉降超高

估算各部位的不均匀沉降

判别裂缝发生的可能性

3、计算坝体应力

了解坝体内应力分布

确定应力水平较高的区域

以及可能存在的塑性区、拉应力区等

分析坝体可能的破坏模式、破坏过程

进行坝体开裂的可能性分析

以及分析可能的坝坡滑动面

4、由计算结果评价坝料设计指标

坝体分区的合理性

5、为合理确定坝体填筑方案

蓄水时机等提供指导

土石坝的变形特征不同于混凝土坝

与土石料的变形特点有关

对于粘性土的变形

主要是土料的排水固结变形

由于粘性土渗透系数小

孔隙排水慢

其固结变形发展缓慢

有的甚至达数年方能完成

使得坝体的后期变形量可能较大

影响坝体的安全运行

对于堆石料

其变形包括施工期的瞬时变形

后期流变变形、浸水湿化变形

以及颗粒破碎变形

其中

瞬时变形为堆石料填筑时完成

对坝体安全影响较小

后期流变是在应力基本不变的条件下

继续发生的长期变形

持续时间可能较长

例如

天生桥一级面板堆石坝建成后

运行至今近20年

其部分区域的堆石料变形

依然没有达到稳定

使得混凝土面板出现严重的

挤压破损现象

对坝体安全产生不利影响

浸水湿化变形

是由于堆石料浸水软化

在短期内产生的变形

多在初次蓄水时产生

下游水位以下的堆石体也产生湿化变形

使得坝体的应力重新分布

颗粒破碎变形则是

由于堆石料颗粒重新排列

以及棱角被压碎、折断等产生的变形

与堆石料的岩性、应力条件等相关

也是影响堆石料变形的重要因素

土石坝的变形分析可采用分层总和法

通过试验确定土的压缩曲线如图所示

然后分层计算各土层的压缩量后求得总和

如公式所示

由于该方法简化较多

计算结果较为粗略

对于坝高较高的土石坝

以及坝体分区、填筑过程

地基条件较为复杂的情况

一般需要采用有限元法进行计算

采用有限元法进行土体变形计算

是基于土体渗流固结理论

包括一维的太沙基固结理论

及三维的比奥固结理论

均假定土体完全饱和、渗流服从达西定律

且固结过程中渗透系数不变

忽略土粒和水的压缩性

认为土体变形主要由孔隙水的排出

和超静孔隙水压力的消散引起

基于比奥固结理论

对土石坝进行应力变形计算

采用现代数值方法

考虑变形的非线性弹性、塑性、硬化

软化、剪胀性、应力路径相关性等特点

引入土体力学性能的本构模型

考虑坝体的施工加载过程

进行坝体应力变形分析

关于土的本构模型

土石坝计算中常用邓肯张E-B和E-v模型

均属于非线性弹性模型

其优点在于

模型可以近似反映土的非线性和弹塑性

简单实用

模型参数的意义明确

通过常规三轴试验即可得到模型参数

并易于通过计算机实现编程计算

也积累了较多的工程经验

为工程技术人员接受和广泛应用

其缺点在于

模型不能反映土的剪胀性

未计入土的应力路径的影响

使得计算所得坝体水平向位移

和体积变形的误差较大

另一类模型是弹塑性本构模型

包括剑桥模型、沈珠江双屈服面模型

清华非线性解耦K-G模型等

这类模型考虑了土体的

塑性变形和屈服特征

部分模型可以反映土体的剪胀性

以及应力路径的影响

但模型相对复杂

参数较多且部分参数需要

通过复杂试验才能获得

使其应用受到了一定限制

通过有限元法计算土石坝的应力变形

可以得到的结果有

施工期、竣工期、运行期的坝体

竖直向、顺河向、坝轴向的

三向变形及其分布

坝体应力及其分布

包括三向应力、主应力

各部位剪应力以及应力水平等

坝体内的渗流场及孔压分布

根据以上计算结果

可以分析坝体局部部位的破坏可能性

可能的破坏模式、破坏过程

以及坝体开裂的可能性等

因此

有限元法能考虑土体更多方面的

物理力学特性以及坝体的实际加载过程

提供能反映坝体运行性状的更多的信息

对于指导坝体设计

施工及运行均有重要的参考价值

如图所示为

糯扎渡高心墙堆石坝典型的

应力变形计算结果图示

包括二维计算所得坝体的水平向

竖直向位移及大主应力分布

以及三维计算所得坝体的三向位移分布

可以看出

坝体顺河向水平向位移表现为

心墙下游侧堆石体位移指向下游

上游侧堆石体位移指向上游

横河向水平位移表现为

两岸坝体材料都向河床中央位移

竖向位移的分布特征为

坝体中部高程位移最大

上部和下部逐渐减少

而大主应力的分布在

心墙的上、下游面处存在明显的拱效应

这是由于模量较高的堆石体

对模量较低的粘土心墙的向下的

沉降产生了顶托阻碍作用

以上介绍了土石坝的变形计算

而变形计算的目的之一

即在于进行坝体变形控制

以防止土石坝产生裂缝

土石坝在不利的地形和坝基地质条件下

可能产生局部过大的变形和应力

当其超过坝体材料的承受能力时

将产生裂缝

不利的变形是土石坝产生裂缝的主要原因

变形裂缝如图所示按形态

可以分为纵向裂缝、横向裂缝、内部裂缝

其中

纵向裂缝走向与坝轴向平行

多发生在坝顶和坝坡中部

在不同材料由于变形模量不同

而形成较大的不均匀沉降的部位

易产生此种裂缝

比如心墙与堆石体由于不均匀沉降

易造成坝顶附近产生纵向裂缝

横向裂缝走向与坝轴向近乎垂直

多发生在两岸坝肩附近

当岸坡陡峻或是岸坡地形突变处

容易发生横向裂缝

横向裂缝常贯穿坝体的防渗体

并在渗流作用下继续发展

产生极大的危害

内部裂缝主要由

坝基和坝体的不均匀沉降引起

是一种坝内裂缝

在坝体表面很难发现

可能发展成为集中的渗漏通道

也具有较大危害性

那么

土石坝坝体裂缝的防治措施有哪些呢

根据工程经验

为避免或减少土石坝裂缝的产生

需重视以下几个方面

1、选择合适的地形、地质条件

重视坝基处理

减少坝体的不均匀变形

2、注重细部构造的设计

避免局部应力集中或受拉

3、选择合适的土石料及坝体分区

避免相邻土料间变形模量差别过大

注重变形协调

4、控制填筑施工速度和初次蓄水速度

避免坝体变形量突变

来不及调整

而产生裂缝

一旦发生了土石坝的裂缝

应根据其危害程度

采用不同的处理措施

对于表面裂缝

一般采用挖除回填

采用同等性质的土料回填后分层夯实

对于深部裂缝

可采用低塑性粘性土进行灌浆处理

以充填封闭裂缝

而对于严重的坝体裂缝

可在坝内增设板桩、防渗墙等

形成新的防渗体系

效果较好

但成本较高

近年来

国内外的一些土石坝工程

在裂缝控制方面取得了良好的效果

近代高土石坝完建以后

尚无坝体开裂案例

表明土石坝经过良好的设计

施工和运行管理

坝体的变形控制是有保证的