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关于大坝扬压力及其降低措施的几点思考

发布时间:2019-06-29 12:08所属分类:科技论文浏览:1

摘 要:非洲某碾压混凝土重力坝最大坝高 120m,坝顶长度 1164m,混凝土总量 353 万 m3 。该大坝基础地质情况复杂,河床坝段 坝基为寒武纪辉绿岩,两岸坝肩为奥陶纪砂岩,地质条件复杂,导致大坝稳定性分析和基础处理难度均较大。在与国际咨询工程师讨论 大坝

  摘 要:非洲某碾压混凝土重力坝最大坝高 120m,坝顶长度 1164m,混凝土总量 353 万 m3 。该大坝基础地质情况复杂,河床坝段 坝基为寒武纪辉绿岩,两岸坝肩为奥陶纪砂岩,地质条件复杂,导致大坝稳定性分析和基础处理难度均较大。在与国际咨询工程师讨论 大坝抗滑稳定性问题过程中,深感双方在扬压力及其降低措施等观念上存在差异。文章重点阐述扬压力形成的原理和本工程对于不同 地质条件降低扬压力所采用的措施。

  关键词:渗透压力;渗透场;重力坝;降低扬压力措施

水电与新能源

  1 概述

  某工程碾压混凝土重力坝最大坝高 120m, 坝 长 1164m,自左至右分别是:423.45m 长左岸挡水坝段(17 个 坝段)、97m 长发电引水坝段 (5 个坝段)、60m 长导流底孔 坝段、25m 长泄洪底孔坝段、173.55m 长溢流坝段和 385m 长右岸挡水坝段。 该碾压混凝土重力坝辉绿岩坝基灌浆帷幕和排水帷 幕的布置:上游灌浆廊道中间设置一道主帷幕,间距 2m; 在主帷幕上游 0.8m 设置一道副帷幕,向上游倾斜 3 度,间 距 2m;主帷幕下游 1m 设置一道坝基排水孔,向下游倾斜 15 度,间距 3m,孔径 110mm;河床坝段下游交通廊道设置 一排垂直排水孔,间距 3m,孔径 110mm。 该碾压混凝土重力坝砂岩坝基灌浆帷幕和排水帷幕 的布置:上游灌浆廊道中间设置一道帷幕灌浆,间距 2m; 灌浆帷幕下游 1m 设置一道排水帷幕,向下游倾斜 15 度, 间距 3m,孔径 110mm。

  2 大坝扬压力的形成原理

  扬压力 (Uplift Pressure):指建筑物及其地基内的渗 水,对某一水平计算截面的浮托力与渗透压力之和。挡水 建筑物的扬压力是在上、下游净水头作用下形成的渗流场 和浮托力之和,是静水压力派生出来的荷载。 浮托力(Buoyant Force):即浮力,根据阿基米德浮力 原理,物体放入水中,排出水的重力即为水给物体的浮力。 大坝浮力公式是 F 浮=ρ 水 gV(V 是指坝体淹没体积)。渗透压力(Seepage Pressure,):渗流压力是指液体在渗 流时所产生的动水压力(Hydrodynamic pressure)。坝(闸) 基渗流时所产生的渗流压力分布于整个坝底轮廓上,并与 坝底轮廓垂直,此种渗流压力对坝的稳定不利。

  实际分布应通过 监测仪器测得。坝基面渗透压力最大处应在坝踵处,约等 于坝前水头(210-坝基高程)m。因坝趾处无水头,坝趾处水 头为 0m,即渗透压力为 0m 水头。坝趾与坝踵之间的渗透 压力受地质情况影响较大,设计阶段计算时一般假设为一 条斜直线。单宽坝段坝基渗透压力与深色阴影面 积成正比,即坝基面渗透压力可用 F 渗透=0.5kA(A 为深色 区域面积,k=ρ*g*1 为常数)表示。A 与坝前水位和坝后水 位成正比,即 A=(H 坝前-H 坝后)L,(L 为坝基长度,受扬 压力作用的坝基长度)。 渗流场(Seepage Field):研究渗流问题时,将压力相等 的点连成线即等压线,与等压线垂直 的线为流线,等压线和流线所组成的 图称为渗流的水动力学场,也可以叫做渗流场。

  实际渗流场受地质情况影响较大。 动水(Moving Water):为什么水会在坝基内运动,而且 是从上游坝前水库底部向下游运动, 根本动因是因为渗流 场的存在,就像电磁场和引力场,水分子为质点,在渗流场 中从高势能区域向低势能区域运动。 无渗透压力差的情况,即大坝上、下游水位相等(不考虑山体地下水对河床的补充),水会处于静止状态。就像在 电磁场中,电子有从势能高位向低位运动的趋势,即有势 能差就会导致运动趋势。

  应力线之间存在势差,水分子在渗流场中就会有向下游移 动的趋势。在水分子运动过程中,受到岩石等的阻力,势能 逐步降低,直到降低到坝趾处水头(如无水则为 0m 水头)。 先有渗流场才有渗流现象的发生,而渗流场是由于上、下 游水位差导致的。 渗透场与电磁场类似。在电磁场中,随着电子的移动, 势能会越来越低,直到变为 0。渗流场亦如此,在上游的水 分子的势能比下游水的势能高,到了坝址处势能为 0。但实 际的势能的递减跟地质情况密切相关,实际的渗流场难以 量化。 理解大坝扬压力的关键在于理解渗透场和渗透压力, 扬压力是渗透压力和浮托力的和。

  3 降低扬压力的措施

  设计人员为了降低大坝坝基渗透量和扬压力,一般在 坝基布置灌浆帷幕和排水帷幕。一般认为灌浆帷幕和排水帷幕组合作用是降低渗流量和扬压力,“一般”表示针对不 同的地质情况,作用会有所不同,下面将详细解释。 灌浆帷幕:在大坝基岩中建造一道连续、完整的、比大 坝基岩渗透性低、平面上呈条带状、立面上形似舞台上的 帷幕的防渗结构。一般要达到一定渗透标准,本工程河床 坝段帷幕合格标准是 3lu,岸坡坝段一般为 5lu。

  在岩石上筑坝,为了防止坝基渗漏,多采用灌浆方案 建造防渗帷幕,简称“灌浆帷幕”,利用这种防渗措施并结 合排水是减少大坝基岩渗漏、降低扬压力的主要的和有效 的方法。 灌浆和排水帷幕设计的基本原则是先灌浆以防渗,后 排水以降压。这种措施一般可分为四种情况:

  (1)透水性强的地区,灌浆帷幕防渗效果一般均较显 著,宜采用以“阻”为主,结合排水的措施。透水性强的地质 条件,帷幕灌浆吸浆量一般较大,灌浆效果好的情况下渗 水量会明显降低,可防止大坝基岩被长期冲刷破坏。

  (2)透水性微弱的地区,灌浆帷幕防渗效果一般不会 很显著,因渗漏量不很大,故宜采用以“排”为主,结合帷幕 灌浆的措施。对于吸浆量很小的地质条件,应重点加强排 水。在透水性较弱的地质条件下,坝基扬压力通过帷幕灌 浆降低幅度会非常有限,所以一般考虑采用排水的方式降 低扬压力。坝体排水孔的设置也是依据此项原则。

  (3)一般透水性的地区则多采用“阻”“排”结合的技术 措施。

  (4)特殊地质条件地区,例如断层、挤压破碎带、泥化 夹层等,有时岩石透水性虽然不大,但为了防止管涌,确保 基岩的渗透稳定,仍采用“阻”“排”并重,或以“阻”为主,结 合排水的措施。同时在排水孔中,应采取专门措施,以防止 细颗粒流出。此项措施也是为了防止大坝基础被冲刷破 坏,在砂岩坝段,基础排水孔内需要布置防护套管,防止砂 岩层间泥化夹层颗粒被渗水带出。 为了降低坝基渗透压力,一般坝基均设置灌浆和排水 帷幕。

  水库中的水从坝基下部通过帷幕后,坝基渗 透压力值就会衰减。至排水孔处渗 透压力又有衰减,通常用 H2/H=α2 表示。α1 一般取 0.45- 0.6,α2 一般取 0.25-0.3。本工程大坝河床坝段扬压力折减系数取 0.25,岸坡波 段扬压力折减系数取 0.35,均是在排水孔处进行折减。

  4 结束语

  根据分析,对于裂隙发育少,吸浆量较低的地质条件, 应重点加强大坝排水帷幕的布置,以有效降低坝基扬压 力。本工程大坝两岸砂岩基础存在多条水平软弱夹层,且 基础灌浆吸浆量普遍偏小,因此应重点关注砂岩坝段基础 排水孔的布置,不仅是坝基面,还要关注基础下部软弱夹 层面的排水和扬压力折减。

  本工程大坝地质情况复杂,针对不同的地质情况,降 低扬压力的措施应有所侧重。对于辉绿岩大坝基础,应重 点加强帷幕灌浆的布置,在主帷幕的基础上,上游增设一 排副帷幕;对于砂岩大坝基础,因帷幕灌浆吸浆量有限,在 尽量做好帷幕灌浆施工的前提下,应更加注重排水帷幕的 设计,比如增加护壁保护管防止砂岩层间泥化夹 层颗粒被渗水带出。

  参考文献:

  [1]范德教,敖圣锋,张正良.朝阳寺大坝坝基扬压力监测资料分析 [J].水电与新能源,2018(07).

  [2]肖小玲,万磊,施玉群.范厝水电站厂房坝段异常扬压力分析[J]. 水电与新能源,2016(09).

  相关刊物推荐:《水电与新能源》主办: 湖北省水力发电工程学会;湖北能源集团股份有限公司,周期: 月刊,出版地:湖北省武汉市,语种: 中文;,开本: 16开,国家刊号:ISSN1671-3354,国内刊号:CN42-1800/TV,复合影响因子: 0.091,综合影响因子: 0.045,创刊时间:1987。

  

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