一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法

摘要

本发明提供了一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法；以坝体最大沉降、“破坏”与“非破坏”变形量、竣工后变形量、协调变形为控制目标，对涵盖料源、坝体结构分区、坝料级配、填筑标准、施工碾压参数、施工分期、蓄水进行综合控制。本发明可有效防控心墙水力破坏、库水漫顶、坝顶裂缝等关键问题，保障大坝全生命周期安全稳定运行；将科学、工程与技术紧密结合，量化目标控制值，并贯穿于设计、施工和运行管理的各个环节，为大坝全生命周期风险防控及安全评价提供了依据，推动“半经验半理论坝型”逐步向“理论坝型”发展。

说明书

技术领域

本发明涉及一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法。

背景技术

堆石坝具有就地取材、经济安全以及适应性好等优点，在世界水利水电工程中广泛应用。统计资料显示，世界已建和在建的200m及以上特高堆石坝，土质心墙堆石坝占比最大。对于特高堆石坝来说，坝体变形控制是核心，预防和解决大坝安全问题是关键。近些年，我国以糯扎渡(261.5m)、长河坝(240m)、两河口(295m)为代表的特高心墙堆石坝筑坝技术取得重要进展，但部分工程仍然出现了坝体变形量过大、心墙与坝壳变形不协调、坝顶裂缝等问题，这些现象的根本原因在于堆石坝仍然是一种半经验半理论坝型，现有技术理论体系落后于工程实践，至今仍未形成一套系统性的变形综合控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法，该特高心墙堆石坝变形综合控制方法可有效防控心墙水力破坏、库水漫顶、坝顶裂缝等关键问题。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法；以坝体最大沉降、“破坏”与“非破坏”变形量、竣工后变形量、协调变形为控制目标，对涵盖料源、坝体结构分区、坝料级配、填筑标准、施工碾压参数、施工分期、蓄水进行综合控制。

所述坝体最大沉降控制目标为最大坝高的0.8％～1.8％。

所述坝体最大沉降包含“非破坏”变形量和“破坏”变形量，其中，

“非破坏”变形量由施工期填筑荷载引起，控制目标为坝体最大沉降的0.7％～0.8％；

“破坏”变形量由蓄水、心墙固结、干湿循环、库水位周期升降循环、流变或地震引起，控制目标为坝体最大沉降的0.2％～0.3％。

所述竣工后变形量指大坝填筑至坝顶以后变形量，包括竣工后坝顶总沉降、上游坝壳湿化沉降增量、蓄泄水循环坝顶沉降增量、流变坝顶沉降增量、风化劣化坝顶沉降增量，其中，

坝顶总沉降，控制目标为最大坝高的1.0％以下；

上游坝壳湿化沉降增量，控制目标为最大坝高的0.3％以下；

蓄泄水循环坝顶沉降增量由全生命周期水库蓄泄水循环引起，控制目标为最大坝高的0.3％以下；

流变坝顶沉降增量由竣工后流变引起，控制目标为最大坝高的0.3％～0.5％；

风化劣化坝顶沉降增量由全生命周期风化劣化变形引起，控制目标为最大坝高的0.1％～0.2％。

所述协调变形采用坝顶沉降梯度值和心墙剪应力水平两项控制指标，其中，

坝顶沉降梯度值为心墙与上下游坝壳各分区之间的沉降梯度，控制目标为2％以下，以如下公式计算：

其中，γ为沉降梯度；S

心墙剪应力水平的控制目标为小于1.0，心墙剪应力水平以如下公式计算：

其中，σ

所述对料源进行控制为：防渗心墙采用砾石土，控制心墙料P5含量在30％～50％之间，邓肯E-B模型的K值≥400，其中P5含量为心墙料中大于5mm粒径颗粒含量的重量百分比；反滤料和过渡料母岩饱和抗压强度大于40MPa，软化系数大于0.7～0.75；堆石Ⅰ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于40Mpa；堆石Ⅱ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于35MPa，软化系数在0.7～0.75以上。

所述对坝体分区进行控制为：将砾石含量相对偏高、渗透系数相对偏大的砾石土料设置在于坝体中下部；在心墙与岸坡接触部位设置水平厚2～4m的接触黏土；堆石分区划分为堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区，堆石Ⅰ区填筑在坝顶部位、下游排水堆石区以及上游库水位变动区等，堆石Ⅱ区填筑在上游死水位以下、下游内部干燥区。

所述对坝料级配进行控制为：

①防渗心墙料，最大粒径不大于60～80mm或铺土厚度的2/3；控制小于0.075mm的颗粒含量不小于15％，小于0.005mm的颗粒含量不小于6％～8％；

②接触土料，最大粒径不大于20～40mm，粒径大于5mm的颗粒含量不大于10％，小于0.075mm的颗粒含量应大于60％，小于0.005mm的颗粒含量应大于20％；

③反滤料，最大粒径不大于20～80mm，小于0.075mm的颗粒含量应小于3％～5％，反滤料Ⅰ区对心墙防渗土料、反滤料Ⅱ区对反滤料Ⅰ区应满足反滤和排水准则，即：

D

式中，D

④过渡料，最大粒径不大于300mm，小于5mm的颗粒含量不大于20％～25％；

⑤堆石料，堆石料最大粒径为800mm；粒径小于5mm的颗粒含量不超过15％；0.075mm以下的颗粒含量小于5％。

所述对填筑标准进行控制为：

心墙料，压实度≥98％，渗透系数＜1×10

接触土料，塑性指数大于10，渗透系数＜1×10

反滤料，相对密度≥0.80～0.85；

过渡料，相对密度≥0.7～0.8，孔隙率≤20％～22％；

堆石料，相对密度≥0.7～0.8，孔隙率≤20％～22％，堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区采用相同的填筑标准。

所述对施工碾压参数进行控制为：

心墙料，铺料厚度25～40cm，碾压设备采用凸块碾，碾压设备重量为20～25t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～12次，碾压行车速度为1.8～2.5km/h；

接触土料，铺料厚度25～30cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为18t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～1次，碾压行车速度为1.8～2.5km/h；

反滤料，铺料厚度30～40cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥20t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为3％～5％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h；

过渡料，铺料厚度60～80cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥25t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为5％～10％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h；

堆石料，铺料厚度80～100cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥26t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为10％～15％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h。

所述对施工分期进行控制为：上游堆石体、过渡层、反滤层、心墙和宽度不小于40～60m的下游堆石区均应平起填筑至度汛高程；填筑宜总体平衡上升，填筑高差不宜大于20m。

所述对蓄水进行控制为，控制死水位以上蓄水速率≤0.5～1.0m/d。

本发明的有益效果在于：可有效防控心墙水力破坏、库水漫顶、坝顶裂缝等关键问题，保障大坝全生命周期安全稳定运行；将科学、工程与技术紧密结合，量化目标控制值，并贯穿于设计、施工和运行管理的各个环节，为大坝全生命周期风险防控及安全评价提供了依据，推动“半经验半理论坝型”逐步向“理论坝型”发展。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

实施例1

如图1所示的一种特高心墙堆石坝变形综合控制方法；以坝体最大沉降、“破坏”与“非破坏”变形量、竣工后变形量、协调变形为控制目标，对涵盖料源、坝体结构分区、坝料级配、填筑标准、施工碾压参数、施工分期、蓄水进行综合控制。

实施例2

基于实施例1，并且，坝体最大沉降控制目标为最大坝高的0.8％～1.8％。

实施例3

基于实施例1，并且，坝体最大沉降包含“非破坏”变形量和“破坏”变形量，其中，

“非破坏”变形量由施工期填筑荷载引起，控制目标为坝体最大沉降的0.7％～0.8％；

“破坏”变形量由蓄水、心墙固结、干湿循环、库水位周期升降循环、流变引起，控制目标为坝体最大沉降的0.2％～0.3％。

实施例4

基于实施例1，并且，竣工后变形量指大坝填筑至坝顶以后变形量，包括竣工后坝顶总沉降、上游坝壳湿化沉降增量、蓄泄水循环坝顶沉降增量、流变坝顶沉降增量、风化劣化坝顶沉降增量，其中，

竣工后坝顶总沉降，控制目标为最大坝高的1.0％以下；

上游坝壳湿化沉降增量，控制目标为最大坝高的0.3％以下；

蓄泄水循环坝顶沉降增量由全生命周期水库蓄泄水循环引起，控制目标为最大坝高的0.3％以下；

流变坝顶沉降增量由竣工后流变引起，控制目标为最大坝高的0.3％～0.5％；

风化劣化坝顶沉降增量由全生命周期风化劣化变形引起，控制目标为最大坝高的0.1％～0.2％。

实施例5

基于实施例1，并且，采用坝顶沉降梯度值和心墙剪应力水平两项控制指标，其中，

坝顶沉降梯度值为心墙与上下游坝壳各分区之间的沉降梯度，控制目标为2％以下，以如下公式计算：

其中，γ为沉降梯度；S

心墙剪应力水平的控制目标为小于1.0，心墙剪应力水平以如下公式计算：

其中，σ

实施例6

基于实施例1，并且，对料源进行控制为：防渗心墙采用砾石土，控制心墙料P5含量在30％～50％之间，邓肯E-B模型的K值≥400，其中P5含量为心墙料中大于5mm粒径颗粒含量的重量百分比；反滤料和过渡料母岩饱和抗压强度大于40MPa，软化系数大于0.7～0.75；堆石Ⅰ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于40MPa；堆石Ⅱ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于35MPa，软化系数在0.7～0.75以上。

实施例7

基于实施例1，并且，对坝体分区进行控制为：将砾石含量相对偏高、渗透系数相对偏大的砾石土料设置在于坝体中下部；在心墙与岸坡接触部位设置水平厚2～4m的接触黏土；堆石分区划分为堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区，堆石Ⅰ区填筑在坝顶部位、下游排水堆石区以及上游库水位变动区等，堆石Ⅱ区填筑在上游死水位以下、下游内部干燥区。

实施例8

基于实施例1，并且，对坝料级配进行控制为：

①防渗心墙料，最大粒径不大于60～80mm或铺土厚度的2/3；控制小于0.075mm的颗粒含量不小于15％，小于0.005mm的颗粒含量不小于6％～8％；

②接触土料，最大粒径不大于20～40mm，粒径大于5mm的颗粒含量不大于10％，小于0.075mm的颗粒含量应大于60％，小于0.005mm的颗粒含量应大于20％；

③反滤料，最大粒径不大于20～80mm，小于0.075mm的颗粒含量应小于3％～5％，反滤料Ⅰ区对心墙防渗土料、反滤料Ⅱ区对反滤料Ⅰ区应满足反滤和排水准则，即：

D

式中，D

④过渡料，最大粒径不大于300mm，小于5mm的颗粒含量不大于20％～25％；

⑤堆石料，堆石料最大粒径为800mm；粒径小于5mm的颗粒含量不超过15％；0.075mm以下的颗粒含量小于5％。

实施例9

基于实施例1，并且，对填筑标准进行控制为：

心墙料，压实度≥98％，渗透系数＜1×10

接触土料，塑性指数大于10，渗透系数＜1×10

反滤料，相对密度≥0.80～0.85；

过渡料，相对密度≥0.7～0.8，孔隙率≤20％～22％；

堆石料，相对密度≥0.7～0.8，孔隙率≤20％～22％，堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区采用相同的填筑标准。

实施例10

基于实施例1，并且，对施工碾压参数进行控制为：

心墙料，铺料厚度25～40cm，碾压设备采用凸块碾，碾压设备重量为20～25t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～12次，碾压行车速度为1.8～2.5km/h；

接触土料，铺料厚度25～30cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为18t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～1次，碾压行车速度为1.8～2.5km/h；

反滤料，铺料厚度30～40cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥20t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为3％～5％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h；

过渡料，铺料厚度60～80cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥25t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为5％～10％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h；

堆石料，铺料厚度80～100cm，碾压设备采用平碾，碾压设备重量为≥26t，碾压遍数为静碾2次、振碾8～10次，加水量为10％～15％，碾压行车速度为2.0～3.0km/h。

实施例11

基于实施例1，并且，对施工分期进行控制为：上游堆石体、过渡层、反滤层、心墙和宽度不小于40～60m的下游堆石区均应平起填筑至度汛高程；填筑宜总体平衡上升，填筑高差不宜大于20m。

实施例12

基于实施例1，并且，对蓄水进行控制为，控制死水位以上蓄水速率≤0.5～1.0m/d。

实施例13

结合上述实施例，具体的，设定大坝全生命期总变形、“破坏”与“非破坏”变形量、竣工后变形量、协调变形共4项控制目标作为变形控制的核心。

(1)全生命期总变形控制目标。以坝体最大沉降S

(2)“破坏”变形与“非破坏”变形控制目标。定义大坝填筑至坝顶时为竣工期，现代高堆石坝受提前发电、供水等需求的影响，一般情况下竣工期大坝已蓄水至一定高度。本发明按变形因素的作用阶段及对安全问题的影响程度，将施工期填筑荷载引起的变形称为“非破坏变形”，控制S

(3)竣工后变形控制目标。将大坝竣工后的变形称为“后期变形”。a.控制大坝竣工后3～5年坝顶变形趋于稳定，竣工后坝顶总沉降S

(4)协调变形控制目标

①心墙与坝壳协调变形控制目标：

a.以有限元沉降梯度值γ，评价心墙与上下游坝壳各分区之间的不均匀沉降梯度，控制坝顶区域不发生纵向裂缝，γ

其中，γ为沉降梯度；S

b.控制心墙剪应力水平S＜1.0，

其中，σ

c.自心墙至上下游坝壳，坝体各分区遵循“变形模量依次增大，渗透系数依次增大”的原则。

d.采用高坝、高心墙模量、高堆石模量的“三高”控制标准，减小坝体总变形及后期变形量，降低心墙拱效应。

②心墙与岸坡协调变形控制目标：

以有限元沉降梯度值γ，评价大坝轴向不均匀沉降，控制坝顶区域不发生横向裂缝，γ

设计施工技术指标及工程对策措施涵盖料源、坝体结构分区、坝料级配、填筑标准、施工碾压参数、施工分期、蓄水控制等内容。

(1)料源控制

防渗心墙采用砾石土，控制心墙料P5含量在30％～50％之间，邓肯E-B模型的K值≥400，以获得较高的心墙模量，其中P5含量为心墙料中大于5mm粒径颗粒含量的重量百分比；反滤料和过渡料母岩饱和抗压强度大于40MPa，软化系数大于0.7～0.75；堆石Ⅰ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于40MPa，堆石Ⅱ区料原岩饱和抗压强度小值平均值大于35MPa，软化系数在0.7～0.75以上。

(2)坝体分区控制

①心墙分区。a.将砾石含量相对偏高、渗透系数相对偏大的砾石土料设置在于坝体中下部；b.在距离两岸坝肩30～50m的坝顶及“外倾型”岸坡折坡点顶部，建议深度在5～10m范围内，用接触黏土代替砾石土，以提高坝肩抗拉裂能力，减小横向裂缝发生概率。

②心墙与岸坡接触控制。a.心墙建基面边坡不陡于1:0.5；岸坡上缓下陡时，变坡角应小于20°，减小坝肩发生横向裂缝的可能性；b.在心墙与岸坡接触部位设置水平厚2～4m的接触黏土，以适应心墙与岸坡之间的大剪切变形条件，提高接触部位的防渗抗渗能力。

③坝壳堆石分区控制。a.对于防震抗震要求高的坝顶部位、作为主要承载体的下游排水堆石区以及上游库水位变动区，采用质量相对较好的堆石Ⅰ区；受环境影响变化小的上游死水位以下、下游内部干燥区等部位，可适当放宽堆石料的质量要求，使尽可能多的利用枢纽建筑物开挖料，用作堆石Ⅱ区。

(3)坝料级配控制

①防渗心墙料。最大粒径不大于60～80mm或铺土厚度的2/3；控制小于0.075mm的颗粒含量不小于15％，小于0.005mm的颗粒含量不小于6％～8％。

②接触土料。最大粒径不大于20～40mm，粒径大于5mm的颗粒含量不大于10％，小于0.075mm的颗粒含量应大于60％，小于0.005mm的颗粒含量应大于20％。

③反滤料。最大粒径不大于20～80mm，小于0.075mm的颗粒含量应小于3％～5％；反滤料Ⅰ区对心墙防渗土料、反滤料Ⅱ区对反滤料Ⅰ区应满足反滤和排水准则，即：

D

式中，D

④过渡料。最大粒径不大于300mm，小于5mm的颗粒含量不大于20％～25％。

⑤堆石料。堆石料最大粒径为800mm；粒径小于5mm的颗粒含量不超过15％；0.075mm以下的颗粒含量小于5％。

(4)填筑标准控制

表1填筑标准建议值

(5)施工碾压参数控制

表2现场施工碾压参数建议值

(6)施工分期控制。a.上游堆石体、过渡层、反滤层、心墙和宽度不小于40～60m的下游堆石区均应平起填筑至度汛高程；b.填筑宜总体平衡上升，填筑高差不宜大于20m。

(7)蓄水控制。对于水库首次蓄水，宜控制死水位以上蓄水速率≤0.5～1.0m/d；对于运行期存在的应急放空、多年或年调节水库的库水位骤升骤降等工况，应严格控制蓄泄水速率，尽可能将破坏变形向非破坏变形转化。