坝基深层软岩对土石坝防渗系统的影响(1)

摘要：本文采用邓肯模型对西霞院土石坝的变形进行三维非线性有限元分析计算，分析坝基深层存在软岩对土石坝防渗系统的影响。

关键词：土石坝 软岩 三维非线性有限元 变形影响

土石坝对地质条件要求相对较低，在深覆盖层上直接修筑土石坝可以减少覆盖层开挖，节省工程投资。目前对建造在深厚覆盖层上的土石坝模拟计算中，坝基影响范围只取至覆盖层底部，覆盖层以下的基岩作为刚性体考虑，但实际工程情况并不完全相同。当覆盖层以下是变形模量很小的软岩时，坝体以及防渗结构可能产生更大的沉降和变形, 这将影响防渗系统的可靠性。

由于国内很少有这方面的工程实例介绍，故本文采用西霞院河床段土石坝作为计算模型，应用邓肯模型对坝体、坝基进行三维有限元计算，分析坝基深层存在软岩对土石坝坝体变形的影响以及对防渗系统的影响。

1  工程概况

西霞院工程建于小浪底大坝下游16公里处的黄河干流上，坝址位于吉利区和孟津县白鹤镇之间，属于低山丘陵区。工程的开发任务是以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水综合利用。工程布置采用土石坝，坝长约2600m，坝体采用砂卵石坝壳复合土工膜防渗斜墙，坝基防渗采用砼防渗墙。 

坝址地形呈宽阔"u"型河谷，宽约3km。河床两侧分布高漫滩及ⅱ级阶地。坝址处两岸河漫滩表层为2m～7m的新近沉积的砂壤土、砂层等，结构松散，靠近两岸ⅱ级阶地其上部多分布有粉质壤土。河漫滩下部为砂砾石层，一般厚20m～28m，中等密实状态。砂砾石层下部基岩由上第三纪砂岩与粘土岩互层组成，饱和抗压强度平均值为4.3mpa，属极软岩类岩体。

2   计算模型及材料参数

2.1 计算模型

西霞院土石坝坝顶高程139.0m，最大坝高21.0m，坝顶宽8米，上游边坡1：2.75，下游边坡1：2坝，上游设壤土铺盖与斜墙相连进行防渗。计算工况：上游水位134.75m，下游水位126.23m。取100m河床段作深部软岩对坝体变形的影响分析，河床段剖面示意图见图1。

       图1  河床段最大剖面图  （单位：m）

2.2 计算参数选择

坝基由表部松散粉细砂、中部砂砾石层及下部上第三系基岩地层组成。表部松散粉细砂，厚3.0m，粉细砂上部为砂壤土，厚1.0m，下部为砂层，厚2.0m，结构疏松；地层中部为砂砾石层，厚20m；地层下部为软岩，厚30m，弹性模量只有500mpa（属于极软岩）。

坝体及坝基e～b模型计算参数见表1。

表1        e～b模型计算参数

参数   材料	土粒 比重	kn/m3	c kn/m3		φ (o)	k	n		rf		kb		m	kur		nur
坝体压实砂砾	2.66	21.0	0		32	550	0.45		0.80		220		0.5	1100		0.45
地基砂砾石q4	2.66	21.0	0		32	500	0.48		0.82		200		0.4	1000		0.48
地基砂砾石q3	2.68	21.0	0		32	600	0.48		0.81		240		0.5	1200		0.48
砼防渗墙c15		24.0	e=22000mpa,  ν=0.167
软  岩		17.1	e=500mpa,  ν=0.3
接 触 面	参  数			c kn/m3		φ (o)		k1		n‘		rf’
	防渗墙与砂层			0		18		30000		1.0		0.9
	防渗墙与砂砾层			0		22		36000		1.0		0.9

2.3 单元剖分及计算坐标

空间模型坐标系建立如下：顺河向为x轴，指向下游为正；竖直向为y轴，竖直向上为正；坝轴线为z轴，指向河谷中心（右岸）为正，指向左岸为负。土坝的有限元计算网格见图3.2。整个结构共剖分单元5208个，结点总数6315个。

图2   有限元计算网格图

2.4 荷载分级情况

在有限元模拟分析中，结合施工顺序共分十级加荷。第一级为坝基砂卵石层；第二级为河槽段截流围堰体；第三级为围堰防渗墙及第一级坝身；第四及至第七级为坝身；第八级分别为复合土工膜及上游面混凝土护坡；第九级为上游校核洪水134.75m及相应的下游水位126.23m。

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