排水板改善坝前淤泥层固结效果的数值模拟.pdf
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1、第 3 7卷第 9期 2 0 1 5年 9月 人民黄河 YE L L OW RI V ER Vo 1 37 No 9 S e p , 2 01 5 【 工程建 设管理 】 排水板改善坝前淤泥层固结效果的数值模拟 石北泰 , 王红雨, 刘 怡 ( 宁夏大学 土木-9水利工程学院, 宁夏 银川 7 5 2 1 0 0 ) 摘 要: 以雅石沟水库除险加固为例, 通过 P L A X I S有限元软件模拟计算了单一堆载预压和堆载预压加竖向排水固结两 种情况下坝前淤积体的固结速率, 讨论了增设竖向排水板对坝基淤积土固结效果的贡献, 并通过改变模型中土的渗透系 数, 探究了不同渗透系数下竖向排水对固结效果
2、的影响。结果表明: 坝前淤泥面加坝过程中, 淤积体内最大超静孔隙 水压力出现在某一层加坝施工结束时, 此时土体有效应力最小, 稳定性最差; 布置竖向排水体对促进淤土坝基固结的 效果较为显著, 理想状况下可缩短约 7 0 的工期; 土体渗透系数越小, 布设塑料排水板对加快土体固结速率的贡献 越 大。 关键词 :淤 泥面加坝 ;数值模拟 ;排 水 固结 ;堆 载预 压 ;竖向排水板 中图分类号 :T V 6 4 1 2 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 5 0 9 0 3 0 1 淤泥面加坝技术现状及存在的问
3、题 当病险水库防洪标准不足时, 常用的工程补救措 施有加 坝 ( 加 高 坝 体 ) 、 改 扩 建 或增 建 泄 水 建 筑 物 等 , 而应用坝前淤泥面加坝技术已成 为处理宁夏南 部黄土丘陵区病险水库的一种普遍方法 J 。坝前淤 泥面加坝技术即以坝前淤积体为基础 , 在上游贴坡 式 加高坝体 。该方法 的优点是土方填筑量少 , 同时淤积 体可以作为新的坝基上游防渗铺盖加 以利用。但是 , 因为坝前淤积体性质特殊 , 所以坝前淤泥面加坝技 术 在实施中也存 在一些需要注意 的问题 。侯震垄等 研究认为, 由于坝前淤积体渗透系数较小, 施工过程中 其 固结速率远小于其上荷 载增加 的速率 ,
4、因此淤土的 总固结度会逐渐降低 , 对 同一加高断面而言 , 施工期的 长短对竣工时坝体 的稳定性影响很大; 马志坚 计 算 分析了宁夏南部大滩 口水库堆载预压法处理坝前淤泥 层后也指出 , 施工期 间若加坝速度过快 , 则软土地基内 的水无法及时排出, 会升高地基孔隙水压力 , 降低有效 应力 , 进而导致坝体开裂 、 滑坡或者地基失稳 等事故 , 因此应严格控制加荷速率和加坝速度 , 进行分期施工 。 坝前淤积体固结过程缓慢, 且固结过程中土体有 效应力易受荷载加载速率的影响。这就对在其上进行 的加坝工程施工提 出了较高的技术要求 。 碾压土石 坝设计规范 ( S L 2 7 4 2 0
5、0 1 ) 中规定在水库 的淤积 物上加坝应根据淤积物 固结情况进 行变形和稳定 分 析 , 采取排水 固结措施 , 控制加高速率。 2 0世纪 6 0年代末到 7 O年代初 , 宁夏西吉县的马 莲川水库在大坝迎水面淤泥层上 加高土坝获得成 功 后 , 已陆续有几十座水库在 坝前 淤泥面上加高 土坝。 处理坝前淤泥层常用的方法是堆载预压或堆载预压加 砂井排水固结法。具体采用哪种方法, 一般视主河床 淤泥层的厚度而定 J 。堆 载预压法结合竖 向排 水系 统处理软土地基的方法在工程 中应用 已经较为成熟 , 朱 向荣等 通过实测数据分析 了堆载预压法加 固软 土地基的效果 , 认为在处理深厚软土
6、地基时 , 若单独采 用堆载预压法或砂井排水法 , 则一般难以取得令人满 意的效果 , 宜采用堆载预压法与竖向砂井排水法相结 合的方法处理深厚软土地基 。 随着近年来材料科学 的发展 , 土工材料 的性能和 价格 日趋合理 , 越来越 多的工程开始尝试使用新型土 工材料。其中 , 塑料排水板 已在实际工程 中得到 了广 泛应用 , 其施工技术也 日趋成熟 , 特别是在处理软土地 基方面 , 具有施工简便 、 透水性好 、 经济效益 明显等特 点。姜弘等 结合实际工程 , 对塑料排水板在堆载预 压法处理软土地基时的各项性能进行 了研究 , 结果表 明塑料排水板可以使软土地基竖向渗透系数增大 6
7、4 0倍。笔者 以宁夏南部的雅石沟水库为例 , 对 比分析 了以坝前淤积体为基础加坝时增设竖 向排水系统对淤 土地基 固结速率的影响 , 以期为类似工程提供参考 。 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 1 2 9 基金项目: 国家自然科 学基金资助项 目( 4 1 4 6 2 0 1 0 ) ; 高等 学校博士点学科专项基金资助项目( 2 0 1 3 6 4 0 1 1 1 0 0 0 3 3 ) ; 宁夏 大学研 究生创新项 目( G I P 2 0 1 5 0 5 0 ) 。 作者简介: 石北泰( 1 9 8 9 一) , 男, 陕西商洛人, 硕士研究生, 研 究方 向 为 水 工 结 构
8、 。 通信作者 : 王红 雨 ( 1 9 6 1 一 ) , 男, 宁夏银 川人 , 教授 , 博 士 , 研 究 方 向为 水 利 工程 及 岩 土 工程 。 E ma i l :w h y n x t s 1 6 3 e o m 1 0 9 人 民 黄 河2 0 1 5年第 9期 2 雅石沟水库概况及加坝施工方法简介 3 对雅石沟水库淤泥面加坝工程的模拟 雅石沟水库 建成于 1 9 7 9年, 坝体为碾压式均质 土坝 , 属黄土丘陵山区较为典型的小型水库 , 总库容为 6 3 2 4万 i n 。该坝建成 时坝顶高程为 1 6 2 7 5 m, 坝高 为 4 0 m。由于运行期 间水库淤积
9、严重 , 因此于 1 9 9 6 年加高 3 1 m, 坝顶高程变为 1 6 3 0 6 m, 总库容变为 8 3 2 6万 m , 坝顶宽 5 0 m、 长 2 3 0 m, 上 、 下游坡 比分 别为 1: 2 5 、 1: 2 0 。 2 0 0 7年 实 测 发 现 水 库 坝 前 淤 泥 面 高 程 达 到 1 6 2 5 0 m, 淤积库容 5 9 3 0万 r n , 有效库容为 2 3 9 6 万 m , 达不到小 ( 1 ) 型水库 5 0 0 a一遇校核洪水标准 , 已属于险库。2 0 0 8年 , 采用坝前 淤泥 面加坝 的方法 , 按设计断面加高土坝 7 5 m, 上、
10、 下游坡 比分别为 l: 3 0、 1: 2 5 , 坝顶高程达到 1 6 3 8 1 IT I , 坝顶宽达到 6 0 IT I , 加坝增容 4 9 7万 m 。参考 宁夏 固原市水利勘 测设计 院关于雅石沟水库应用堆载预压法加坝研究中 坝体填筑的施工组织设计 , 填筑工程大致分为以 下几个步骤 。 ( 1 ) 放空库容, 晾晒淤泥面。泄完库 区蓄水后 , 淤 泥面需晾晒至少 3 0 d , 待孔隙水蒸发消散 、 淤泥表层形 成硬壳后 , 可将原坝坡干砌块石及砂砾料推人淤泥面 , 轻压挤密 , 使其排水固结。 ( 2 ) 为缩短工期 , 在淤泥面铺设厚 0 5 m 的水平 排水砂垫层 ,
11、铺设范围为建基面的淤泥面。垫层铺好 后 , 采用工作压力为 1 0 0 k P a的机械进行碾压 , 在碾压 过程中保持现场 观测 , 防止出现翻浆或形成橡 皮土。 碾压后取样试验 , 发现天然地基抗剪强度提高了 3倍, 达到 3 2 k P a ; 第一级容许施加荷载提高了2倍 。 ( 3 ) 分四级加高坝体 。为防止第一级加载过快导 致地基失稳 , 加载速率按 1 0 k P a d进行控制 , 历时 1 0 d , 加坝速率为 0 4 9 m d ; 3 0 d后开始第二级加载 , 加 载速率按 1 0 k P a d控制 , 历时 8 d , 累计加荷荷载 为 1 8 0 k P a
12、, 加坝 3 9 2 1 3 1 ; 6 0 d 后开始第三级加载 , 加载速 率按 1 0 k P a d进行控制 , 历时 4 d , 累计 加荷荷载为 2 2 0 k P a , 加坝 1 9 6 m; 9 0 d后开始第四级加载, 加载速 率为 1 0 k P a d , 历时 3 d , 累计加荷荷载为 2 4 3 2 k P a , 加坝 1 3 2 m。总加坝高度为 1 2 1 0 I l l , 历时 9 3 d 。 由以上工序可知 , 雅石沟水库坝前淤泥面加坝采 用堆载预压法处理淤土地基时 , 仅依靠加高坝体 的 自 重来加速淤积体固结 。由于工程预算有 限, 设计上并 未采
13、用堆载预压法中常用的设置竖向排水系统来进一 步加快固结速率 的方案, 因此堆载预压法的实 际效果 未得到充分发挥 。 1 1 0 笔者参考以上施工工序, 在其基础上分别增设竖 向布置的袋装砂井和塑料排水板 , 用 P L A X I S通用岩 土有限元计算软件模拟了增设竖向排水系统前后淤土 地基的固结速率。 3 1 建 立有 限元模 型 3 1 1几何模 型 淤土地基的固结是个三维过程 , 由于荷载沿坝轴 线成条状分布, 因此可将其简化为一个二维平面问题 来模拟。根据已知工程数据, 选取最大坝高的典型断 面进行计算 , 并参考张园园 1 应用 P L A X I S研究雅石 沟水库稳定性时建立
14、的几何模型, 有限元模型的几何 尺寸取长 1 6 3 IT I 、 宽 5 0 5 m, 其 中: 左右计算边界各取 加高坝体的坝前和坝后坡脚延伸5 0 m处, 下边界取至 淤土层底部 即原坝基面处。模型边界采用软件 自设 的 标准固定边界 , 即左右边界约束水平方向位移, 底边界 为全部固定约束。基本几何模型输入完毕后即可使用 软件自动生成有限元网格。P L A X I S软件在生成有限 元网格 的过程 中, 将类组划分为三角形单元 , 其 中有 1 5节点和 6节点单元可 以选择。该模型采用精密的 l 5节点单元 , 以较细密的程度划分整体类组 , 并在复 杂和关键节点如淤积体与新老坝体交
15、汇处等采取加密 措施 , 以便计算过程快速又不失精密。 此外 , 进行排水 固结分析时必须提前设置模型的 水位线及排水边界等初始条件 。依据雅石沟水库淤泥 面加坝的施工组织设计 , 加 坝之前需泄完库 区蓄水 并 晾晒淤泥面。因此, 坝前水位线高程应近似等于或略 低于淤泥面高程, 为方便计算 , 模型取淤泥面高程为水 位线高程 。关于排水边界 , P L A X I S软件默认在没有附 加输入情况下, 所有边界都是排水的。模型左右侧竖 直边界以及底部边界上没有 自由水流流出 , 排水边界 须关闭。淤积体渗水可由淤泥面上部厚 0 5 m的预铺 砂土层逸出, C h a i J C 等 指 出,
16、砂垫层渗透系数大 于 0 0 1 e m s , 可以认为砂垫层是 自由排水的通道 , 故 淤土表面应为排水边界 。 在模拟增设竖向排水 系统 的工况下, 需额外增加 模拟竖 向排水系统处的透水边界。P L A X I S软件 自带 的 D r a i n单元为线性单元 , 默认 排水线处的超 静孔隙 水压力为 0 , 可 以用其对 塑料排水板进 行等效模 拟。 有研究指 出_ 1 卜H J : 对 于袋 装砂 井 , 井 间距 宜 限制 在 1 2 i n , 若间距过小 , 则施工 中砂井对 土扰动很大, 会 明显减小 固结速率 ; 间距过大时, 单井控制范 围过 大 , 实际固结度将明显
17、降低。本研究模拟选用 的井间距为 2 m。实际工程 中, 排水板 的布置间距需要通过公式进 人 民 黄 河2 0 1 5年第 9期 图 6 无排水板时不 同渗透系数下超静子 L 隙水压力 曲线 3 3 计算结果的对比分析 ( 1 )由图 3一 图 6可以看出, 第二层加坝施工结 束后淤积体 内的超静孔隙水压力达到最大值 , 此时土 体有效应力最小 , 施工时应对这一时段进行重点监测。 ( 2 )对 比图 3 、 图 4可知 , 增设竖 向排水系统后 , 淤积体的固结速率明显增大。未布置排水板时 , 基础 内最大超静孔隙水压力为 1 5 2 k P a ; 布置排水板后 , 最 大超静孔隙水压力
18、仅不到 2 5 k P a 。可见 , 增设排水板 后可以缩短甚至跳过停工 固结 的阶段进行连续施工 , 理想条件下可缩短约 7 0 的工期 , 这在人工费用较高 或者对工期要求严格 的工程有着重要意义。而且 , 施 工结束后布设塑料排水板的地基在大约 1 a的时间内 就可完成主体 固结 , 更加有利于控制竣工后的沉 降以 及增强大坝后期运行 的稳定性 。 ( 3 )对比图 5 、 图 6 , 提取 曲线 中第三层加坝施工 前淤积体内超静孔隙水压力值 , 见表 2 。 表2 第三层加坝施工前淤积体内的超静孔隙水压力 由表 2可以看出: 土体渗透系数越小 , 布设塑料排 水板对加快土体固结速率的
19、贡献就越大。因此 , 在地 基土渗透系数较小的工程 中宜布置塑料排水板 。 当然 , 本次模拟仍存在一些不足 : 竖 向排水的边 界条件过于理想化 , 在实际施工过程 中, 各种因素对土 体带来的扰动都可能使淤土渗透系数发生变化 , 特别 是利用插板机布设塑料排水板时所产生的涂抹效应对 周围土体的影响更加 明显 , 应用到实际工程 中时应通 过试验确定涂抹效应 的影响半径 、 涂抹 区内土体渗透 系数 , 对砂井间距 以及土体渗透 系数参数 进行调整 ; ( P L A X I S 软件 自带的排水线单元默认排水线处 即为 自由排水边界 , 而塑料排水板更多地被视为排水通道 , 这使得用排水线
20、单元模拟塑料排水板时存在一定 的局 限性 , 例如无法准确模拟塑料排水板插板深度以及塑 料排水板与水平排水垫层边界的距离对排水效果的影 响 ; 由于缺乏雅石沟水库加坝工程施工期 间坝体 的 1 1 2 变形监测资料 , 因此模拟结果的准确度不能得到检验 , 仅适合作为类似工程坝基处理方面的参考。 4 结论 ( 1 ) 坝前淤泥面加 坝过程 中, 淤积体 内最大超静 孔隙水压力将出现在某 一层加坝施工结束时 , 此时土 体有效应力最小 , 稳定性最差。对雅石沟水库加坝工 程而言 , 这一时刻出现在第二层加坝施工结束时。 ( 2 ) 布置竖 向排水体对促进淤土坝基 固结的效果 显著 , 理想状况下
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