第13章工程案例 13.1蒲城电厂张家沟灰坝 13.1.1基本情况 (1)项目来源:电力部西北电力勘测设计院。 (2)完成日期:1990年4月 (3)设计阶段:技施设计。 (4)存档文件: 蒲城电厂张家沟、甘南沟灰场工程地质勘探报告,水利水电科学研究院,岩土 (90)1990年7月 2)蒲城电厂灰坝坝基原状及粉煤灰土工试验报告,水利水电科学硏究院,岩土 (90)1990年7月 3)蒲城电厂贮灰库平面坝固结有限元计算,水利水电科学研究院,岩土(90)1990年 月 4)蒲城电厂挡灰坝坝型及地基处理方案论证,水利水电科学研究院,岩土(91)191 5)蒲城电厂张家沟、甘南沟灰场坝坡稳定分析报告,水利水电科学研究院,岩土 (91)-14,1991年。 13.1.2工程概述 蒲城电厂张家沟灰坝建于第四系全新统软土地基上,坝基主要为淤泥质亚粘土,地基地 下水位高,因此在修建灰坝时存在着坝坡连同地基发生滑坡的可能性,需结合实际的填筑速 率设计必要的地基排水工程措施,以确保灰坝填筑安全。大坝典型剖面图如第7章图7.2所 坝坡稳定分析按初期(坝高为20m)、中期(填筑到440m高程)和终期(填筑到470m 高程)三个阶段进行。本项工作要求比较铺设水平垫层和竖直砂井排水两种工程措施对提高 坝坡稳定安全系数的作用。同时还比较了一个初期坝为15m高的方案。复核遭遇7度和8 度地震情况下的坝坡稳定安全系数。堆灰速率为第一年填筑到405m高程,在以后的15年 中填筑到470m高程左右。在分析计算中还考虑了一个提高初期坝施工速率的方案。 13.1.3计算条件 1.计算工况
第13章 工程案例 13. 1 蒲城电厂张家沟灰坝 13. 1. 1 基本情况 (1) 项目来源 电力部西北电力勘测设计院 (2) 完成日期 1990 年 4 月 (3) 设计阶段 技施设计 (4) 存档文件 1) 蒲城电厂张家沟 甘南沟灰场工程地质勘探报告 水利水电科学研究院 岩土 (90)1990 年 7 月 2) 蒲城电厂灰坝坝基原状及粉煤灰土工试验报告 水利水电科学研究院 岩土 (90)1990 年 7 月 3) 蒲城电厂贮灰库平面坝固结有限元计算 水利水电科学研究院 岩土(90)1990 年 11 月 4) 蒲城电厂挡灰坝坝型及地基处理方案论证 水利水电科学研究院 岩土(91)1991 年 5) 蒲城电厂张家沟 甘南沟灰场坝坡稳定分析报告 水利水电科学研究院 岩土 (91)−14 1991 年 13. 1. 2 工程概述 蒲城电厂张家沟灰坝建于第四系全新统软土地基上 坝基主要为淤泥质亚粘土 地基地 下水位高 因此在修建灰坝时存在着坝坡连同地基发生滑坡的可能性 需结合实际的填筑速 率设计必要的地基排水工程措施 以确保灰坝填筑安全 大坝典型剖面图如第 7 章图 7.2 所 示 坝坡稳定分析按初期 坝高为 20m 中期 填筑到 440m 高程 和终期 填筑到 470m 高程 三个阶段进行 本项工作要求比较铺设水平垫层和竖直砂井排水两种工程措施对提高 坝坡稳定安全系数的作用 同时还比较了一个初期坝为 15m 高的方案 复核遭遇 7 度和 8 度地震情况下的坝坡稳定安全系数 堆灰速率为第一年填筑到 405m 高程 在以后的 15 年 中填筑到 470m 高程左右 在分析计算中还考虑了一个提高初期坝施工速率的方案 13. 1. 3 计算条件 1. 计算工况
464土质边坡德定分析一原理 程序 计算上、下游坝坡施工期、正常运用期、库水位骤降期和地震期的稳定性。主要计算 17.5m断面。同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的310m断面。针对初期、中期、 终期情况计算以下几种方案 1)地基无处理措施 2)地基垫层厚25m 3)地基垫层厚5m; 4)铺厚2.5m垫层并设竖直砂井; 5)比较方案:初期坝高15m加垫层厚2.5m; 6)比较方案:同5)并提高堆灰速率 7)情况5)加7度和8度地震 2.强度指标 稳定分析所采用的有效应力抗剪强度指标,根据原状样固结排水和固结不排水测孔压 (R')试验成果确定。有关试验成果存档文件2),并列于表13.1 表13.1张家沟灰坝基本材料特性指标 干容重含水量饱和容重饱和度有效强度指标 材料 总强度指标 Yan/m3w(%)a(kN/m3)S(%)c(kPa)φ'(°) Ce kPaφa(°) 地基上层159 19.8 30.0 18 地基下层17.0 20.6 30.0 初期坝 172 垫层 26.7 30.0 灰体 0 47.2 .07 灰坝施工各阶段孔隙水压力消散过程通过比奥原理的二维有限元固结程序CON2D确 定,详见存档文件3)。第7章图75示其中的一个典型工况的孔隙水压力分布图形。 13.1.4计算成果与分析 各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表132,部分工况临界滑裂面示于图13.1。 分析这些计算成果,得到如下几点结论: (1)张家沟灰坝建于饱和淤泥质亚粘土地基上,因此渗透系数小,填筑时孔隙水压力不 易迅速消散,如不采取工程措施,坝坡稳定不易保证。在各运行情况下,初期坝竣工时最为 不利,为控制工况。此时固结分析所获得的孔隙水压力系数在局部地区超过1,稳定分析中 发现局部的安全系数很小,鉴于此运行条件下安全系数小于1,因此对张家沟灰场增加排水 工程措施是必要的 (2)采用水平垫层和竖直砂井均可有效地降低孔隙水压力,因而使稳定安全系数提高到 1.1以上,图13.1列出了几个典型运用条件下计算获得的临界滑裂面
464 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 计算上 下游坝坡施工期 正常运用期 库水位骤降期和地震期的稳定性 主要计算 217.5m 断面 同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的 310m 断面 针对初期 中期 终期情况计算以下几种方案 1) 地基无处理措施 2) 地基垫层厚 2.5m 3) 地基垫层厚 5m 4) 铺厚 2.5m 垫层并设竖直砂井 5) 比较方案 初期坝高 15m 加垫层厚 2.5m 6) 比较方案 同 5)并提高堆灰速率 7) 情况 5)加 7 度和 8 度地震 2. 强度指标 稳定分析所采用的有效应力抗剪强度指标 根据原状样固结排水和固结不排水测孔压 ( R′)试验成果确定 有关试验成果存档文件 2) 并列于表 13.1 表 13. 1 张家沟灰坝基本材料特性指标 干容重 含水量 饱和容重 饱和度 有效强度指标 总强度指标 材料 γd kN/m3 w(%) γd (kN/m3 ) Sr (%) c′ (kPa) φ′ (°) ccu kPa φcu (°) 地基上层 15.9 24.5 19.8 100 15 30.0 5 18 地基下层 17.0 20.9 20.6 100 40 30.0 5 18 初期坝 17.0 17.2 19.9 82 30 28 8 21 垫层 17.6 5.0 18.5 26.7 0 30.0 0 30 灰体 9.0 30 11.7 47.2 20 31.0 7 23 灰坝施工各阶段孔隙水压力消散过程通过比奥原理的二维有限元固结程序 CON2D 确 定 详见存档文件 3) 第 7 章图 7.5 示其中的一个典型工况的孔隙水压力分布图形 13. 1. 4 计算成果与分析 各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表 13.2 部分工况临界滑裂面示于图 13.1 分析这些计算成果 得到如下几点结论 (1) 张家沟灰坝建于饱和淤泥质亚粘土地基上 因此渗透系数小 填筑时孔隙水压力不 易迅速消散 如不采取工程措施 坝坡稳定不易保证 在各运行情况下 初期坝竣工时最为 不利 为控制工况 此时固结分析所获得的孔隙水压力系数在局部地区超过 1 稳定分析中 发现局部的安全系数很小 鉴于此运行条件下安全系数小于 1 因此对张家沟灰场增加排水 工程措施是必要的 (2) 采用水平垫层和竖直砂井均可有效地降低孔隙水压力 因而使稳定安全系数提高到 1.1 以上 图 13.1 列出了几个典型运用条件下计算获得的临界滑裂面
第13章工程例 25,5 45(m) 57(m) 57(m) 90.0 900 图13.1蒲城电厂张家沟灰坝主要工况计算成果 (a)Z3-d(b)Z12d(c)Z5;d)Zl3;(e)Z6;(n)Z14,(g)Z2d,(h)Z24-d (3)从垫层25m和50m两种方案的计算结果看,垫层厚度对稳定安全系数的影响不大 其原因是:①垫层料的抗剪强度指标(c'=0,φ′=30°)与填土和地基的有效强度指标接近 增厚垫层不会提高地基的强度;②垫层作为一种水平排水,增加深度未使排水边界长度有 明显增加,因此排水效果变化不大。鉴于增厚垫层会使工程造价有较大的增加,可考虑垫层 料厚25m不再增厚的方案。 (4)在水平垫层的基础上增设竖直砂井排水,可以使初期坝安全系数明显的增加,因此 砂井排水对坝坡稳定具有明显效果。 (5)相应坝高15m,设25m厚垫层的工况,在提高堆灰速率的情况下,由于超孔隙水 压力变化不大,稳定安全系数降低甚微,坝体仍是稳定的 (6)初期坝高15m方案相应的稳定安全系数较坝高20m的安全系数大,说明适当降低 初期坝髙有利于地基的稳定。因此本研究专题推荐初期坝高15m,铺设25m厚垫层,并提 高堆灰速率的方案
第 13 章 工程案例 465 图 13. 1 蒲城电厂张家沟灰坝主要工况计算成果 (a) Z3-d; (b) Z12-d; (c) Z5; (d) Z13; (e) Z6; (f) Z14; (g) Z22-d; (h) Z24-d (3) 从垫层 2.5m 和 5.0m 两种方案的计算结果看 垫层厚度对稳定安全系数的影响不大 其原因是 垫层料的抗剪强度指标(c′ = 0 φ ′ = 30°)与填土和地基的有效强度指标接近 增厚垫层不会提高地基的强度 垫层作为一种水平排水 增加深度未使排水边界长度有 明显增加 因此排水效果变化不大 鉴于增厚垫层会使工程造价有较大的增加 可考虑垫层 料厚 2.5m 不再增厚的方案 (4) 在水平垫层的基础上增设竖直砂井排水 可以使初期坝安全系数明显的增加 因此 砂井排水对坝坡稳定具有明显效果 (5) 相应坝高 15m 设 2.5m 厚垫层的工况 在提高堆灰速率的情况下 由于超孔隙水 压力变化不大 稳定安全系数降低甚微 坝体仍是稳定的 (6) 初期坝高 15m 方案相应的稳定安全系数较坝高 20m 的安全系数大 说明适当降低 初期坝高有利于地基的稳定 因此本研究专题推荐初期坝高 15m 铺设 2.5m 厚垫层 并提 高堆灰速率的方案
土质边坡穗定分析一原理 (⑦)在遭遇7度和8度地震时采用固结不排水剪指标,稳定安全系数均在1.1以上,因 此各种工况遇地震都不是控制计算条件 表13.2张家沟灰坝稳定计算最小安全系数及相应数据文件 不处理不处理。加垫层加垫层坝高15m垫层及 垫层厚砂地震地震提高堆灰速率 工况k=6×10k=6×10°厚25厚25m厚25m度8度垫层厚2m 初上游092108931117139613381235 1.1541.338 期下游09541140134812621507 1479 1.2911.584 15-DZ18-D 0.7530.65314791.38916511482 中期78 .3831.628 Z7 Z11 13Z17 ,08010.7411.543141216 14911.5191.5 Z10Z14Z16 注1.垫层及砂井坝高15m等各种情况均相应地基渗透数k=6x10°cms情况; 2.地震情况相应初期坝高15m,垫层厚25m方案,地基使用ca、ψ,强度指标 3.提高施工速率相应初期坝高15m方案,垫层及砂井方案相应坝高20m。 3.1.5讨论 这是一个饱和软土地基上快速修建土石坝的典型实例。水利水电科学研究院在工程规 划、设计阶段开展了从土工试验、固结计算、边坡稳定分析到加固方案论证的综合性科研工 作。建设单位采用了建议的设2.5m厚排水垫层的方案。工程开工后,中国水利水电科学研 究院还承担了现场监测和监理工作。 本算例的特点是灰坝坝坡稳定分析采用有效应力法,施工过程中的孔隙水压力通过平面 固结比奥理论的有限元法确定。稳定分析的一个内容是对灰坝填筑的上升速率进行分析和评 价,在STAB程序的应用方面,这是采用程序提供的孔压内插网格功能进行稳定分析的实例。 13.2公伯峡水电站堆石坝 3.2.1基本情况 (1)项目来源:电力部西北勘测设计院。 (2)完成日期:1994年2月 (3)设计阶段:选坝阶段。 (4)存档文件:公伯峡水电站堆石坝边坡稳定分析报告,水利水电科学研究院,岩土 (94)7,1994年2月 13.2.2工程概述 公伯峡水电站在可行性硏究阶段推荐混凝土面板堆石坝和土质心墙堆石坝两种坝型。为 了解这两种坝型在自重及其它荷载作用下的稳定性,西北勘测设计院委托水利水电科学研究 院,对上述两种坝型在各工况下的稳定性进行计算分析
466 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 (7) 在遭遇 7 度和 8 度地震时采用固结不排水剪指标 稳定安全系数均在 1.1 以上 因 此各种工况遇地震都不是控制计算条件 表 13. 2 张家沟灰坝稳定计算最小安全系数及相应数据文件 工 况 不处理 k=6×10-6 (cm/s) 不处理 k=6×10-8 (cm/s) 加垫层 厚2.5m 加垫层 厚5m 坝高15m 垫层厚 2.5m 垫层及 砂井 厚2.5m 地震 7度 地震 8度 提高堆灰速率 垫层厚2.5m 上游 0.921 0.893 1.117 1.396 1.338 1.235 1.154 1.338 0.954 1.140 1.348 1.262 1.502 1.479 1.291 1.584 初 期 下游 Z3-D Z12-D Z15-D Z18-D Z22-D 0.753 0.653 1.479 1.389 1.651 1.482 1.383 1.628 中 期 Z8 Z7 Z11 Z13 Z17 Z19 Z23 Z25 0.801 0.741 1.543 1.412 1.633 1.491 1.519 1.593 1.422 终 期 Z6 Z5 Z10 Z14 Z16 Z20 Z21 Z24 注 1. 垫层及砂井坝高 15m 等各种情况均相应地基渗透数 k=6×10-8cm/s 情况 2. 地震情况相应初期坝高 15m 垫层厚 2.5m 方案 地基使用 ccu φcu强度指标 3. 提高施工速率相应初期坝高 15m 方案 垫层及砂井方案相应坝高 20m 13. 1. 5 讨论 这是一个饱和软土地基上快速修建土石坝的典型实例 水利水电科学研究院在工程规 划 设计阶段开展了从土工试验 固结计算 边坡稳定分析到加固方案论证的综合性科研工 作 建设单位采用了建议的设 2.5m 厚排水垫层的方案 工程开工后 中国水利水电科学研 究院还承担了现场监测和监理工作 本算例的特点是灰坝坝坡稳定分析采用有效应力法 施工过程中的孔隙水压力通过平面 固结比奥理论的有限元法确定 稳定分析的一个内容是对灰坝填筑的上升速率进行分析和评 价 在 STAB 程序的应用方面 这是采用程序提供的孔压内插网格功能进行稳定分析的实例 13. 2 公伯峡水电站堆石坝 13. 2. 1 基本情况 (1) 项目来源 电力部西北勘测设计院 (2) 完成日期 1994 年 2 月 (3) 设计阶段 选坝阶段 (4) 存档文件 公伯峡水电站堆石坝边坡稳定分析报告 水利水电科学研究院 岩土 (94)7 1994 年 2 月 13. 2. 2 工程概述 公伯峡水电站在可行性研究阶段推荐混凝土面板堆石坝和土质心墙堆石坝两种坝型 为 了解这两种坝型在自重及其它荷载作用下的稳定性 西北勘测设计院委托水利水电科学研究 院 对上述两种坝型在各工况下的稳定性进行计算分析
第13章工程業例467 工程位于黄河上游,正常蓄水位20050m,校核洪水位20080m,死水位2002.0m,极 限死水位19950m,下游正常水位19001m,坝址基本地震烈度为7度,按8度设防。在稳 定分析中取最大断面为典型计算断面。该工程经论证最终采用了混凝土面板坝方案。 13.2.3计算条件 1.计算工况 计算两种坝型上、下游边坡竣工期,正常运用期,库水位骤降期和地震期的稳定性。 2.强度指标 心墙坝和面板坝材料的物理力学指标如表13.3和表134所示。 表13.3面板坝坝料稳定计算参数 强度指标 坝料 (kN/m)(KN/m) (kPa) 垫层料 22.27 23.35 堆石料 21.68 0 砂砾石料 23.45 0 强风化料 21.19 0 3.54 55 表13.4心墙坝坝料稳定计算参数 容重 强度指标 坝料 kNm,i (kN/m) (kPa) 堆石料 21 23.05 10 砂砾石料 23.45 0 强风化料 22.76 0 土料 反滤料 0 基岩 45 13.2.4计算成果与分析 1.计算方法 因坝体及坝基均不存在软弱夹层,故对上、下游边坡,采用圆弧滑裂面,用毕肖普法进 行计算。 2.计算成果 混凝土面板堆石坝上、下游稳定分析成果见表13.5和表13.6。风化料心墙坝上游库水 位骤降,稳定分析成果见表13.7(有关原理已在第7章[例76]作过详细介绍)。相应的临界 滑裂面位置见图132
第 13 章 工程案例 467 工程位于黄河上游 正常蓄水位 2005.0m 校核洪水位 2008.0m 死水位 2002.0m 极 限死水位 1995.0m 下游正常水位 1900.1m 坝址基本地震烈度为 7 度 按 8 度设防 在稳 定分析中取最大断面为典型计算断面 该工程经论证最终采用了混凝土面板坝方案 13. 2. 3 计算条件 1. 计算工况 计算两种坝型上 下游边坡竣工期 正常运用期 库水位骤降期和地震期的稳定性 2. 强度指标 心墙坝和面板坝材料的物理力学指标如表 13.3 和表 13.4 所示 表 13. 3 面板坝坝料稳定计算参数 容重 强度指标 坝 料 γ γsat c φ φ0 ∆φ (kN/m3 ) (kN/m3 ) (kPa) (°) (°) (°) 垫层料 22.27 23.35 0 45 52 10 堆石料 21.68 23.05 0 45 51 10 砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8 强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9 基 岩 23.54 23.54 100 55 表 13. 4 心墙坝坝料稳定计算参数 容重 强度指标 坝 料 γ γsat c φ φ0 ∆φ (kN/m3 ) (kN/m3 ) (kPa) (°) (°) (°) 堆石料 21.68 23.05 0 45 51 10 砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8 强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9 土 料 18.74 20.01 130 17 25 32.50 反滤料 21.19 22.76 0 37 45 5 基岩 23.54 23.54 50 45 13. 2. 4 计算成果与分析 1. 计算方法 因坝体及坝基均不存在软弱夹层 故对上 下游边坡 采用圆弧滑裂面 用毕肖普法进 行计算 2. 计算成果 混凝土面板堆石坝上 下游稳定分析成果见表 13.5 和表 13.6 风化料心墙坝上游库水 位骤降 稳定分析成果见表 13.7 有关原理已在第 7 章[例 7.6]作过详细介绍 相应的临界 滑裂面位置见图 13.2