土石坝沉降.pdf

舔 足 第1 4 卷第 5 期 1 9 9 2 年 9月 岩土工程 伤 尔 Vo 1 1 4 No5 S e pt 1 9 9 2 一6 赧压土石坝沉降计算的改进分层总和法 乏 (水利部大坝安全监测中心，南京)一、概 述 f 2 分层总和法常用于估算填土自重及其他外荷载作用下坝体及坝基可压缩层的总沉降量及 固结的时间过程以确定竣工时坝顶应预留的超高并计算坝体各部位不均匀沉降量以初步 判断发生裂缝的可能性。但在计算中关于填土固结度的考虑，不论我国还是美、苏都是以 排水固结理论为基础的。然而实际上土石坝可压缩层并不都是处于排水固结状态中。一般地 说施工期土石坝处于非饱和状态，自重荷载作用下 以排气压缩为主其压缩变形特性不同 于饱和土 蓄水期随着库水位抬高坝体内逐步形成稳定渗流饱和区逐步扩大土体产 生湿化强度降低压缩性有所增大。而浸润线 以上部份填则仍处于非饱和状态。运用期 库水位时有变化。当库水位迅速下降并持续一较长时间时饱和区土体向上下游两侧排水固 结。据以上分析仅以排水固结理论为基础计算坝体沉降和土石坝实际变形过程相差较多。为此本文提出了改进分层总和法根据坝体不同部位实际状态选用不同的计算模式和参数 以尽可能符合土石坝变形的实际过程，在分层总和法的基础上计算坝体不同高程处的沉降。二、改进分层总和法计算原理(一)改进分层总和法基本公式 图1 为改进分层总和法基本公式 推导 原理 图。由图1 可知任何时刻 t，某一测点的沉降量为此时刻该点下各可压缩层沉降增量之和。设在第 k填筑层层面上测点号为 k，在 时刻该测点的沉降量为 S()l则 S(k)=AS(t 一 詹 )+AS(t 一 h 一1)+aS(t 一 b )+AS(t 一 ，1)=As(t 一 詹，J)(1)J=1 式中j为各填筑层层号；为第 k层坝体填筑完毕的时刻；AS(t 一 一，J)为第 J层坝体在 t t 时段里的沉降量该项可表为 AS(t-，)=S(t-t j,j)-S(一 一，J)(2)式 中 为第 J填筑层完 成的时刻，S(t-，)为 时刻第 J填筑 层发 生的总沉降量；s(t ，)为第 k填筑层填完的 时刻第 层 已经发生了的沉降量。射藕 日期j 1 9 9 1 0 1 1 6 学 维普资讯 http:/ 6 6 岩土工程学报 1 9 9 2 年 将式(2)代A式 1)则可改写为 S(，)=S(0 一 J，)一E S(。一 J，)(3)J=1 J I 式(3)即为改进分层总 和法的基 本公式 不同时期坝体不同部位主要处于三种状态之下，即：非饱和状态，湿化状态以及饱和排 水固结状态。以下分别推导各种状态下的沉降计算公式。目 蟊 鼍 蟮 甚 兰 粤=施工过程线 s t t t bI)正s t 卜 k s t t t b 2)时 间f 口 图 l 改进 分层 总和法 计算 原理(二)各种状态下的填土沉降计算：I 非饱和状态。目前非饱和土的沉降计算尚无统一方法对其压缩变形的研究也还不够深人。本文利用 非饱和土在捧水排气条件下压缩试验曲线来计算非饱和填土的沉降。非饱和土压缩试验中试样在时刻 t 荷载 P下压缩度 u 淀 义为 式中 S(p，)为在排水排气条件下试样在时刻 t 荷载 P下的压缩量；s(p，o o)为上述条件下 压缩稳定后的压缩量。在非饱和土中，有效应力 可表示为=一 其中孔隙压力 u用下式表示：=。一“一 其中 u 分别为孔隙气压力和孔隙水压力 为与饱和度有关的系数。因此可将压鲭 度改写 为如下形式：1 一觥(5)在心墙坝中，一般都认为心墙和坝壳界面为排水排气的零压面，孔隙压力 t 沿 y方向 维普资讯 http:/ 第 5 期 李雷等 碾压土石坝沉降计算的改进分层总和法 6 7 的分布规律尚研究不多，为简单计不妨假定其为线性分布如图2 所示。其中 h为某一压 缩层厚度H 为该层心墙平均宽度。根据图 2 ：。1 一 等)(0)(6)式中 Y为距轴线的距离。将上式代人式(5)，在轴线上则可得。筠(7)若试样厚度为 h，体积压缩系数为m)，则该试样某 时刻 的压缩 量 S 可写 为 S=m)o-)h 崮 工 图 2 心墙 中孔晾压力沿 y方 向分布示意 若某一非饱和压缩层厚度为h 时刻该层压缩量s 为 S ：M)(P)h 其中肘)为该压缩层体积压缩系数，脚注 P表示原型。若试样在 时刻与可压缩层 时刻所达到的压缩度相 同由于试验中可以控制应力 而且 土体 的体 积压缩系数与荷载有关，则 有：)=()，m)：M)，则 s J=mjt)n)=mJ r)S(p,o o)。h (8)从上式可以看出，非饱和土可压缩层 时刻的压缩量 S 可 以通过相应试样在时刻 的压缩试验资料来推求。若考虑到试样与原型填土在取样、制样、试验误差等方面的影响 可加上修正系数，即 s f ：a m J r)S(p ,o o)h (9)当试样和计算压缩层达到相同压缩度时，和 之间有如下关系 击【昔J (1 o)其中 H 为可压缩层渗径，n为参数。当土体为非饱和时，根据其饱和度1 5 n 2 O；土体为饱和时，n=2。若考虑到施工期分级加荷和不同加荷速率对压缩性的影响，应对压缩度 如下修正 耋 (卜 )式 中 m 为分级数；为第 i 级荷载 终了和开始时间，d p沩 第 f 级荷载增量；P为 m 级增量之和。式(8)即为非饱和可压缩层计算压缩量的基本公式。2 湿化变形状 态 所谓湿化变形即是坝体填土或坝基及岸坡可压缩土体由于浸水导致结构破坏、强度降低 而使压缩性增大的一种性质。随着填筑及天然状态不同，土料湿化变形的程度也有所不同0 黄土的湿陷变形即是一个典型例子，见图3。从图3 可知浸水后的湿陷量并非是“瞬时”发生的，而是有一个发展过程 该组湿 陷过 程线极类似于非饱和试样 的压 缩过程线。湿化变形过程与渗径、渗透时间显然有很大关系可用室内试验的湿化过程来模拟现场 维普资讯 http:/ 6 8 岩土工程学报 1 9 9 2 年 湿化过程 设 土层湿化时间 t 与试样湿化时间用下式联系：(音)(1 2：h和日分别为试样和土层的渗径。则土层湿化 9 4 1 ws ：1 84,24 篱 后 时 刻的沉降量对应于试样湿化后 时刻的 0 5 沉 降 量 。试样在 P 荷重下湿化后 时刻沉降量 I s(p，c)与其最终湿化沉降量 s(p o。)之比定义为 1 61 w =一1 8 4 2 3 湿 化度【则当p 荷重 下t 时 刻的 试样 湿 化度 z。；。o ：和 时刻可湿化土层的湿化度相等时则有：l 2 4 I s(p，S(p，i 式中 S(p，P)为土层在 时刻的湿化沉降量，S 为在上述荷重下湿化后最大沉降量，可表 示 为：S =以 h 。其 中以为 湿化 系数，以=(p)。则可将土层在荷重 P作用下 时刻的湿化 沉降量表为：S(p,t p)=h 【l 3)上式 即 为湿化 沉 降量 的计 算 公式。式 中 图3 s(p，)，S(p，o。)及 p)均可根据资料用曲线拟合的方法得到。0 黄土 原 状黄 土湿 陷 过程 3 饱和排水固结状态：该状态下的沉降计算以排水固结理论为依据，已为大家所熟知，不拟赘述。三、计算参数分析 根据非饱和土排水排气压缩试验资料，压缩量随时间的过程线可选用以下模型也可选 用其他合适模型。即 口 S(p )击 u )其中 a 6 (=1 2，m)为第 i 级荷载下压缩过程线的拟台参数 a为优化参数，一般 地0 2 0=o(p k 6=6(p)I可根据实际资料拟台。同样，可湿化土的湿化沉降量 S(p，。)可用下式表示也可选用其它合适模型 s(p 酱_ 万 u 5)其中 A B 为拟合参数。=(p)，B=B(p)I可根据实际情况选 甩适当模型。四、应用实例 用改进分层总和法对羊毛湾水库大坝的沉降进行了计算。羊毛湾水库为全国4 3 座重点病 维普资讯 http:/ 第 5 期 李雷等 碾压土石埂沉降计算的改进分层总和法 6 9 险库之一，大坝 为碾压式黄土均质坝，多次发生裂缝。该坝初期沉降漏测近十年之久，漏测 沉降难 以推算。为了进行裂缝分析，即用该方法计算了施工期及蓄水期沉降。坝下可压缩层 包括两岸坡下 Q|黄土，坝 下砂壤土、红枯土及坝体填土。白坝轴线0 1 5 6 m 起，每 2 0 m设一计算断面，白坝顶往下每5 m设一计算点。坝顶计算沉降的纵向分布如图4 所示。臣离，m 图 4 羊毛湾水库大埙埂轴线断面计算沉降的纵向分布 假定壤筑后右坝下橙鸹达6 2 5 膏程)从图4 看，沉降纵向分布符合一般规律，据此所做的裂缝分析结果与现场情况基本吻合 五、结 语 1 改进分层总和法可用于计算不同时刻不同高程点的沉降，可模拟坝体填筑过程，还可 考虑非饱和土的压缩特性及蓄水引起浸水湿化的影响和饱和区排水固结影响，较好地反映坝 体沉降的实际过程。2 所需计算参数可从常规压缩试验(饱和及非饱和的)和有关湿化的试验中取得，试验简 单易行，参数整理方法均属常规的模型拟台，不难确定。3 该法适用于心墙坝及均质坝的沉降计算推算沉降漏测时间较长的漏测沉降，也适用 于估算预留超高及抗裂设计 参考文献 1 李雷 击实粘土压缩特性的试验研究 水利水运科学研究l 1 9 8 6 3 k 6 2 6 6 2 武汉水电学院等 土力学及岩石力学 水利 电力出版社1 9 7 9：2 6 0-2 6 2 一 3】左元嚼，沈珠江等 埙料土的浸水变形特性研究 南京水利科学研究 院，1 9 8 9 t 1 4 一 4】张苏民，郏建国 温陷性黄土(日，)的增湿变形特征 岩土工程学报，1 9 9 0 一(4 2 2 5 李君纯 羊毛湾水库大埂安垒论证介绍 土石埂工程1 9 9 0(1 2 期台刊)：5 8,-6 3 维普资讯 http:/