高堆石坝关键技术问题研究

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1、高堆石坝关键技术问题研究杜延龄　　关键词　高堆石坝　优化设计　砾石土　混凝土面板　离心模拟　坝体填筑　原位观测　“八五”科技攻关专题　　摘　要　高堆石坝关键技术问题是“八五”国家科技攻关的一项专题研究，主要包括高堆石坝优化设计软件系统，利用宽级配砾石土作高堆石坝防渗体技术，混凝土面板抗裂措施及其合理接缝止水结构，土工离心模型试验技术，坝体填筑堆石料供应规划仿真模拟软件系统和压实质量无损检测技术以及200m级高堆石坝原观仪器和土石坝工程反馈分析等。经技术鉴定，该专题成果总体上达到国际先进水平。　　《高堆石坝关键技术问题研究》系“八五”国家科技

2、攻关的一项专题研究成果，由中国水利水电科学研究院(专题负责单位)、南京水利科学研究院、昆明勘测设计研究院、中国水电第十四工程局和十三陵抽水蓄能电站筹建处等单位共同完成。该专题研究成果的应用，使我国高堆石坝技术达到一个新水平，并具有良好的推广前景。1　高堆石坝优化设计软件系统　　本软件系统的优化设计内容包括筑坝材料、坝型选择和防渗结构等，均以工程总费用为优化目标，其优化设计模型的创新点是在间断函数优化穷举比较过程中，研究采用了αβ剪枝技术，使解的搜索空间大为减小。　　本软件系统由管理控制、智能设计、计算分析和输出处理4个子系统和堆石坝设计资料

3、数据库共5个部分组成。其中智能设计子系统是本软件系统最重要的部分，具有交互性、智能性和自动生成性。该子系统所能完成的任务共10项，即地形地质资料输出、料场信息输入、确定坝轴线、确定坝型、坝断面设计、定义开挖线、坝体显示、计算填筑与开挖量、料场优化和有限元网格生成。软件系统的结构特征主要是整个系统建立在Windows环境下，采用菜单驱动、交互式和多任务运行方式，有较完善的图形显示和绘图功能，并可提供全屏文件编辑环境。　　利用本软件系统对新疆喀拉喀什河上乌鲁瓦提面板砾石坝进行了优化设计分析。该坝最大坝高138.0m，水库总库容3.47亿m3，电

4、站装机容量60MW。优化设计分析的主要成果是：在坝体下游一定范围内可用开挖石碴料代替砂砾料，由此可为工程节约投资约1260万元。2　利用宽级配砾石土作高堆石坝防渗体研究　　本项试验研究是结合瀑布沟水电站高堆石坝工程进行的。该坝为土质心墙堆石坝，建筑在最大深度为75m的深厚覆盖层上，设计最大坝高186m。本成果已作为一项配套技术被工程设计所采用，创造直接经济效益约4000万元。2.1　填筑标准　　宽级配砾石土的压实特性与一般粘性土不同，它随着粗粒含量P5的变化而变化。当采用全料和细料压实度控制时，其全料和细料设计干密度ρd和ρdl应分别由下式

5、确定：ρd=Dρdmax(P5)ρdl=βDρdmax式中　　　D——压实度，可按设计规范确定；　　　　　ρdmax(P5)——随粗粒含量P5变化而变化的全料最大干密度；　　　　　β——为与粗粒含量有关的校正系数；　　　　　ρ′dlmax——全料最大干密度时的细粒干密度；　　　　　ρdlmax——细料单独击实时的最大干密度。　　按上述方法所确定的瀑布沟工程黑马Ⅰ区土料的填筑标准见表所列。为确保防渗工程的填筑质量，推荐采用以细料压实度控制法所确定的偏高填筑标准。现场碾压试验成果表明，室内所确定的填筑标准在现场是可以实现的，其平均压实度达100

6、%，填筑干密度合格率达94%以上。　　　　　黑马Ⅰ区土料填筑标准表粗粒含量P5／%0152030405060全料设计干密度ρd／g*cm-3全料控制2.072.122.152.182.202.232.24细料控制2.072.122.152.192.222.252.27设计最优含水量／％8.78.57.97.46.96.56.32.2　工程性质　　(1)变形与强度：试验用料为黑马Ⅰ区经剔除处理后的土料。试验结果表明，强度随土料干密度增加变化不大，其填筑标准主要取决于变形和防渗要求。三轴试验的应力应变关系呈硬化曲线，而平面应变试验呈弱化曲线，两

7、者体应变特征也不尽相同。　　(2)水力劈裂：试验用料以5mm～10mm粗粒组等量替代超径部分。试样干密度随含砾量不同控制在2.08g／cm3～2.3g／cm3。试验成果表明：当含砾量小于15%时，破坏形式为水力劈裂；含砾量大于20%后，破坏形式由水力劈裂转变为水力击穿。因此，在黑马Ⅰ区土料颗粒级配包线范围内，不会发生水力劈裂。　　(3)抗拉强度与断裂韧度：黑马Ⅰ区土料抗拉强度σt随砾石含量的增加而降低，且以P5=30%为转折点，此后递减速率明显加大。断裂韧度KIC同样随砾石含量P5的增加而降低，以P5=30%为转折点。2.3　渗透与渗透稳定

8、　　大量试验成果表明，影响宽级配砾石土渗透性的主要因素是土体干密度ρd、等效粒径d20和土体受力状态。其渗透变形形式同一般粘性土只有流土破坏的不同，它随着土体中细粒含量的变化可发