复合地基上坝体长期变形与防渗墙安全评价研究

摘要

随着土石坝被广泛应用于各大水利工程，其防渗加固、复杂地基处理及坝体稳定安全分析已成为众多学者的研究重点。混凝土防渗墙作为土石坝最常用的防渗结构，对其进行合理的结构设计、应力变形分析以及裂缝破坏机理等研究至关重要。由于复杂地形地质条件的影响，对建于覆盖层上的大坝，通过开挖、固结灌浆和振冲碎石桩加固等方式对地基加固处理，并进行合理数值模拟分析，对大坝安全性和可靠性是有必要的。同时坝体堆石料颗粒之间存在不同大小的空隙，在水荷载作用下易产生滑移等现象。因此本文考虑流变、湿化等影响因素，仿真分析大坝运行阶段的长期变形规律，为大坝监测和预防提供参考，主要研究内容有以下四点： (1)本文基于对土石坝中防渗结构的设计研究，通过初步设计混凝土防渗墙风化料坝，应用于云南省某水库拦河坝的设计，进行数值模拟计算，对坝体和防渗墙应力变形的云图规律和极值位置分布进行初步研究。得出坝体沉降云图基本呈现在防渗墙两侧对称的分布规律，应力云图在防渗墙两侧出现错动，符合一般土石坝云图变化规律。 (2)基于振冲碎石桩加固地基机理和复合地基计算原理研究，对坝体右岸的覆盖层区域进行加固处理，通过设计两种计算方案，研究振冲碎石桩对大坝的影响。结果表明：加固地基相较于未加固地基，坝体和防渗墙的应力变形最值有明显的减小，说明振冲碎石桩加固地基对大坝有较好的改善作用。 (3)基于三参数流变模型和湿化理论的研究，以建于复合地基上的混凝土防渗墙风化料坝为实例，考虑堆石料长期变形的影响，进行三维仿真模拟计算，研究大坝极值变化规律及坝体和防渗墙长期变形特性。得出流变随大坝运行年限的增加，坝体和防渗墙应力、位移最大值都有所增大，但基本于流变1年趋于稳定。因此，在流变和复合地基的综合影响下，模拟计算结果可预测大坝长期运行下的应力变形规律，通过加固地基改善坝体的运行环境，为实际工程的施工和运行检测过程提供合理参考。 (4)基于混凝土防渗墙安全理论研究，通过对材料分区进行优化设计，以下游左岸块石区为基准，设计三种方案并分别进行模拟计算，分析混凝土防渗墙的安全性。得出随着下游块石材料区域面积的逐渐增大，防渗墙的应力和位移均呈现逐渐减小的趋势，其中顺河向位移变化幅度较大；通过研究各方案防渗墙的挠度曲线，得出墙体挠度沿高度方向从下到上均呈现向下游发展的规律，数值变化是先逐渐增大，在1/2防渗墙高度附近处达到稳定挠度极限值fs，之后又呈现逐渐减小的变化规律，且各方案的稳定极限挠度值基本为顶端位移量的2倍，变位差距较大，不利于混凝土防渗墙的安全稳定。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 堆石体长期变形的研究进展

1.2.2 振冲碎石桩复合地基的研究进展

1.3研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 混凝土防渗墙风化料坝初步设计研究

2.1 土石坝中混凝土防渗墙的设计研究

2.2 混凝土防渗墙风化料坝的初步设计研究

2.3 工程实例设计研究

2.3.1 坝型选择

2.3.2 混凝土防渗墙风化料坝力学特性初步分析

2.4 本章小结

3 覆盖层上混凝土防渗墙风化料坝地基处理措施研究

3.1 振冲碎石桩复合地基加固机理分析

3.2 振冲碎石桩复合地基计算原理

3.2.1 碎石桩加固区复合模量计算

3.3.2 碎石桩复合地基承载力计算

3.3 工程算例

3.3.1 计算方案设计及振冲碎石桩模拟

3.3.2 有限元计算模型

3.3.3 振冲碎石桩未加固地基的坝体应力变形特性研究

3.3.4 振冲碎石桩加固地基的坝体应力变形特性研究

3.3.5 计算结果对比分析

3.4 本章小结

4 复合地基上混凝土防渗墙风化料坝长期变形特性研究

4.1 堆石体长期变形理论研究

4.1.1 堆石体三参数流变模型

4.1.2 堆石体湿化变形模型

4.2 工程算例

4.2.1 工程概况

4.2.2 复合地基和长期变形组合作用下大坝应力变形极值分析

4.2.3 长期变形下大坝三维应力变形特性研究

4.3 本章小结

5 材料分区优化设计对混凝土防渗墙安全性评价研究

5.1 混凝土防渗墙安全理论研究

5.2 工程算例

5.2.1 优化方案设计

5.2.2 有限元计算模型及参数

5.2.3 材料分区优化设计对混凝土防渗墙的影响分析

5.2.4 混凝土防渗墙安全评价研究

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果