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深厚砂礫石地基墻幕結(jié)合防滲體系搭接長度優(yōu)化研究

2021-4-9 | 建筑工程

摘  要:目前深厚砂礫石地基墻幕結(jié)合防滲體系普遍采用10m的經(jīng)驗搭接長度,本文結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程,采用了有限元數(shù)值模擬計算和歸一化處理的方法,在防滲體系不同深度布置尺寸和搭接長度的情況下,對防滲墻的受力和位移進行計算研究分析,總結(jié)出墻幕結(jié)合防滲體系優(yōu)化搭接長度的變化規(guī)律。
關(guān)鍵詞:深厚砂礫石地基;墻幕結(jié)合;搭接長度;優(yōu)化研究
    一、前沿
    近年來,隨著我國西南部山區(qū)水電建設的發(fā)展,很多水利工程的興建將面臨深厚砂礫石壩基防滲的難題,墻接幕防滲體系的成功應用使這一難題得到有效解決。墻幕結(jié)合形式的防滲體,其墻與幕的搭接處理是整個防滲體施工的關(guān)鍵部位,尤其是在砂礫石層厚度達150m級的覆蓋層中修建墻幕結(jié)合的防滲體,由于其埋藏深度大、承受水頭高、地質(zhì)條件復雜,一旦接頭處理不當,其補救措施也很難實施,將對整個工程造成嚴重后果[1]。處理接頭部位的一般做法是使防滲墻底部嵌入灌漿帷幕一定深度,使下部灌漿帷幕緊緊包住防滲墻底部,形成一個統(tǒng)一體,達到減少滲漏的目的。目前、有些學者對深厚覆蓋層防滲中墻幕結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,提出墻幕結(jié)合的搭接長度參數(shù)的確定方法:在沒有理論分析依據(jù)的情況下,墻幕的搭接長度可盡量長些,以延長地下水流的滲流路徑,削減滲透壓力,降低滲量,滿足滲透比降要求;根據(jù)工程經(jīng)驗,防滲墻采用嵌入帷幕的形式進行墻幕搭接,最理想的搭接長度為10 m[2]。
    但是墻幕結(jié)合防滲體系的布置型式,結(jié)構(gòu)尺寸等一些技術(shù)參數(shù)的確定,由于缺少相應的規(guī)范,大多是憑借經(jīng)驗取得,設計上也偏于保守考慮。因此,本課題將針對墻幕結(jié)合防滲體系的搭接長度問題,結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程,對防滲體系在不同搭接長度下的受力和位移進行研究分析,總結(jié)出優(yōu)化搭接長度的變化規(guī)律。
    二、工程概況
    下坂地水利樞紐工程位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干縣下坂地鄉(xiāng)附近,距塔什庫爾干塔吉克自治縣45公里,距喀什市315公里,距葉爾羌河干流卡群渠首190公里。下坂地樞紐工程[3]是以生態(tài)補水及春早供水為主,結(jié)合發(fā)電的大型水利樞紐工程,為Ⅱ等工程,大(2)型規(guī)模。樞紐建筑物由攔河壩、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)和電站廠房等組成,攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,最大壩高78m,正常蓄水位高程2960m,總庫容8.67億m3,電站總裝機容量150MW,年發(fā)電量4.735億KWH。
    工程壩址區(qū)河谷呈“U”形,兩岸基巖裸露,山高坡陡,壩肩巖體強風化較淺,結(jié)構(gòu)較完整,河床覆蓋層主要是由壩址下游的哈木勒堤溝古冰川的推進和后退及“堰塞湖”的形成與潰決等因素形成的第四系冰水堆積物、冰磧物。自下而上可分為三大類型:冰磧層、砂層透鏡體、沖洪積層和坡積層,滲透系數(shù)大,成分復雜,最大厚度147.95m。
    2.1材料參數(shù)的選取
    有限元模型設置了九種材料:壩體(淡紅色)、瀝青混凝土心墻(綠色)、混凝土防滲墻(白色)、灌漿帷幕(暗灰色)、上部漂石層(藍色)、砂層(暗灰色)、飄塊石層(土黃色)卵礫石層(亮灰色)和基巖(灰褐色),如表2-1所示。計算模型單元的劃分情況以及材料分區(qū)情況見圖2-1所示。該模型中各種材料參數(shù)見表5-1所示。筑壩土料、上部漂石層、砂層和卵礫石層材料采用鄧肯-張模型,瀝青混凝土、混凝土防滲墻、灌漿帷幕和基巖都均采用采用線彈性模型,設置防滲墻、帷幕灌漿和周圍土體的接觸。模型單元數(shù)為4070個,節(jié)點4207個。
    2.2計算方案和步驟
    墻接幕防滲體系搭接長度優(yōu)化方案如下:
    (1)在防滲體系深度布置一定的情況下,防滲體系隨搭接長度變化而變化的規(guī)律。
    (2)在搭接長度一定的情況下,防滲墻隨深度布置尺寸的應力變化規(guī)律。
    (3)綜合分析(1)和(2)的變化規(guī)律,探尋防滲體系優(yōu)化搭接長度的布置規(guī)律。
    本作者之前針對新疆下坂地水利樞紐工程,采用目標函數(shù)優(yōu)化方法,建立了以防滲體系施工工期和壩基滲流量為子目標函數(shù)的數(shù)學優(yōu)化模型,結(jié)合歸一化法和參數(shù)敏感性分析方法,最終優(yōu)化計算得到滿足安全性和經(jīng)濟性的防滲墻優(yōu)化設計深度為65m。實際工程建造深度為85m,搭接長度為10m。因此,本次計算方案分為五種大工況,如下表2-2所示。每種大工況中又按按步長為1m,計算搭接長度從1m~14m情況下的應力和位移值。
    三、有限元計算結(jié)果
    根據(jù)墻接幕防滲體系有限元計算模型,結(jié)合搭接長度優(yōu)化方案,分別將各種大工況下防滲墻的位移和應力值隨搭接長度變化值用圖3-1、3-2、3-3的形式展示出來。
    隨著防滲墻布置深度和墻與幕搭接長度的變化,最大壓應力值為21.11MP,最大拉應力值為0.3844MP滿足混凝土的極限抗壓和抗拉強度要求;最大水平位移為43.24cm、最大豎向位移值為5.38cm,都在監(jiān)測允許范圍內(nèi)。它們的變化規(guī)律如下:
    (1)防滲墻布置深度在65m~80m之間時,。隨著搭接長度的增加,最大壓應力在總體上都是呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;在搭接長度長度一定的情況下,最大壓應力值隨著防滲墻的布置深度的增加在逐漸增大;85m時且呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,變化規(guī)律發(fā)生了變化,這就說明,隨著防滲墻布置深度的增加,防滲體系的應力變化將更加復雜。
    (2)在防滲墻布置深度一定的情況下,隨著搭接長度的增加,最大水平位移在總體上都是呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;在搭接長度一定的情況下,最大水平位移值隨著防滲墻布置深度的增加在逐漸的減小。
    (3)在防滲墻布置深度一定的情況下,隨著搭接長度的增加,最大豎向位移在總體上都是呈現(xiàn)逐漸減小的的趨勢;在搭接長度一定的情況下,最大水平位移值隨著防滲墻布置深度的增加在逐漸的增加
    四、優(yōu)化搭接長度計算
    根據(jù)以上墻接幕防滲體系有限元計算結(jié)果,可發(fā)現(xiàn):在防滲墻布置深度一定的情況下,隨著搭接長度的增加,防滲墻的最大水平位移和最大豎向位移的變化趨勢剛好相反。因此,可利用數(shù)學歸一化法對最大水平位移和最大豎向位移進行處理,得出了各種工況下的優(yōu)化搭接長度值。新疆下坂地防滲體系的優(yōu)化搭接長度值計算結(jié)果

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