姚 杰（浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

復(fù)雜地形地質(zhì)條件下覆蓋層上面板堆石壩的應(yīng)力變形研究

姚 杰
（浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

通過有限元數(shù)值模擬的方法，研究了復(fù)雜地質(zhì)地形條件下覆蓋層上面板堆石壩的應(yīng)力變形特性。研究了地質(zhì)及地形條件的改善措施，計算分析了防滲墻和面板的應(yīng)力變形、面板接縫變位以及壩體的變形和應(yīng)力。研究結(jié)果表明，采用合理工程措施后，壩體應(yīng)力變形規(guī)律正常，混凝土防滲墻及混凝土面板的應(yīng)力在其強度允許范圍之內(nèi)，面板接縫變位在止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)，可滿足覆蓋層上面板堆石壩安全運行的需要。圖7幅，表1個。

面板堆石壩；覆蓋層；防滲墻；面板；接縫；應(yīng)力變形

0　引 言

覆蓋層上直接修建面板壩具有節(jié)省工程量、縮短工期、簡化工程導(dǎo)流等優(yōu)點，當(dāng)壩址覆蓋層可利用時，將河床趾板直接建在覆蓋層上的混凝土面板壩與把覆蓋層挖除后將趾板置于基巖上的混凝土面板相比，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建成了一批100 m級深覆蓋層上面板壩，如我國的那蘭［1］、察汗烏蘇［2］、苗家壩［3］、多諾［4］、斜卡［5］等面板壩，壩高都在110 m左右，九甸峽面板壩［6］的壩高達到了136.5 m，是我國已經(jīng)建成的最高的深覆蓋層上的面板壩。國外較為有名的將趾板建在覆蓋層上的混凝土面板堆石壩是智利的Santa Juana壩和Puclaro壩［7］，Santa Juana壩修建在30m厚的覆蓋層上，壩高106 m，防滲墻深入基巖，深度為35 m；Puclaro壩修建在113 m厚的覆蓋層上，壩高83 m，防滲墻采用懸掛式，深度為60 m。位于尼泊爾西部Seti河與Chama Gad交匯處的West Seti壩［8］，壩高達190 m，覆蓋層厚50 m，是目前同類工程中設(shè)計高度最高、難度最大的一座壩。

覆蓋層上面板壩的關(guān)鍵技術(shù)問題是防滲系統(tǒng)適應(yīng)變形和強度的要求，而防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形影響因素復(fù)雜［9］。覆蓋層本身工程特性是壩體及防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形的直接影響因素，而壩址河谷形態(tài)的影響也很大，如九甸峽面板壩，由于壩址處河谷狹窄，岸坡陡峭，壩體運行過程中面板周邊縫出現(xiàn)了較大的變位，沉陷和剪切變位分別達到了6 cm和5 cm量級。因此，對于復(fù)雜地質(zhì)地形情況覆蓋上面板壩建設(shè)，應(yīng)有相應(yīng)對策。

1　工程概況

某面板壩工程壩高88 m，壩址處覆蓋層厚度20 m。覆蓋層以沖積成因為主 ，崩積次之，物質(zhì)組成主要為灰色砂卵礫石，巨塊石約占10%，卵石含量約65%，砂礫含量約15%，粉粒含量約10%，顆粒級配較差，泥質(zhì)含量極少，卵石粒徑一般5～30 cm，崩積巨石、塊石一般為150～300 cm，最大粒徑可達10 m，均一性較差 ，勘探時未發(fā)現(xiàn)明顯的架空現(xiàn)象。同時，兩岸岸坡陡峭，幾近垂直。為了節(jié)省工程投資和工期，采用在覆蓋層上直接建面板壩方案，壩基采用80 cm厚混凝土防滲墻防滲，防滲墻與面板之間設(shè)3暢5 m長連接板和7 m長趾板。

2　設(shè)計處理

本工程面臨的主要技術(shù)問題有兩個：一是覆蓋層力學(xué)條件較差引起防滲系統(tǒng)較大的應(yīng)力變形；二是陡峭岸坡可能引起面板周邊縫超標(biāo)。針對上述兩個問題，分別進行了處理：

考慮到壩基覆蓋層不是很深厚，且壩高不足100 m，所以覆蓋層處理重點是保證防滲墻應(yīng)力滿足強度要求，同時趾板、連接板不致出現(xiàn)過大沉降。為此，覆蓋層處理在趾板、連接板及其下游一定范圍內(nèi)進行注漿，以提高覆蓋層抗變形能力 （見圖1）。為了處理陡峭岸坡引起面板周邊縫產(chǎn)生過量變形的問題，在左、右岸陡壁段設(shè)置混凝土高趾墻結(jié)構(gòu)改善岸坡形態(tài) （見圖2），混凝土擋墻與岸坡之間采用鋼筋錨固。

3　應(yīng)力變形研究

3.1計算模型與計算參數(shù)

應(yīng)力變形計算采用三維有限元進行 ，計算中堆石料本構(gòu)模型采用沈珠江院士提出的 “南水”雙屈服面彈塑性模型［11］，模型共涉及8個計算參數(shù) c、φ、Rf、K、n、cd、nd和 Rd，其中c、φ為強度指標(biāo)，對于堆石料 c＝0，摩擦角用?0、Δ?表示；

圖1　設(shè)計剖面及覆蓋層處理

圖2　陡坡段趾墻結(jié)構(gòu)示意

K、n為楊氏模量系數(shù)及冪次，Rf為破壞比，cd、nd、Rd為切線體積比參數(shù)。混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。面板與墊層、趾板與地基、連接板與地基、防滲墻與地基之間采用無厚度接觸面單元模擬接觸特性。表1為計算參數(shù)，壩體堆石料及覆蓋層參數(shù)由試驗確定，混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量及泊松比根據(jù)其標(biāo)號確定 （見表1）。

表1　靜力計算參數(shù)

圖3　最大剖面蓄水期變形等值線 （單位：cm）

3.2計算結(jié)果分析

圖3為最大剖面蓄水期沉降和順河向水平位移計算結(jié)果 （見圖3）。壩體變形分布符合一般規(guī)律，蓄水期最大沉降為37.4 cm，位于壩軸線半壩高附近。上游向水平位移最大值為4.1 cm，下游向水平位移最大值9.8 cm。

混凝土防滲墻的順河向變形如下所示 （見圖4），竣工期受下游覆蓋層的側(cè)向擠壓作用 ，防滲墻順河向變形表現(xiàn)為向上游變形，最大順河向變形為-2.7 cm。蓄水期受庫水壓力作用，順河向變形表現(xiàn)為向下游變形，最大變形為6.0 cm。由蓄水引起的最大順河向變形為8.7 cm。由于防滲墻下游覆蓋層進行了注漿處理 ，較好地控制了防滲墻的變形，最大順河向變形均位于河床中央防滲墻頂部。

圖4　混凝土防滲墻的順河向變形等值線 （單位：cm）

蓄水期防滲墻上游面和下游面應(yīng)力分布分別如下所示 （見圖5）。在水壓力和墻側(cè)摩阻力作用下，防滲墻主要受壓，在兩岸墻底附近局部受拉。上游墻體大主應(yīng)力最大值為7.28 MPa，小主應(yīng)力壓、拉應(yīng)力最大值分別為4.94、1.11 MPa；下游墻體大主應(yīng)力最大值為8.97 MPa，小主應(yīng)力壓、拉應(yīng)力最大值分別為4.99、1.07 MPa。防滲墻拉、壓應(yīng)力均在混凝土允許范圍內(nèi)。

圖5　蓄水期混凝土防滲墻應(yīng)力等值線 （單位：MPa）

混凝土面板蓄水期的撓度與軸向變形計算結(jié)果如下所示 （見圖6）。面板最大撓度為14.9 cm，位于1/3壩高附近，右側(cè)面板軸向向左岸變形，最大值為0.8 cm，左側(cè)面板軸向向右岸變形，最大值為1.0 cm。

圖6　蓄水期混凝土面板變形等值線 （單位：cm）

圖7　蓄水期混凝土面板應(yīng)力等值線 （單位：MPa）

面板蓄水期的軸向應(yīng)力與順坡向應(yīng)力計算結(jié)果如下所示 （見圖7）。面板軸向及順坡向應(yīng)力分布規(guī)律相似，河谷部位受壓，兩端周邊縫附近受拉，最大軸向壓應(yīng)力為7.36 MPa，最大軸向拉應(yīng)力為1.07 MPa，最大順坡向壓應(yīng)力為6.42 MPa，最大順坡向拉應(yīng)力為0.60 MPa。

蓄水期連接板與趾板以及防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態(tài)，接縫錯動很小，連接板與趾板間接縫最大相對沉陷為8.7mm，連接板與防滲墻間接縫相對沉陷較大，最大相對沉陷為17.9mm。

蓄水期面板周邊縫的三向變位計算結(jié)果顯示：周邊縫變形表現(xiàn)為有張有壓 ，錯位主要表現(xiàn)為向河谷錯動，沉陷為指向壩內(nèi)；岸坡陡坡段周邊縫變形較大；最大張開為13.3mm，最大沉陷為35.7mm，最大錯動為19.3mm，均發(fā)生在岸坡陡坡段高趾墻部位。

三維有限元計算結(jié)果顯示，經(jīng)過覆蓋層注漿加強處理及陡峭岸坡貼坡?lián)鯄π奁绿幚砗?，大壩防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形性態(tài)良好，混凝土結(jié)構(gòu)強度及止水結(jié)構(gòu)變形均能滿足要求。

4　結(jié) 語

三維應(yīng)力變形有限元計算結(jié)果顯示 ，壩體及防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形規(guī)律正常 ，量值在正常范圍內(nèi)。蓄水期壩體最大沉降37.4 cm，沉降率約為0.35%；面板最大撓度14.9 cm，蓄水引起的防滲墻最大順河向變形為8.7 cm；面板、防滲墻和趾板等混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)與基巖岸坡連接部位附近局部范圍內(nèi)，最大壓、拉應(yīng)力均在混凝土材料允許范圍之內(nèi)；岸坡陡壁段面板周邊縫變形較大，最大沉陷為35.7mm，最大錯動為19.3mm，最大張開為13.3mm，變形在止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)；經(jīng)過灌漿處理后，連接板與防滲墻之間的接縫最大沉陷為17.9mm，在止水結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。經(jīng)適當(dāng)處理后，本工程在復(fù)雜地質(zhì)地形條件下修建面板堆石壩是可行的。

［1］ 沈 婷，李國英，李 云 ，李 娟，馮業(yè)林.覆蓋層上面板堆石壩趾板與基礎(chǔ)連接方式的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（14）：2588_2592.

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［11］朱百里，沈珠江.計算土力學(xué)［M］.上海：上?？萍汲霭嫔?，1990.

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-06-22

姚 杰 （1973-），男，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計及研究工作。

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